巖石聲發射特征參數研究現狀與展望

張鐘毓 牛睿 程廣利 任禹鑫

摘 要：針對巖石聲發射主要特征參數[b]值與分形維值[D]值，分析了聲發射b值與[D]值的研究現狀，并在此基礎上，探討了目前巖石聲發射特征參數[b]值與[D]值研究中的不足之處，并對巖石聲發射特征參數的研究進行展望。

關鍵詞：聲發射[b]值;分形維值[D]值;前兆預測

中圖分類號：P584文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）01-0141-03

Abstract： According to the main characteristic parameters b value and fractal dimension D value of rock acoustic emission， this paper analyzed the research status of b value and D value of rock acoustic emission， and on this basis， discussed the shortcomings of the current research on b value and D value of rock acoustic emission characteristic parameters， and prospected the research on rock acoustic emission characteristic parameters.

Keywords： AE [b] value;fractal dimension value D value;precursory prediction

材料受力產生變形或斷裂時，以彈性波的形式釋放出應變能的現象稱為聲發射（Acoustic Emission，AE）[1]。對于脆性巖石材料，巖石變形破壞過程與其內部微裂紋演化具有一致性。通過聲發射技術監測巖石的破壞過程，研究巖石內部微裂紋萌生擴展的演化規律，具有重大的意義。

聲發射參數分為基本參數與特征參數。基本參數是聲發射儀器直接從巖石變形破壞演化過程中取得的參數，如振鈴計數、能量、峰值頻率、幅值、事件數等;特征參數是對基本參數進行分析、提取，通過數學方法得出的“衍生式”的聲發射參數，如聲發射[b]值、聲發射分形維值[D]值等。本文主要分析特征參數[b]值、[D]值的研究現狀。[b]值是地震學公式G-R[2]中一種重要的地震活動參數，具有前兆性。研究人員將其引入室內聲發射試驗中研究巖石內部微裂紋演化規律。分形維值[D]值是分形幾何中的重要參數，通過分形幾何將無序變成有序的規律[3]，運用分形幾何將聲發射參數的時間序列用數學方式表達出來，研究巖石內部微裂紋演化規律，同樣分形維值[D]值具有前兆性。

目前，研究人員運用聲發射技術監測巖石的變形破壞，在研究特征參數[b]值和[D]值方面做了大量的工作。下面分別對國內外巖石破壞過程中聲發射[b]值和[D]值的研究現狀進行闡述。

1 巖石聲發射特征參數研究現狀

1.1 巖石聲發射[b]值的研究現狀

劉希靈等對灰巖分別進行巴西劈裂和單軸壓縮聲發射試驗，分析了不同加載方式對巖石破裂聲發射[b]值特征及[b]值計算的影響，得出了當樣本數量較多、用累積分布計算[b]值時，擬合度高，在低加載速率條件下，聲發射[b]值誤差較小;不同加載方式下聲發射[b]值以及波動程度有所差異，巖石失穩破壞突發性越強，[b]值越低，波動范圍越大[4]。

趙建軍等對英安巖巖樣開展單軸、常規三軸加荷和三軸卸荷試驗，分析了不同應力路徑下英安巖變形破壞過程的聲發射[b]值特征差異以及[b]值前兆規律。結果表明：單軸與常規三軸加荷條件下聲發射[b]值變化規律相似，三軸卸荷條件下的[b]值與三軸加荷條件下的[b]值具有較大的差異性;常規加荷試驗中，圍壓對聲發射[b]值特征影響較大，卸荷試驗中，圍壓對聲發射[b]值特征影響較小;巖樣發生破壞時，聲發射[b]值快速下降，此時聲發射[b]值可以作為破壞前兆[5]。

王春來等對不同種類硬巖進行常規單軸壓縮試驗，分析了硬巖在發生破壞時聲發射[b]值演化的差異性。結果表明：臨近峰值應力時，聲發射活動中高幅值事件占比提高，所有巖樣的聲發射[b]值均開始下降;強度越大、脆性越高的巖石發生失穩破壞時[b]值下降幅度越大;聲發射[b]值的變化可以較好地反映巖石破裂失穩過程中內部裂紋的擴展特征[6]。

龔囪等對紅砂巖進行分級加卸載條件下的短時蠕變試驗，分析了紅砂巖在減速蠕變、等速蠕變、加速蠕變過程中聲發射[b]值的變化特征。結果表明：在減速蠕變和等速蠕變過程中，聲發射[b]值增大，巖樣內部微破裂以小尺度為主。聲發射[b]值保持相對穩定，巖樣內部微破裂穩定擴展;聲發射[b]值降低，巖樣內部微破裂以大尺度為主。加速蠕變階段，聲發射[b]值呈現先減小后增大再減小的特征，與巖樣內部裂紋演化過程相對應[7]。

徐世達等通過進行雙軸加載條件下的花崗巖破裂試驗，分析了巖石破裂過程中聲發射[b]值的變化特征。試驗表明，雙軸加載條件下聲發射[b]值與單軸加載條件下聲發射[b]值變化規律相似。與軸向峰值應力相比，側應力在較低應力狀態下即產生大量的小尺度破裂，隨著側應力的增大，[b]值峰值向低應力方向移動速率加快，巖樣更早進入裂紋不穩定擴展階段[8]。

葛振龍等對冷熱循環后花崗巖進行單軸壓縮聲發射試驗，分析了不同溫度對聲發射[b]值的影響。結果表明：溫度對巖石聲發射[b]值影響較大，在一定溫度范圍內，聲發射[b]值緩慢上升，當溫度突破閾值，聲發射[b]值驟降[9]。

