巖石試件單軸破壞過程的聲發射特征研究★

熊毅　　王卓雄　　白悅

(1．重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶　400030;　2．重慶大學資源及環境科學學院，重慶　400030)

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巖石試件單軸破壞過程的聲發射特征研究★

熊毅1，2王卓雄1，2白悅1，2

(1．重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶400030;2．重慶大學資源及環境科學學院，重慶400030)

摘要:針對隧道圍巖穩定性預測問題，通過室內巖石力學試驗，分析了三泉隧道內部石灰巖試件單軸破壞過程的聲發射及微裂隙演化特征，得出了一些結論，有利于隧道圍巖穩定性的控制。

關鍵詞:圍巖，聲發射特征，微裂隙演化特征，穩定性

聲發射是材料受外力作用出現變形或裂紋擴展，在其破壞過程中產生的瞬時應變能以彈性波的形式快速釋放的現象［1-5］。由于自然界大部分的材料內部都含有或多或少的缺陷，在外界條件改變的情況下，內部缺陷狀態發生改變，發出聲音。從微觀上看，聲發射是由于材料內部晶體產生位錯，微裂紋萌生且逐漸閉合、擴展;從宏觀上看，聲發射是由于材料內部出現大面積損傷或結構單元之間產生大幅度的相對運動而產生的。材料破壞失效的根本原因就是內部微裂紋的擴展與貫通。巖石作為非金屬材料，強度很高，韌性很差，屬于脆性材料，其聲發射源主要為微裂紋開裂和宏觀開裂［6-11］。進行單軸壓縮條件下巖石試件破壞過程的聲發射研究，可深入揭示巖石失穩破壞本質，從根本上認清其破壞的應力條件，為地下巖石工程災害的預報預測提供理論基礎。

1　研究背景

隧道的開挖主要有礦山法和新奧法，在這些開挖方法中都需要加強圍巖穩定性方面的監測預警，防止由于地應力造成圍巖失穩。三泉隧道地址位于重慶市南川區三泉鎮境內，進洞口位于三泉鎮石門溝溝口處，出洞口位于三泉鎮半河鄉天生橋北約50 m處。隨著隧道的開挖長度不斷增加，圍巖的暴露面積也日益增大，為了保證隧道開挖安全高效的進行，減少開挖成本，亟待對圍巖采取相應的防治措施，以免發生拱頂垮塌或巖爆等現象。本文對三泉隧道右洞內部石進行單軸壓縮實驗，并結合聲發射方法對其破壞特征進行分析，希望能夠對其圍巖的穩定性監測及防治問題有所幫助，為隧道開挖過程中圍巖失穩預測提供相關理論支持。

2　實驗裝置與實驗方法

本次實驗在重慶大學煤礦動力災害學與控制國家重點實驗室進行。經過對現場調研期間取得的三泉隧道右洞巖樣，經取芯、切割、打磨等工序制成符合國際巖石力學學會建議的標準巖石力學試件，如圖1所示。實驗中主要使用的實驗設備有:日本島津公司生產的AG-Ⅰ250 kN型精密電子萬能材料試驗機、美國物理聲學公司PCI-2型聲發射測試分析系統、CCD高清攝像機，實驗過程如圖2所示。聲發射檢測儀是用來接收和處理聲發射信號的機械設備，本次實驗使用的美國物理聲學公司PCI-2系統，該系統是對聲發射特征參數/波形進行實時處理的雙通道聲發射系統。PCI-2系統主要由聲發射檢測儀主機、傳感器、前置放大器等組成(如圖3所示)。

實驗步驟如下:以黃油作為耦合劑在巖石側面粘貼四個聲發射(如圖4所示)，并檢查探頭接收到的信號是否正常。為了防止端面效應對實驗結果的影響，安裝試件前在其上下端面均勻涂抹一層黃油，并保證試件中心與試驗機上下壓頭中心共線。軸向加載采用0．05 mm/min的位移控制，安裝調整攝像機使其可以清晰的看到巖石試件正前方位置，設置聲發射系統參數，完成后同時開啟島津試驗機、聲發射監測系統、CCD高清攝像機開始試驗。試驗中通過對巖石受力變形的位移、荷載控制，實時監測試件表面的細觀裂紋演化過程及與之對應的聲發射信號變化情況，并與應力—應變曲線相對比，從而研究磷礦石在軸向壓縮條件下破壞失穩的力學及聲發射特征。

