單軸加載作用下花崗閃長斑巖聲發射特性與破壞前兆研究

朱香港，梁進樂，高飛雁，熊國雄，梅甫定

(1.中國地質大學(武漢)工程學院，湖北 武漢 430074；2.大冶有色金屬有限責任公司，湖北 黃石 435101)

聲發射(acoustic emission，AE)是指材料在受到外界荷載作用下，其內部儲存的能量以瞬態彈性波的形式快速釋放并伴有聲響的一種普遍物理現象[1]。聲發射現象的提出吸引了大量學者的研究，國內外研究表明：在巖石聲發射試驗中，巖石內部狀態變化的微弱信號可以通過每一個聲發射事件被捕捉，因此對其進行收集、處理和分析，便可以推斷和評估巖石內部微裂紋的發展演化歷程，在此基礎上，可獲取巖石失穩破壞的前兆信息[1-3]。

為保障地下工程的作業安全，對巖石失穩破壞進行預測預警十分必要，而精準捕捉巖石失穩破壞的前兆信息對預測預警精度影響較大。眾多學者開展了大量的巖石聲發射特征研究，其中，針對加載應力峰值強度前聲發射特征參數變化規律和b值變化特征研究較多，針對聲發射特征參數和b值之間的聯合判別則少有研究。李庶林等[4]通過巖石單軸加載聲發射試驗發現并非所有的巖石都具有典型的Kaiser效應特征點；尹賢剛等[5]通過室內巖石加載試驗發現聲發射平靜期分形維數的下降能預示巖石即將失穩破壞；張黎明等[6]開展大理巖常規三軸加荷破壞試驗，發現聲發射頻率和b值的變化特征與圍壓有關；李小軍等[7]研究了不同巖性巖樣在變形過程中聲發射波形和b值，發現巖體動力失穩破壞機理的復雜性。

聲發射b值的概念源于地震學研究，“G-R關系式”的提出使得b值的概念得到廣泛應用[8]。由于聲發射b值的變化特征能夠較好地反映各類巖石內部微裂縫的演化特征，且聲發射b值峰值后的突降也可作為巖石發生宏觀失穩破壞的前兆之一[9-10]，因此，對巖石聲發射b值特性的研究已成為判斷巖石受載失穩破壞特性的重要手段之一[11-14]。

基于此，本文提出了一種巖石失穩破壞的聯合判別依據，即采用電液伺服巖石力學試驗系統，對花崗閃長斑巖試樣開展單軸加載聲發射試驗，研究其失穩破壞過程中聲發射特性與前兆信息，對比現有研究成果，進一步完善巖石聲發射b值特性的研究，試圖探尋一個較為準確的巖石失穩破壞臨界值，進行巖體的穩定性監測研究，為巖體失穩破壞監測預警技術的應用提供依據。

1 巖石聲發射試驗

1.1 巖樣制備

花崗閃長斑巖巖芯取自于湖北省大冶市銅綠山礦-605 m中段，加工為高100 mm，直徑50 mm的標準試件，如圖1所示。制樣過程依據《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)，加工精度符合標準要求。

1.2 試驗方案設計

單軸加載試驗采用以電液伺服巖石力學試驗系統為主，全信息聲發射儀檢測系統為輔，實時捕捉巖樣受載失穩破壞過程的聲發射信息。應力和聲發射同步監測系統示意圖如圖2所示，共進行三組試驗，每組包含4個試樣。

圖1 花崗閃長斑巖巖芯試件Fig.1 Core specimen of granodiorite porphyry

圖2 應力和聲發射同步監測系統示意圖Fig.2 Schematic diagram of stress and acoustic emission synchronous monitoring system

加載試驗采用位移控制加載方式并設置合理的加載速率。聲發射監測系統采用4通道信號同步采集，采樣頻率為10 msps，聲發射監測系統的前置增益為60 dB，門檻值設為60 mV以避免外界環境噪聲干擾，并采用外部觸發啟動方式。采用RS-2A型聲發射傳感器，不銹鋼金屬外殼與陶瓷檢測面保證了信號接收的穩定性。聲發射傳感器測點布置采用了上下兩組沿直徑的布置方式，保證基本全面覆蓋聲波的有效監測范圍，確保高效捕捉巖石聲發射信號，單軸加載方式下聲發射傳感器的布置方式如圖3所示。

