0.   引　　言

我国煤炭资源丰富，但煤炭开采、储存和运输过程中存在大量煤自燃现象。据统计^[1]，2010—2020年，我国煤矿开采过程中由于自燃事故共导致166人死亡，70余人受伤。煤自燃不仅造成巨大经济损失，还会对生态环境造成严重破坏，因此提高煤自燃监测预警的高效性具有重要意义。

现阶段，煤自燃监测预警的方法主要有对气体、温度等进行监测，包括利用CO临界值、CO与CH₄形成速率以及各种气体比值^[2]对煤自燃进行预测；通过建立模型方程对煤温及指标气体进行拟合确定煤自燃风险等级^[3]。声发射技术早期应用于岩石材料破裂的研究^[4]，对于不同岩石材料破裂演化，不同受载条件下岩石材料尺寸效应和声发射分形特征研究取得长足进展^[5-6]。

关于温度对煤岩声发射的影响，学者研究了温度对砂岩声发射信号^[7]、声发射源定位精度影响^[8]，利用分形维数等方法对声发射信号特征参数进行分析，进而表征煤岩损伤信息^[9-10]。对温度作用下煤岩声发射产生机制进行探究，声发射信号与煤岩体内部破裂与微观结构的损伤破坏联系紧密，已有研究探讨了不同温度处理后煤岩受载释放的声发射信号和破坏过程裂纹演化规律^[11]，孔裂隙的产生是声发射信号主要来源之一，声发射技术能够表征煤岩裂缝的渐进损伤过程^[12]。

目前，声学法测温能够弥补传统测温的局限性，适用性更强，声学法测温主要有2种方法，一种是提取声发射信号，建立声信号和温度关系，另一种是基于被测试对象的声波特征构建声速与温度关系^[13]。已有研究基于声波在气体介质中传播速度与温度关系，来反映被测物体内部燃烧情况，在炉膛测温、粮食测温等方面得到应用^[14-15]。

基于声学法测温的优势，应用声发射技术进行煤自燃监测，从而实现地下隐蔽火源预警具有较好的前景，而煤升温过程中声发射信号变化特征还未有深入研究，对煤升温过程中的声发射产生机制还未有揭示。基于此，本文利用声发射技术监测煤在升温过程中产生的声波信号，通过提取声发射特征参数，分析不同温度阶段声发射信号时序特征、定量计算与温度相关性、损伤参数变化规律，最后基于煤岩微观孔裂隙变化特征探讨煤升温过程声发射信号产生机制，以期为利用声发射技术监测预警煤自燃提供理论基础。

1.   测试系统搭建与试验步骤

1.1   声发射信号测试系统的搭建

建立了声发射信号测试系统，如图1所示。该系统由炉体、热空气输入系统、热电偶测温系统、声发射监测系统组成。整个炉体呈圆柱形，外径为3.7 m，内径为2.8 m，高为3 m，外部为金属外壳、内部为耐火砖层、聚氨酯隔热隔音层、水夹层等组成。热空气输入系统由气泵、加热罐、金属软管和温度调控箱组成。热电偶测温系统包含K型热电偶和温度记录仪2部分；声发射监测系统主要由声发射探头、声发射主机、前置放大器与波导杆组成。

图  1  试验系统

Figure  1.  Experimental system diagram

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1.2   试验步骤

本次试验所用煤样为东滩煤矿的烟煤，煤自燃倾向性属于II类，工作面最短煤自燃周期为66 d。将所取得松散煤体筛选出粒径小于30 mm的煤样，筛选后得到3 t煤样进行试验。将筛选好的煤样置于炉体之中，盖上顶盖，并将顶盖周围用胶密闭，预留通气孔和排气孔、波导杆孔。用钢制波导杆作为声发射采集的“桥梁”，通过“断铅”试验进行声源校准检测灵敏度，铅笔伸长长度约为 2.5 mm，与试件夹角成 30°左右，响应幅值取3次以上的平均值。4根波导杆位于炉体的4个不同位置，并且记为通道1～4，波导杆距离最近的通气管口水平距离分别为10、20、20、40 cm，距离炉体底部分别为37、35、15、35 cm；利用凡士林作为耦合剂将声发射探头与波导杆连接，连接主机与声发射测试仪，监测煤样在升温过程中不同位置的声发射信号。4个热电偶测温探头布置在波导杆旁边，编号与波导杆1～4对应，测量该点处温度变化。

