不同類型巖石加載破壞的微震和電荷感應信號特征研究

趙揚鋒， 程傳杰， 劉玉春， 荊 剛

(1.遼寧工程技術大學 力學與工程學院， 遼寧 阜新 123000； 2.遼寧工程技術大學 理學院， 遼寧 阜新 123000)

1 研究背景

在我國大型水利工程的大規模建設中，巖爆、沖擊地壓等動力災害事故時有發生，往往造成重大的經濟損失和人員傷亡。研究巖體失穩破壞的信號特征可以了解巖爆、沖擊地壓等動力災害發生的機制，達到提前預警的目的。大量試驗[1-3]證明，巖石變形破壞過程中會產生微震和電荷感應信號，且微震和電荷感應信號特征與巖石內部裂紋產生的過程有很大關系。因此，可以通過研究巖石變形破裂過程中微震和電荷感應信號特征與巖石內部裂紋擴展過程和應力應變的變化，用來預警預測巖石的動力災害。

巖石變形破裂微震信號試驗研究基本上是根據水利和巖土工程中現場監測到的微震數據為基礎來進行的。夏永學等[3]認為通過監測和分析微震信號可以更好地了解巖石破壞機制，為巖石動力災害預測預警提供有效信息；蔣雄等[4]研究了兩河口水電站母線洞開挖過程中微震積聚區微震信號特征，發現微震信號的高頻成分先減小后增多；姜鵬等[5]通過研究3個水電站的微震監測數據，發現了巖石破裂的大小與微震信號頻率的關系；王曉南等[6]研究了組合煤巖的微震信號和微震頻譜特征，對沖擊地壓的監測預警具有重要意義；楊威[7]采用不同單軸加壓方式，測試了多種煤巖變形破裂過程中的微震信號；袁瑞甫等[8]利用微震監測系統分析了微震信號的時序特征和頻譜特征及分布變化規律；朱權潔等[9]以現場微震數據為基礎，對比研究了巖石破裂微震信號和礦山爆破震動信號，發現兩者在頻帶能量分布上有很大差異；張蘇等[10]研究了水泥材料靜爆過程中的微震信號特征，發現在不同強度下，水泥材料微震信號規律基本相同。關于電荷感應信號方面的研究，吳小平等[11]用測量微電流的方法研究了單軸壓縮下花崗巖表面電荷性質；朱元清等[12]提出了巖石變形破裂時裂紋尖端電荷運動是產生電荷感應的原因；丁鑫等[13]對煤巖受載變形破壞電荷信號進行了監測試驗，發現了不同應力階段電荷信號時-頻域特征和變化規律；趙揚鋒等[14]、潘一山等[15]研究了煤巖在不同破壞狀態下電荷感應信號特征，并在現場進行了試驗；王宏偉等[16]對花崗巖試樣在單軸加載條件下的電荷感應進行研究，表明巖石變形破壞過程與電荷感應規律有良好的相關性；潘一山等[17]對不同溫度下花崗巖和砂巖電荷感應信號進行了研究，發現在相同溫度下花崗巖和砂巖電荷感應幅值差別比較大；2016年趙揚鋒等[1,18]首次研究了花崗巖和大理巖在不同加載方式下變形破壞過程微震、電荷感應和聲發射等各種信號變化規律。在眾多研究成果中較少涉及將微震和電荷感應監測手段同時用來對不同類型巖石失穩破壞過程進行分析，因此本文對不同類型巖石進行單軸壓縮和加卸載試驗，監測和分析不同類型巖石變形斷裂過程的微震信號和電荷感應信號特征。

2 試驗系統與試樣

試驗系統包括加載系統、屏蔽系統、微震和電荷感應數據采集系統。微震和電荷感應信號數據采集系統采用自行研制的多通道數據采集器[1]，微震和電荷感應信號各3通道，試驗時將3個電荷傳感器布置在試樣的兩側且分別距離試樣底端為30、80和80 mm，電荷探頭距試件表面5 mm。微震傳感器用耦合劑粘貼于試驗機試驗臺上，試驗過程中，通過網絡的設置使試驗機與數據采集器同時采集載荷、微震和電荷感應信號。

試驗試樣有花崗斑巖、花崗閃長巖、細粒砂巖和中粒砂巖共4種類型巖石，試樣尺寸均為φ 50 mm×150 mm，試件上下兩端面進行打磨，保證試件兩端面平整。每種類型巖石取4個試樣，其中兩個試樣做單軸壓縮試驗，加載速率為0.5 kN/s，另兩個試樣做加卸載試驗，加卸載速率均為0.1 kN/s。