1.2 巖石聲發射分形維值[D]值的研究現狀

吳賢振等通過對不同巖性的巖石進行單軸壓縮聲發射試驗，對比了聲發射序列的分形特征。試驗結果表明，聲發射分形維值[D]值可以反映巖石內部微裂紋變化規律;在巖石破裂過程中，不同巖樣的聲發射參數序列的分形特征具有相似性;巖樣聲發射序列分維曲線呈波動→持續下降的變化趨勢。同時研究者還提出分形維值具有前兆性[10]。

嚴偉洋等對斜長花崗巖進行常規三軸壓縮聲發射試驗，發現不同圍壓下巖石聲發射活動都具有空間分維結構，空間分維值反映了巖石受壓下聲發射事件的空間分布規律;研究了各聲發射震源點之間的位置關系，將計算得到的分形維數拐點值與所對應的分形計算尺度進行對比，發現巖石的微觀破裂與組成巖石的礦物粒徑大小和硬度有關，即造巖礦物的破裂隨粒徑的大小具有先后順序[11]。

郭海峰等對沖擊傾向性煤進行了單軸壓縮聲發射試驗，分析了煤樣不同損傷程度聲發射分形特征。試驗結果表明，試驗過程中不同損傷程度聲發射的分形維值變化趨勢為：隨著煤樣損傷程度的增加，聲發射分形維值先增后降，然后循環上升，最后發生驟降（達到局部峰值），整體呈現傾斜的“M”型變化趨勢;煤樣損傷聲發射分形維值峰后驟降現象具有煤樣失穩破壞的前兆性[12]。

章光等對花崗斑巖進行單軸壓縮聲發射試驗，提出巖石破壞過程的應力應變分形特征，解釋了試驗過程中應力應變曲線不平滑的現象。結果表明：當應力應變曲線發生突變時，其對應的分形維值也發生突變，兩者具有一致性[13]。

尹賢剛等開展巖石單軸壓縮聲發射試驗，建立了巖石破壞聲發射強度分形維值模型。研究表明，聲發射分維模型與空間分維在物理性質上具有一致性;分形維值變化趨勢隨著應力的增大逐步降低;分形維值持續降低可作為巖石破壞失穩的前兆信息[14]。

1.3 聲發射[b]值與分形維值[D]值關聯研究現狀

Aki和Turcotte發現，聲發射[b]值與聲發射分形維值[D]值有著密切的聯系。理論研究表明，聲發射[b]值具有分形特征，聲發射特征參數[b]值和[D]值均可反映巖石內部微裂紋萌生、擴展的演化過程。二者數值的變化反映了巖石內部微裂紋尺度變化的程度，且理論研究表明在數值上[D=2b][15-16]。

李元輝等通過巖石單軸壓縮破壞試驗，對聲發射[b]值和空間分布分形維值[D]值進行了研究。理論上[D=2b]，但在試驗中很難驗證。由于在計算分形維值時相空間維數的取值范圍會影響分形維值的大小。因此，[D]與[b]之間的2倍數值關系在大部分試驗情況很難成立;但是二者的整體變化趨勢具有相似性，且在發生破壞失穩時，聲發射[b]值與分形維值[D]值發生突降，均可作為判斷巖石破壞失穩的前兆信息[17]。

謝勇等通過水泥膠結分級尾砂充填體單軸抗壓聲發射試驗，研究分析了整個充填體壓縮破壞過程中的聲發射能率、聲發射[b]值、聲發射能率分形維數與時間的關系曲線。結果表明，加載初期的聲發射活動并不明顯，直到加載至應力峰值時，聲發射活動顯著增強。同時分析表明：聲發射[b]值和聲發射能率分形維數曲線呈現明顯的波動性，破壞前其曲線均表現出上升趨勢，臨近破壞時聲發射[b]值和聲發射能率分形維數都下降到最低值[18]。

2 巖石聲發射特征參數研究展望

目前，巖石聲發射特征參數的研究工作已經取得了豐富的研究成果，對于巖石內部破壞過程中裂紋演化規律，已經得出較多研究成果，對實際工程實踐具有可靠的借鑒意義。但是，由于巖石的各向異性及受力復雜性，目前關于巖石破壞聲發射特征參數的研究仍然存在不足之處，因此有必要加強深入研究，具體可以圍繞以下幾個方面進行。

第一，現有的聲發射特征參數前兆性主要停留在定性分析上，沒有給出巖石破壞失穩前兆的定量依據，對于巖石臨近破壞是否有準確的時間范圍，與其他具有前兆性的參數優劣性對比的研究還較少，對其深入研究對以后的工程實踐具有重要意義。

第二，分形理論在巖石力學性質的研究上具有重要的作用，可以作為巖石破壞定量研究的理論支撐。因此，有必要進一步開展巖石破裂過程中分形維值[D]值的變化特征研究，同時對聲發射[b]值與[D]值的關系進行定量研究，使在巖石破裂臨界值這一問題上有所突破，從而為今后工程中聲發射監測預報技術的應用提供理論依據。

第三，聲發射[b]值與分形維值[D]計算方法眾多，尚未制定統一的標準，不同計算方法之間差異性較大，需要規定標準的計算方法。

3 結語

目前，對巖石聲發射特征參數的研究仍存在不足之處，聲發射特征參數的變化規律尚未完全運用在實際工程中。主要原因在于巖石具有非均質性、各向異性，以及計算方法不統一等。隨著工程實踐的進步，巖石工程的問題不斷出現，將有力推進聲發射特征參數規范化的進程，為今后工程長期監測提供安全可靠的理論依據。

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