试验开始前首先测试加热管和气泵运行时产生的声发射信号，并调整门槛值，将环境噪音过滤掉。利用热空气加热煤样，采用热电偶测温系统记录升温过程温度变化，煤体升温释放的声发射信号通过波导杆作传输介质传递到声发射主机，最终将波形保存到声发射主机。试验中设置声发射监测系统的前置放大倍数为40 dB，采样频率为200 kHz。

2.   煤升温过程中声发射信号变化规律

2.1   煤升温过程中声发射信号规律特征

煤升温过程中，布置在4个测点的传感器均接收到声发射信号，分析发现声发射信号的变化趋势一致。为了分析煤升温过程中不同温度阶段声发射信号变化规律，本节选取1号测点的声发射信号进行分析。煤在25 ～95 ℃过程中声发射信号如图2所示。

图  2  煤升温前期声发射信号与温度关系

Figure  2.  Relationship between acoustic emission signal and temperature in the early stage of coal heating

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由图2可得，随着煤体温度升高，声发射信号阵发性逐渐增大，此阶段煤处于低温氧化阶段，对应煤样产生声发射信号较低，高振铃计数事件较少，声发射信号较为稀疏；温度超过60 ℃后，能量释放较前期声发射信号平稳状态开始明显增强；当温度接近80 ℃时，温度不断提高，释放声发射能量增加，振铃计数个数总体也显著增多，高振铃计数变多，释放声发射信号更多。煤体温度升高到350 ℃时，声发射振铃计数与能量变化如图3所示。

图  3  煤升温全过程声发射信号与温度关系

Figure  3.  Relationship between acoustic emission signal andtemperature during the whole process of coal heating

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由图3可知，随着温度升高，振铃计数与能量都有较大变化，温度25～350 ℃，随温度的升高，声发射信号呈现出逐渐增加的趋势。在60 ℃之前，由于温度较低，大部分振铃计数非常低；在60 ℃时振铃计数与能量释放都有一定的增强，结合声发射信号的整体变化情况，温度低于80 ℃时，能量增加仍较缓慢，80 ℃时能量和振铃计数剧烈增加，同时升温速率也大幅提高；在100 ℃前，振铃计数处于阵发性增加状态，但变化幅度较小；100 ℃之后，随温度的快速增加，振铃计数迅速上升。随着温度的升高，煤体释放出的能量强度不断增大；200 ～300 ℃声发射信号强度增势略微减缓，但仍然呈现不断增长的趋势。

根据文献[16]，煤温在60～85 ℃时煤接近其临界温度，当煤温在自热期温度超过自热临界值时，煤温会急剧上升，氧化速度加快。试验过程中煤温超过80 ℃后煤温剧增，温度上升有一个明显加速过程，可确定试验中煤的临界温度在80 ℃附近。

2.2   煤升温过程声发射与温度相关性分析

选取温度及对应的信号参数，得到振铃计数与温度关系，煤的声发射振铃计数N与温度T的关系式为:

线性拟合相关系数为0.8789，煤升温及燃烧过程的声发射振铃计数与温度的变化特征如图4所示。

图  4  温度与振铃计数、能量关系

Figure  4.  Temperature vs. ringing count, energy

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煤温接近临界温度时，煤体热量积蓄，能量小幅度突增，温度超过150 ℃声发射能量随温度升高不断增大；煤温300 ℃时已经停止加热，炉体余温使煤样温度缓升。煤样在升温过程中，振铃计数阵发性提高，且增长趋势与温度呈现良好的正相关关系，振铃计数和温度线性增长趋势斜率大于2，线性相关系数超过0.85。结合能量释放强度和振铃计数说明，煤在升温过程中，声发射信号强度随温度增加不断增强。

2.3   煤体热损伤参数分析

煤岩破坏是损伤积累的结果，在外界载荷持续作用下，煤岩内部裂隙损伤持续发展破坏，使煤岩失去承载能力。采用声发射计数能够表征煤岩热损伤的演化过程，损伤参数D一般表达式^[17]为：

式中：A_d为缺陷损伤横截面积，cm²；A为无损状态下试件的横截面积，cm²。

现有研究^[18]基于声发射振铃计数定义煤岩在形变过程中损伤变量，换算成声发射计数表示i阶段损伤参数，对煤岩各阶段损伤参数进行累加得到煤样累计损伤参数计算公式：

式中：D_m为累计损伤参数；N_i为i阶段声发射振铃计数个数；N_a为热载全过程声发射振铃计数，个；m为全阶段。

煤在升温过程中累计损伤参数变化如图5所示，随着温度的升高，累计损伤参数增长速率呈阶段性变化，利用最小二乘法对2部分累计损伤参数D_m进行线性拟合，得到斜率拐点出现在煤温临界温度处，前半部分拟合斜率为0.094 2，后半部分为0.037 4。