3 試驗結果與分析

3.1 巖石變形破裂過程微震和電荷感應試驗結果

對花崗斑巖和花崗閃長巖進行了單軸壓縮試驗和加卸載試驗，獲得了該兩類花崗巖巖樣變形破裂過程時間與應力、微震和電荷感應信號圖及信號頻譜圖，如圖1～3所示。

圖1 花崗斑巖單軸壓縮下應力、微震和電荷感應信號

對中粒和細粒砂巖進行了單軸壓縮試驗和單軸加卸載試驗，獲得了該兩類砂巖巖樣變形破裂過程應力、微震和電荷感應信號圖及信號的頻譜圖，如圖4～6所示。

圖2 花崗閃長巖單軸壓縮下應力、微震和電荷感應信號

圖3 花崗閃長巖加卸載下應力、微震和電荷感應信號

圖4 細粒砂巖單軸壓縮下應力、微震和電荷感應信號

圖5 中粒砂巖單軸壓縮下應力、微震和電荷感應信號

圖6 細粒砂巖加卸載下應力、微震和電荷感應信號

3.2 巖石變形破裂過程中微震和電荷感應信號的演化特征

由圖1～6中時間-應力曲線并結合文獻[18]可知：在單軸壓縮和循環加卸載下花崗斑巖的極限應力分別為143.21和134.86 MPa；花崗閃長巖的極限應力分別為112.97和111.49 MPa；細粒砂巖的極限應力分別為41.20和38.30 MPa；中粒砂巖的極限應力分別為15.97和16.20 MPa。上述4類巖石的極限應力從大到小依次為：花崗斑巖、花崗閃長巖、細粒砂巖和中粒砂巖，花崗巖的極限應力遠大于砂巖的極限應力，并且循環加卸載對巖石的極限應力影響較小。

將圖1～6中巖石加載變形破壞的時間-應力曲線劃分為4個階段：壓密閉合階段、彈性變形階段、彈塑性階段和失穩破壞階段。在彈性變形階段，巖石應力與變形成線性關系，巖石變形過程的微震和電荷感應信號均不產生或只產生微弱的微震和電荷信號，隨著應力增加巖石產生的微震和電荷感應信號沒有明顯增加；彈塑性階段，巖石應力在極限強度的70%～95%，該階段巖石應力與變形呈非線性關系，此階段花崗巖產生的微震和電荷感應信號比砂巖產生的微震和電荷感應信號豐富，花崗巖試樣在應力達到極限強度的70%時就有明顯的微震和電荷感應信號，這是由于此階段花崗巖有較多微裂紋產生且釋放的能量強，花崗巖比砂巖含有較多的壓電材料，花崗巖的晶體顆粒遠大于砂巖的，砂巖顆粒之間因摩擦產生的電荷和振動也遠小于花崗巖的，因而砂巖在此階段的微震和電荷感應信號幅值與花崗巖比較都較??；失穩破壞階段，巖石應力超過極限強度95%后，巖石在應力峰前階段聚積了大量彈性能，當荷載剛超過巖石抗壓強度后，巖石瞬間發生失穩破壞，釋放出較大能量，此階段花崗斑巖、花崗閃長巖、細粒砂巖和中粒砂巖產生的微震和電荷感應信號事件數最多且強度最大?；◢彴邘r、花崗閃長巖、細粒砂巖和中粒砂巖在變形破裂過程中都有微震和電荷感應信號產生。隨著巖石強度的增加，巖石變形破裂過程中的微震和電荷感應信號事件數和信號強度也增大。相同性質的巖石在破裂時產生的微震和電荷感應信號隨巖石強度的增大而增強，例如花崗斑巖和花崗閃長巖，細粒砂巖和中粒砂巖都有此規律。

花崗斑巖、花崗閃長巖、細粒砂巖和中粒砂巖在變形破裂過程中的微震和電荷感應并不是同時出現的，電荷感應信號出現的時間早于微震信號，但電荷感應信號比微震信號持續的時間短，例如圖1中花崗斑巖在加載時間為1 000～1 200 s時，電荷感應信號和微震信號不同步，此段有較強電荷感應信號而微震信號較弱，在1 000 s前有較弱微震信號而沒有監測到電荷感應信號。這說明微震和電荷感應的產生機理不同，對于微震信號產生機理是由于巖體釋放彈性能而引起的振動波，而電荷感應信號的產生機理比較復雜，有微破裂、摩擦作用、壓電效應等多種原因。

