刀具侵入破巖聲發射特性試驗研究*

章思平

刀具侵入破巖聲發射特性試驗研究*

章思平

(湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭市 411201)

在RMT-150C巖石力學實驗平臺上選用一字型與十字型刀具對花崗巖進行破巖實驗，采用AEwin-USB型聲發射監測系統收集破巖全過程的聲信號，得到花崗巖全過程的聲發射振鈴計數、聲發射能量特征參數。結果表明：一字型與十字型刀具下花崗巖聲發射特征信號曲線與載荷—時間曲線都具有很好的對應性；十字型刀具作用下聲發射特征信號強度明顯大于一字型，且十字型刀具作用下花崗巖破碎更完全;綜合對比分析破巖效率，發現十字型刀具較之一字型刀具破巖效果更好。

刀具破巖;聲發射振鈴計數;聲發射能量;破巖效率

0 引 言

巖石是一種脆性材料，不同刀具對巖石的侵入破壞是有所差異的，而巖石破壞的過程中其內部變化是肉眼無法觀測的。巖石在外力的用下，巖石的內部的原始裂隙的閉合、擴展、貫通，及新裂隙的產生、閉合、擴展、貫通，在裂隙的變化過程中部分的能量以彈性波的形式釋放出來，這種現象就稱之為聲發射[1-3]。李玉等[4]通過選用一字型刀具對巖石進行破巖試驗，分析其聲發射特性與分形特征，以此來作為巖石破壞失穩的依據。鄒飛[5]通過用DSCM方法，研究刀具侵入破巖的位移場和應變場的特征，認識刀具對巖石破壞的本質及其破壞演化的過程。

國內外學者對巖石聲發射特性的研究都比較深入[6-13]，如煤巖體、花崗巖等巖石在不同條件下的聲發射研究分析。而對于刀具下破巖聲發射特性的研究較少，本文將對巖石的聲發射特征信號進行深入的研究，以此來探究刀具破巖聲發射特征信號的表現形式與尋求最優的破巖方式。

1 試驗概況

1.1 試樣制備

本文選用立方體的花崗巖試樣，其大小為100 mm×100 mm×100 mm，所用巖石試樣均采自同一塊完整的巖石，其加工后巖石表面平行度與垂直度均滿足巖石力學試驗的標準規程。

1.2 試驗方案

本實驗所采取的試驗平臺為RMT-150C型標準巖石力學伺服試驗系統，采用的加載方式為軸向位移加載。聲發射系統采用由美國物理聲學公司（PAC）最新研制的AEwin-USB型聲發射監測系統。刀具的種類為一字型刀具和十字型刀具兩種，實物如圖1所示。

圖1 刀具

本試驗的具體步驟為：首先，試驗前將試樣表面劃上相互垂直的中線，以保證刀具與巖石相互作用為中心加載；其次，開始試驗，開啟試驗系統，對實驗機器進行預熱，與此同時調試聲發射系統并將聲發射探頭固定于巖石表面；然后，預加載將刀具與巖石中心對齊；最后，進行刀具下的破巖試驗，直到巖石破壞，收集聲發射特征信號。

2 試驗結果分析

2.1 花崗巖單軸壓縮試驗

為了獲取花崗巖巖石試樣的基本物理力學參數，我們利用鉆芯機從花崗巖大試塊中鉆取標準圓柱體試樣，利用RMT-150C型巖石力學試驗機對其進行單軸壓縮試驗，采取行程加載，加載速率為0.005 mm/s。

通過試驗我們得到了表1所示的花崗巖力學參數。

表1 花崗巖物理力學參數

表中為花崗巖的密度，g/cm3；為花崗巖抗壓強度，MPa;為彈性模量，GPa；為泊松比。

2.2 一字型刀具下破巖聲發射特性分析

通過采用一字型刀具對花崗巖試樣進行破巖試驗，分析聲發射數據，得到圖2所示的聲發射特征信號曲線。

對聲發射特征信號的分析我們可以明顯的發現，載荷?時間曲線與振鈴計數、能量兩種聲發射特征信號有明顯的對應關系，兩種聲發射特征信號的變化與載荷?時間曲線的波動變化一致。我們得到其峰值載荷為66.8 kN，整個破巖持續的時間為158 s，聲發射振鈴計數的峰值為1341次，能量峰值為6036次。我們發現當巖石的載荷值達到其峰值強度的82%時，巖石的聲發射活動明顯加強，說明巖石內部的原有裂紋閉合、貫通，以及新裂紋的產生，當繼續加載時巖石內部的裂紋繼續發展、貫通，出現肉眼可見的宏觀裂紋，巖石失穩破壞后試驗停止。

2.3 十字型刀具下破巖聲發射特性分析

通過采用十字型刀具對花崗巖進行破巖試驗，我們得到了圖3所示的載荷?時間與聲發射特征信號的曲線。

圖3 十字型刀具下花崗巖載荷?時間?聲發射特征信號曲線

結合十字型刀具對花崗巖破巖試驗的結果分析發現，巖石在十字型刀具的作用下其所能承受的最大載荷值為201.3 kN，破巖的整個持續時間為324 s，聲發射振鈴計數的最大值為25123次，能量峰值為66764次。花崗巖在十字型刀具作用下其在峰值前聲發射特征信號較為平穩，巖石內部積聚能量，當積聚的能量達到花崗巖的承載極限時，花崗巖突然破碎，聲發射特征信號分別達到峰值，其聲發射特征信號的峰值與巖石的載荷—時間曲線的峰值很好的對應，并較之一字型刀具破碎聲響更大、破碎塊度更小。

3 討 論

通過分析花崗巖試樣在一字型和十字型刀具作用下的聲發射特征信號與載荷?時間的關系，發現花崗巖試樣在刀具作用下破巖聲發射特征信號與載荷?時間曲線有很好對應性，具體表現為：載荷?時間曲線的峰值與聲發射振鈴計數、能量的峰值幾乎是同時相對應出現；同時十字型刀具作用下的花崗巖其所承載的載荷值更大、聲發射特征信號的峰值也更大、破碎較為徹底。當我們考慮刀具破巖效果時，不僅要考慮破巖消耗的能量，還要考慮破巖后巖石塊度。

4 結 論

（1）一字型與十字型刀具破巖的聲發射特征信號曲線與載荷?時間有很好的對應性。

（2）花崗巖在十字型刀具作用下，其所能承載的極限更大，所對應的聲發射特征信號峰值也更大。

（3）對于花崗巖而言，十字型刀具的破巖效果較一字型刀具的破巖效果更好。

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(2019-02-15)

章思平(1993—)，男，江西撫州人，碩士研究生，主要從事巖石力學方面的研究，Email：674802341@qq.com。

湖南省研究生科研創新項目(CX2017B646).