图  5  累计损伤参数

Figure  5.  Cumulative damage parameters

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结合煤升温声发射振铃计数、能量与温度关系可以得到以下规律：

1）累计损伤参数变化趋势随着煤样温度升高出现明显拐点，当煤温超过临界温度，D_m斜率降低至临界温度前斜率的2/5，升温过程中煤体在到达临界温度前以快速扩展损伤为主，越过临界温度限后以渐进式损伤为主。

2）煤样内部损伤变化最快的阶段在80 ℃之前，此阶段煤温较低但声发射信号增强较快，当煤温突破临界温度之后内部损伤速率变缓，声发射信号增势短暂减缓，但温度快速升高时声发射信号又进一步增强。

2.4   声发射信号时序特征

声发射平均频率AF值表示声发射事件中一个撞击对应的波形频率平均状况，单位为kHz，是波形频率分量的较好近似。

式中：t_i为持续时间，ms。振铃计数变化率$\varDelta$表示为：

振铃计数变化率体现煤样释放的振铃计数增长情况，AF值可以反映AE信号波动，振铃计数变化率和声发射AF值能够协同表现煤升温及燃烧过程中声发射信号时序特征。选取每2 500 s内最大振铃计数变化率依次连接，得到最大变化率变化情况，如图6所示。

图  6  升温过程中煤样振铃计数变化率和AF值

Figure  6.  Rate of change and AF value of coal sample ringing count during heating up

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振铃计数变化率和AF值均呈现阶段分布，第1阶段为试验前期煤样温度低于70 ℃（5 000 s前），第2阶段为煤样临界温度蓄热期至快速升温期（5 000 ～15 000 s），第3阶段为煤样加热完毕余热使煤温缓慢增加（15 000 s后），其中第1、3阶段温度上升较为缓慢，第二阶段为温度快速上升期。由图6可知，第一阶段煤温较低时振铃计数变化率相对较低，AF值也较稀疏且大部分集中分布于20 kHz以下，此时煤样AE信号变化较小，波形频率较低；第二阶段振铃计数变化率为3个阶段中最高，AF值越过20 kHz数量明显增多，此时煤处于临界温度后温度快速上升时期，煤样内部变化剧烈，声发射信号变化波动较大，声发射平均频率出现大量高频信号；第三阶段停止对煤样加热后，煤体温度变化趋于平稳，煤样破裂速率减缓，振铃计数变化率略微下降。

3.   煤升温过程声发射信号产生机制

3.1   孔裂隙与声发射产生机制分析

煤在成型过程中受到各种因素影响，造成其组分的不均匀分布，且煤的不同组成部分的热膨胀系数不同，受到温度载荷时，内部薄弱处先达到强度极限出现结构破裂进而产生声发射信号。声发射信号变化能体现出煤岩内部结构变化过程，反映煤岩在外力作用下裂纹的产生扩展、贯通及破坏，通过煤样孔裂隙结构变化反向分析声发射信号产生机制。

采用型号为 Apreo S HiVac 的扫描电子显微镜对4组温度处理之后的试验煤样进行观察，得到不同温度时期煤样孔裂隙结构情况。

电镜8 000倍放大尺度下煤表面图像如图7所示，30 ℃时煤的孔隙几乎全部为自身原孔隙，自然分布且孔隙微小，孔径都在10 μm以下；100 ℃处理后的煤样内部水分子和其他易挥发物质蒸发，孔隙增多扩展，开始出现宽度不超过0.5 μm的微裂隙；200 ℃时煤样大量集中的孔隙延伸贯通成为宽度为5 μm左右的裂隙，此温度下煤样裂隙边缘光滑，出现更多的大小不一的孔隙；300 ℃时煤样完整性被严重破坏，表面裂隙宽度超过5 μm且内部及周边附着大量破碎的煤颗粒，较多楔形孔隙呈区域分布。