圖1　石灰石標準巖石試件

圖2　試驗過程設備布置圖

3　實驗結果分析

3．1石灰石單軸破壞全程應力—聲發射—時間關系

對實驗結果分析，得到單軸壓縮過程中的應力、AE隨時間變化曲線以及AE總計數隨時間變化曲線，以1號試件為代表進行分析，可以看出應力—時間曲線與AE實時計數曲線對于反映巖石試件單軸破壞狀態具有很好的一致性。

圖3　PAC公司PCI-2型聲發射測試分析系統

由圖5可以看出:在oa階段巖石試件處于微裂隙空隙閉合階段，在軸向力的作用下，原始空隙裂隙開始閉合，在該過程中有少

圖4　傳感器布置形式

圖5　1號試件的應力、AE實時計數—時間關系曲線

圖6　應力、AE總計數—時間關系曲線

圖6為實驗所得巖石單軸破壞過程的應力、AE總計數—時間關系曲線，由圖6可以看出隨著巖石微破裂的不斷發展巖石聲發射AE總計數呈不斷增大的趨勢，且增長的幅度越來越大。在ab段，微彈性裂隙穩定發展階段AE總計數—時間關系曲線開始穩定增大;在b點之后AE總計數—時間關系曲線上升到一個新的高度，然后保持一定的速度繼續增大;到達c點附近時，AE總計數曲線增長速率發生了極大的改變，尤其是在巖石試件破壞的瞬間，AE總計數曲線直線上升。由AE總計數—時間曲線可以看出，在巖石破壞過程中，AE總計數呈“階梯”狀增長，且隨著巖石破壞的發展“階梯水平”的落差逐漸加大，“階梯水平”逐漸減小。產生這種現象的原因是，隨著應力的持續加載，巖石損傷破壞進程加快，AE信號突增頻率加大，且增長的幅度也逐漸增大。

3．2基于CCD的試件破壞微裂隙演化規律分析

通過CCD高速攝像機實時監控試件在破壞過程中的裂隙演化特征，圖7為不同時間試件表面裂隙演化過程。

由圖7中不同時間巖石時間裂隙演化狀態可以看到，在0 s～1 170 s時間內試件表面沒有宏觀裂隙產生，與圖5和圖6顯示的ab階段很少有聲發射信號產生一致。在1 170 s時巖石試件前方上部左側產生宏觀微小裂隙，聲發射監測數據顯示該時間點AE計數較之前相比出現了較大的上升。1 200 s時巖石上部左側裂隙向上部擴展，與此同時在巖石下部左側角出現新的宏觀裂隙，并且在1 242 s時該裂隙產生掉落，在其旁邊又產生新的縱向裂隙。該過程在巖石試件的左上及左下位置都產生了微破裂，認為可能是由于該試件受力不均造成的，巖石試件端部不平行，造成試件左側受力較大，產生端部效應使得試件受橫向拉伸產生沿縱向的裂紋。在1 272 s時在試件下部中央位置產生縱向裂紋，并且隨著實驗進行該裂紋不斷由下向上擴展，直到1 410 s時該裂紋與上部產生的新裂紋發生交叉，到1 422 s形成貫通裂隙，然后形成的裂紋在上下裂紋交叉處不斷發展，在橫向不斷復雜，認為這是由于兩部分巖塊在裂隙面滑移摩擦造成該處應力集中，在交叉處產生橫向的變形。在1 458 s時試件突然發生整體失穩，巖石試件由原先的宏觀斷裂面破壞為兩部分，在右側一部分突然產生多條縱向裂紋，在此同時，聲發射AE計數也出現了大幅上升，認為這可能是由于巖石試件的突然破壞使得試件內積蓄的彈性應變能迅速釋放，巖石試件突然卸壓，造成試件內部不可見閉合裂隙的突然張開。由此分析認為隧道開挖過程中，應力集中是造成圍巖失穩的主要原因，圍巖破壞形式多為拉壓破壞，因此在隧道開挖過程中需要采取合理的防治措施，如:開卸荷槽，預鉆孔等，以減小圍巖或掌子面應力集中。

圖7　不同時間巖石時間裂隙演化狀態

通過對三泉隧道巖石單軸壓縮破壞全過程聲發射特征的分析得出以下結論:

1)通過對應力—聲發射AE計數—時間關系曲線及試件破壞微裂隙演化規律分析表明聲發射AE變化規律與巖石試件破壞過程具有一致性，聲發射是巖石破壞過程的伴生現象，因此在地下開采過程中可以通過監測掌子面、圍巖的聲發射信號，預防掌子面、圍巖失穩等災害。

