瓦斯抽采钻孔封孔质量超声检测最佳频率研究

于丽雅，赵永芳，张哲瑞，卢国菊

(山西能源学院，山西 晋中 030600)

瓦斯抽采钻孔封孔段孔周存在裂隙过多会造成抽采浓度下降，瓦斯抽采效果也会因此受到影响。超声波对裂隙有天然的敏感性，许多学者进行了相关研究，利用超声波探测裂隙的发展情况，检测钻孔不同角度、不同深度的孔壁超声波参数，进而得出抽采钻孔在不同位置的密封特性[1-4].为了定量化开展裂纹参数研究，采用超声波仪采集不同频率下的含孔试样渐进性破坏过程中的透射波数据，得到不同阶段的超声波波形，从频域的功率谱密度和时域的超声波波形幅值两个角度进行分析[5-7]，从而得到检测效果好的最佳检测频率。

1 超声波波形收集

实验开始之前，预先测量记录实验样品的宽度。将实验样品平稳放置在试验机仪器底座后，在实验样品左右两侧涂抹耦合剂，再将声波仪的发射端和接收端贴牢固。

将声波仪的发射方式设置为连续发射，采样长度为512 us.在试验机未加压时，进行首次测量，测试试样的超声波波形，从而计算分析出试样的初始状态参数。随后，每升压1 kN，进行一次测量，获得波形数据，直到试样破坏。

波形数据见图1.图1中，曲线0 kN即未加压的波形，曲线3～15 kN分别为压力机轴向压力3～15 kN，每增压1 kN时所收集到的波形数据。

图1 加载过程中的波形图

如图1所示，0～15 kN压力区内，波形无明显差异，相似性较高；0～12 kN压力区内，波形存在1～2 us的延迟，较好地采集了波形，但是透射波穿过试样的同时，会伴随着多次的反射和衍射。此外，这些振动会和发射端的运动叠加，出现共振的现象，因此波形图上会有明显的变化，如第二、第三波峰的幅值大幅上升，最大值超过1 500 mV.

2 超声波检测的功率谱密度演化规律

当遇到煤岩体中的孔洞与岩体结构面时，会造成波的反射，波形中会存在能量损失，因此，功率谱对煤岩体中的孔洞特别敏感。为此，通过分析含孔试样的透射波波形，对比功率谱密度，总结出试样破坏过程中功率谱密度的变化规律。依据此思路，计算整理了含孔试样功率谱密度。

试样初始功率谱密度见图2.如图2所示，功率谱密度频率大于1×105Hz的区域内，存在衰减的现象，而后基本处于-50 dB/Hz；对比之下，功率谱密度频率处于4.5×104～5.2×104Hz内达到峰值。由此可见，通过发射端穿透试样，最后到达接收端采集的波形中，频率范围介于4.5×104～5.2×104Hz时，所携带的能量最大，同时，试样在4.5×104～5.2×104Hz频率范围内，波形的穿透力较强，且能够最好的响应振动。

图2 试样初始功率谱密度图

3 不同频率超声波的功率谱密度特征

在试验开始前测得不同频率下试样的初始波形，并计算得到不同频率下试样的功率谱密度,见图3.

图3 不同频率的试样功率谱密度图

在破坏过程中，含孔试样的功率谱密度都出现了衰减的现象，而且频率不同时，试样的衰减程度存在明显的差异，见图3.采用12.5 kHz探头进行试验，结果如图3a)，开始试样就出现衰减的趋势，整体呈现出平缓的下降趋势，最终频率基本处于-50 dB/Hz附近。试验表明，试样在该频率范围内振动响应较差，波形穿透力不强。由此可见，12.5 kHz频率，检测效果较差。

采用25 kHz探头进行试验，结果见图3b)，当频率>105Hz时，试样也同样出现了衰减的趋势，最终频率基本处于-50 dB/Hz附近；谱峰出现在1.8×104～2.7×104Hz.试验表明，由发射端穿过试样到达接收端的波形中，1.8×104～2.7×104Hz所携带的能量最大。