图  7  不同温度处理后煤样孔裂隙情况

Figure  7.  Fractures of coal samples after treatment at different temperatures

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试验表明，煤样在升温过程中，由于温度影响致使煤体内部结构的破裂，煤体结构破裂时会向外界释放能量，声发射信号就是该能量的形式之一，煤体处于不同的温度段释放的能量不同，其产生的声发射信号也不相同。学者利用不同温度处理后压汞试验得到孔隙特征参数，对裂纹的宽度比重进行统计，证实温度对煤岩产生热损伤，煤岩裂隙不断发育产生热破裂，温度越高煤岩破裂程度越大。通过高精度工业CT扫描能够对煤岩实时热损伤过程中裂隙演化进行描述，根据文献[19]对褐煤热破裂的显微试验，温度升高过程中，煤的不同尺度裂隙数量都有不同程度的增加，在常温至100 ℃之间裂隙有较大增速，该阶段声发射在80 ℃前后变化规律呈现较快增加的变化；100～200 ℃裂隙增速略微有所下降，此时声发射信号强度增速变慢；200～300 ℃裂隙增速都较快，声发射信号增强最快；300 ℃后煤样开始热解，不同尺度裂隙增量降到较低值。

综合不同尺度裂隙的演化规律与声发射信号测试试验结果，煤在升温过程中煤体孔裂隙的发育扩展与声发射信号强度增强变化具有一致性，煤内部孔裂隙的产生与扩展破裂是声发射信号产生的主要来源。

3.2   高含量矿物转化速率对孔裂隙变化的影响

煤受热时连接内部各物质的分子链在温度作用下断裂或重连，转化为更为稳定的结构。分析不同温度下煤中常见高含量矿物成分占比，探究煤在升温过程中矿物成分转化速率对声发射信号产生的影响。

高岭石、珍珠石与地开石差别在于内部晶体结构不同，埃洛石晶体结构与高岭石相似，但结构单元层之间有层间水存在，也被称为多水高岭石，温度的增加，4种矿物相互转换，以高岭石、珍珠石、地开石、多水高岭石4种矿物为分析对象，通过X射线衍射（XRD）试验，获得不同温度下煤样内部4种矿物的百分含量^[20]。4种矿物含量分数变化情况如图8所示。

图  8  不同温度下矿物含量占比

Figure  8.  Proportion of mineral content at different temperatures

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如图9所示，4种矿物的质量分数存在明显的变化，在第1阶段矿物转化速率最快，第2阶段转化速率显著降低，第3阶段转化速率介于第1、2阶段之间。

图  9  不同阶段矿物转化速率

Figure  9.  Mineral conversion rates at different stages

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结合煤升温过程中内部裂隙变化情况，不同阶段矿物转化速率对声发射信号变化的作用如下：在第1阶段煤体内部矿物含量转化速率最快，此时煤样以快速扩展损伤为主，总裂隙增长速率较快，此时声发射信号强度快速提高，在试验过程中温度相对较低的情况下发射信号增长迅速；第2阶段煤体已转变为渐近扩展损伤，矿物转化速率变小，总裂隙增长速率显著降低，煤温已经超过100 ℃，温度继续升高声发射信号不断增强，但增速变缓；第3阶段温度较高，矿物转化速率升高，煤体内部总裂隙增长速度大幅提高，此状态下声发射信号进一步增强。

以上研究得到矿物转化速率的变化是影响煤升温声发射信号产生的原因之一，但声发射信号的产生受到不同煤质、升温速率、周边环境影响，因此，揭示煤自燃过程不同煤质声发射信号时空演化规律及传输衰减机制，是接下来应用声发射技术进行煤自燃监测预警的重点研究方向。

4.   结　　论

1）煤在升温过程中，能够产生明显的声发射信号。温度升高对煤的声发射信号的增强作用明显，煤在升温至燃烧过程中，声发射振铃计数呈阵发性增长，拟合得到振铃计数与温度满足关系式N = 2.054 52T + 129.847 87，振铃计数与温度线性相关系数超过0.87，温度的升高促使煤释放的声发射信号持续增强。

2）引入声发射损伤参数表征煤在升温及燃烧过程中损伤变化，煤样在80 ℃前后累计损伤参数增长速率有明显的阶段性，后者速率降低至原40%。临界温度前的煤样内部以快速扩展损伤为主，后以渐进式损伤为主。煤在初始升温时声发射平均频率和振铃计数变化率均较低，在煤快速升温又呈现显著增加的变化，声发射波形频率与温度变化对应性显著。

3）从微观角度讨论煤升温过程中声发射信号产生机制，温度升高促使煤体内部矿物进行转化，矿物转化速率会影响煤体内部主要损伤模式，矿物高转化速率对应快速扩展损伤，帮助煤体内部孔裂隙衍生扩展，是促进煤体释放声发射信号的原因之一。