2)在巖石破壞過程中AE總計數呈“階梯”狀增長，且隨著巖石破壞的發展“階梯水平”的落差逐漸加大，“階梯水平”逐漸減小。產生這種現象的原因是，隨著應力的持續加載，巖石損傷破壞進程加快，AE信號突增頻率加大，且增長的幅度也逐漸增大。

3)由試件破壞微裂隙演化規律分析表明應力集中是造成圍巖失穩的主要原因，圍巖破壞形式多為拉壓破壞，故認為在隧道開挖過程中需要采取合理的防治措施，如:開卸荷槽，預鉆孔等，以減小圍巖或掌子面應力集中。

參考文獻:

4　結語

［1］Blake W．Microseismic applications for mining-a practical guide ［R］．United State Bureau of Mines，1982．

［2］Kaiser．E．J．A．study of acoustic phenomena in tensile tests ［D］．Dissertation．Technische Hochschule Munchen，Munich，FRG，1953．

［3］Goodman R E．Subaudible noise during compression of rock［J］．Geological Society of America Bulletin，1963，74(4):487-490．

［4］A．Lavrov．The Kaiser Effect in rocks:principles and stress estimation techniques(Journal review article)［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2003(40): 151-171．

［5］E．Tuncay．Relation between Kaiser effect levels and pre-stresses applied in the laboratory［J］．International Journal of Rock Mechanics＆Mining Sciences，2008(45):524-537．

［6］ 秦四清，李造鼎．巖石聲發射技術概論［M］．成都:西南交通大學出版社，1993．

［7］ 李庶林，尹賢剛，王泳嘉，等．單軸受壓巖石破壞全過程聲發射特征研究［J］．巖石力學與工程學報，2004(15):2499-2503．

［8］ 張東明，白鑫．含層理巖石的AE特征分析及基于Kaiser效應的地應力測試研究［J］．巖石力學與工程學報，2016 (1):87-97．

［9］黎昕，周宗紅，金小川，等．白云巖單軸壓縮試驗聲發射特性研究［J］．中國安全生產科學技術，2013(10):10-14．

［10］ 鄧琦，余賢斌，羅鵬輝．砂巖在單軸壓縮條件下的聲發射特性研究［J］．礦冶工程，2010(3):4-7，11．

［11］ 劉東燕，朱可善，胡本雄．含裂隙巖石受壓破壞的聲發射特性研究［J］．地下空間，1998(4):19-24，60．

中圖分類號:TU411

文獻標識碼:A

文章編號:1009-6825(2016)17-0050-03

收稿日期:2016-04-05 ★:國家級大學生創新訓練項目(項目編號:201510611057)

作者簡介:熊毅(1993-)，男，在讀本科生;王卓雄(1997-)，男，在讀本科生;白悅(1994-)，男，在讀本科生量的聲發射信號產生;在ab階段巖石試件處于彈性變形至穩定發展階段，該階段的應力應變曲線近似呈直線型，前期為彈性變形階段，后段為微破裂穩定發展階段。由應力—時間曲線、AE實時計數—時間曲線可以看到，在該階段前期聲發射信號處于穩定變化階段，后期聲發射信號變化量變化較大，并且出現聲發射信號突然增大的現象，表明該階段后期存在裂隙的演化。在bc階段為非穩定破裂發展階段，或累進性破裂發展階段，進入該階段后，微破裂的發展出現了質的變化，破裂不斷發展，直至時間完全破壞。AE實時計數—時間曲線可以看出該階段的聲發射信號較之前有很大的增加，且一直處于較高水平，表明該階段巖石試件的微破裂不斷發展，直至出現整體的失穩破壞。

Research on acoustic emission characteristics of rock specimens single shaft failure process★

Xiong Yi1，2Wang Zhuoxiong1，2Bai Yue1，2
(1．National Key Lab for Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400030，China; 2．College of Resources and Environment Science，Chongqing University，Chongqing 400030，China)

Abstract:This paper aims at excavation engineering problems of Sanquan tunnel and analysis the acoustic emission and micro cracks evolution characteristics of the Sanquan internal tunnel limestone specimens single shaft failure process through the indoor rock mechanics test．Above research results to control the stability of the surrounding rock of the tunnel．

Key words:surrounding rock，acoustic emission characteristics，evolution characteristics of micro fracture，stability