采用50 kHz探头进行试验，结果如图3c)，当频率>105Hz时，衰减过程相同，最终频率基本处于-50 dB/Hz附近；谱峰出现在4.5×104～5.2×104Hz.试验表明，由发射端穿过试样到达接收端的波形中，4.5×104～5.2×104Hz所携带的能量最大，此外，在这个频率范围内，试样波形的穿透力比较强，能够很好的响应振动。因此可以确定，检测频率50 kHz时，效果是比较好的。

采用100 kHz探头进行试验，结果见图3d)，当频率>105Hz时，试样出现衰减的趋势，各条曲线波动较大，最终频率基本处于-50 dB/Hz附近；谱峰出现在9.5×104～10.2×104Hz.试验表明，由发射端穿过试样到达接收端的波形中，9.5×104～10.2×104Hz所携带的能量最大，此外，在这个频率范围内，试样波形的穿透力比较强，能够很好的响应振动。因此可以确定，检测频率100 kHz时，效果比较好。

采用250 kHz探头进行试验，结果见图3e)，从实验之初就出现了衰减的趋势，最终频率基本处于-50 dB/Hz附近；整体呈现出平缓的下降趋势，这意味着，试样在该频率范围内振动响应较差，波形穿透力不强。因此可以确定，检测频率250 kHz时，效果是比较差的。

4 不同频率超声波的检测精度

含孔试样在破坏过程中功率谱密度会因为试样的破坏，造成衰减程度产生较大的差异。根据超声波对裂隙敏感性的特点，测试不同频率试样在破坏时的衰减程度，衰减程度越大的超声波频率对裂隙越敏感。也就是说，衰减程度越大，此频率检测的精度就越高，见图4,研究发现，不同频率试样在破坏过程中的衰减呈现出以下规律：

将超声波频率划分为低频0～160 kHz，中频160～340 kHz，高频340～500 kHz 3个阶段。

对比图3a)，图4a)中采用12.5 kHz探头进行试验，在低频区，衰减程度显著增强，能量损失也比较大，可见超声波在穿过裂纹的过程中存在能量损失，在低频区，超声波对裂纹来说比较敏感。

对比图3b)，图4b)中采用25 kHz探头进行试验，在低频区，特别是在22～25 kHz，不同应力阶段十分突显，衰减程度显著增强，该阶段对裂纹比较敏感。

对比图3c)，图4c)中采用50 kHz探头进行试验，在低应力区，含孔试样裂隙扩展不明显，破坏程度比较低，功率谱密度衰减程度较小，然而当强度接近峰值时，如98.1%σp，功率谱密度显著衰减，特别是在48～52 kHz的超声波对裂隙敏感。

对比图3d)，图4d)中采用100 kHz探头进行试验，在低频率阶段，衰减程度急剧增强。在图3e)中，采用250 kHz探头进行试验，功率谱密度整体呈现出平缓的下降趋势，最终维持在频率在-50 dB/Hz附近；在图4e)中250 kHz的试样，在低频率阶段，衰减程度急剧增强。

图4 不同频率的试样功率谱密度衰减规律图

综上所述，在低频阶段，超声波频率对裂隙有很强的敏感性，12.5 kHz、25 kHz、50 kHz在低频检测阶段的检测精度高，但12.5 kHz的试样，整体呈现出平缓的下降趋势，频率范围内振动响应较弱，波形穿透力不强。

5 结 论

超声波工作频率为25 kHz、50 kHz、100 kHz时，分别在1.8×104～2.7×104Hz，4.5×104～5.2×104Hz及9.5×104～10.2×104Hz达到谱峰，此3种工作频率波形穿透力较强，振动响应好，主频分辨率较高。超声波工作频率为25 kHz、50 kHz时，在低频检测阶段的检测精度高，但是25 kHz的试样功率谱密度谱峰较小，其分辨率较低，频率范围内振动响应较弱，波形穿透力不强；100 kHz的试样由于在不同应力阶段的衰减极为相似，其分辨率较低。

综合以上，50 kHz的超声波频率的有效检测半径满足要求，而且在这个频率范围内，波形穿透力较强，振动响应好，检测精度高，是最佳检测频率。