對比花崗巖和砂巖的時間-應力曲線，砂巖在彈塑性階段就有突然的應力降產生，比如圖4(a)在78.8 s、圖5(a)在60.8 s、圖6(a)在487.6 s和910.9 s都有較大的應力降產生，此時砂巖會有較大的裂紋產生，釋放出較大的能量，在突然應力降產生之前有較大的微震和電荷感應信號產生，而花崗巖在彈塑性階段沒有此現象發生，而僅在失穩破壞階段有較大的應力降產生，花崗巖失穩破壞釋放的能量也遠大于砂巖失穩破壞釋放的能量。

由圖3和6，并結合文獻[18]中花崗巖循環加卸載的微震和電荷感應信號可知，花崗巖在加卸載下不斷有幅值在5～10 pC的電荷感應信號產生，而微震信號事件數少且大多淹沒在背景噪聲中，砂巖在加卸載下沒有電荷感應信號產生，微震信號也較弱。這是由于花崗巖含有較多的石英等壓電材料，在加卸載下有一定的電荷產生，而砂巖不含石英等壓電材料，在加卸載下也就沒有電荷產生。

由圖1～6中微震和電荷感應信號頻譜圖可知，花崗巖和砂巖變形破裂過程的微震和電荷感應信號頻率都在200 Hz以下，花崗巖電荷感應信號主要集中在0～80 Hz，砂巖電荷感應信號主要集中在0～40 Hz，隨著信號頻率的增大，電荷感應信號頻譜幅值呈減小趨勢，可見，巖石變形破壞的電荷感應信號具有低頻特點，而微震信號有幾個優勢頻率，但各類巖石的優勢頻率不完全相同，微震信號頻率在分布離散中有向低頻集中的趨勢，頻譜主要集中在0～100Hz。

3.3 巖石變形破裂過程中微震和電荷感應信號的相關性分析

對巖石變形破裂過程中的電荷感應信號和微震信號進行相關性分析，得到了不同通道電荷感應信號的相關性和微震與電荷感應信號的相關性，如圖7～8所示。

由圖7～8可知，不同通道的電荷感應信號相關性高于微震與電荷感應信號產生之間的相關性，巖石在失穩破壞階段前，花崗閃長巖電荷感應信號之間的相關性在0.6～0.8之間，中粒砂巖電荷感應信號之間的相關性在0.4～0.6之間，電荷感應信號之間的相關性都是中相關，而微震和電荷感應信號之間的相關性在0.4以下，信號之間相關性較差。但在失穩破壞階段電荷感應信號之間相關性大于0.8，微震信號與電荷感應信號之間相關性大于0.8，都有較高相關性。因此巖石變形破裂過程中當電荷感應信號和微震信號之間都有較高的相關性時巖石處于最危險階段。

圖7花崗閃長巖微震和電荷感應信號的相關性 圖8中粒砂巖微震和電荷感應信號的相關性

4 結 論

(1) 花崗斑巖、花崗閃長巖、細粒砂巖和中粒砂巖變形破裂過程中均有微震和電荷感應信號產生。隨著巖石強度的增大，巖石變形破裂過程中的微震和電荷感應信號事件數增大且信號強度也增大。相同性質的巖石在破裂時產生的微震和電荷感應信號隨巖石強度的增大而增強。巖石變形破裂過程中，電荷感應信號早于微震信號出現，且電荷感應信號的持續時間小于微震信號的持續時間。

(2) 花崗巖和砂巖變形破裂過程的微震和電荷感應信號頻率在0～200 Hz，電荷感應信號頻譜幅值隨著信號頻率增大而減小，微震信號頻譜主要集中在0～100 Hz，并存在優勢頻率。

(3) 巖石加載變形破壞的時間-應力曲線劃分為4個階段：壓密閉合階段、彈性變形階段、彈塑性階段和失穩破壞階段，各階段的微震和電荷感應信號規律不同。在彈塑性階段巖石變形破裂過程中有較大幅值的微震信號和電荷感應信號產生，可將此階段作為危險預警區，此時應加強前兆信號的監測。在失穩破壞階段，巖石變形破壞過程中微震信號和電荷感應信號較豐富，且信號強度均達到最大值，各信號之間有較高相關性，可將此階段作為最危險預警區，此時應采取措施以防災害發生。