圖3 單軸壓縮試驗傳感器布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of sensor arrangementin uniaxial compression test

2 聲發射特征參數結果分析

花崗閃長斑巖試樣在同一試驗環境下完成單軸壓縮試驗，選取巖樣破壞現象突出、聲發射現象具有典型特征的3個試樣進行分析，并將其分別標記為試樣A-1、試樣A-2、試樣A-3。單軸加載失穩破壞全過程中聲發射特征參數與時間的變化關系曲線分別見圖4和圖5。

圖4 應力與時間、軸向應變關系曲線Fig.4 Relation curve of stress with time and axial strain

由圖4可知，試樣A-1、試樣A-2、試樣A-3受力變形失穩破壞的特點大體上相近，單軸加載作用下失穩破壞全過程可分為初始壓密、彈性變形、塑性變形和峰后破壞4個階段。

由圖5可知，試樣在進行單軸加載試驗初期，即初始壓密階段，巖樣處于低應力狀態，巖石內部自然存在的微裂縫受力作用下擠壓摩擦，間斷伴隨有聲發射事件的產生，但聲發射振鈴計數率較低。

隨著應力的增加，巖樣進入彈性變形階段，此時以彈性變形為主，分析發現，在Kaiser效應特征點之前，巖石內部新裂縫不明顯，聲發射事件數有所增加但仍處于波動變化，聲發射現象出現了持續時間較長的穩定期。進一步發現，在彈性變形階段，應力、軸向應變增量出現相對等時增長的線性變化特征，此時時間效應對巖石力學試驗無影響。

在持續時間較長的彈性變形階段之后，巖樣進入塑性變形階段，巖樣發生塑性變形，其內部形態發生劇烈變化，伴隨著新裂縫的產生、發育和擴張，新裂縫的衍生和貫穿效應致使巖石聲發射事件大量產生，呈指數增長現象。

在加載應力達到峰值強度的80%～90%時，大多數巖樣的等應力增量間隔時間明顯增加(圖5)，此時振鈴計數率會隨時間呈現大幅度反復振蕩的非穩定期，可以視為巖樣受載作用下失穩破壞的前兆信息，巖樣即將產生宏觀破壞[15]。峰值應力后，振鈴計數率迅速回落至最低點，單次試驗結束。

圖5 不同試樣應力、振鈴計數率與時間關系曲線Fig.5 Relation curve of stress,ringing count rate andtime of different samples

3 聲發射b值特征

3.1 聲發射b值定義和計算方法

關于巖石聲發射b值的定義，早在1941年研究世界地震活動性時，便率先解釋了地震頻度隨震級呈指數減少的規律，即著名的“G-R關系式”，見式(1)。

lgN=a-bM

(1)

式中：M為地震震級；N為相應的地震次數；a和b為常數，b描述了震源尺度分布的比例，b值的概念由此提出。

在計算巖石聲發射b值時，“G-R關系式”中的震級由幅值代替，計算公式見式(2)。

lgN=a-b(AdB/20)

(2)

式中，AdB為聲發射事件的最大振幅。

在巖石聲發射試驗中，b值描述了巖體內部裂紋擴展尺度的比例。為了簡化函數之間關系，用ML來表示AdB/20，見式(3)。

lgN=a-b×ML

(3)

式中，N為相應的聲發射事件振幅值的事件率。

以“G-R關系式”為參考，利用式(3)對巖石聲發射b值進行研究。在計算b值時采用最小二乘法，利用MATLAB軟件工具，開展巖樣受載失穩破壞全過程中聲發射b值的演變規律研究。

3.2 單軸加載條件下花崗閃長斑巖聲發射b值總體分析

試樣A-1、試樣A-2、試樣A-3的聲發射振幅與頻度關系見圖6，分別對3組數據進行擬合，其聲發射b值和擬合度R2統計表見表1。由圖6和表1可知，3個典型試樣的聲發射振幅與頻度分布均表現出良好的線性關系。

圖6 聲發射振幅與頻度關系圖Fig.6 Relationship between acoustic emissionamplitude and frequency

表1 聲發射b值和擬合度R2統計表Table 1 Statistical table of acoustic emission b value andfitting degree R2

在典型的常規單軸加載方式下，3個典型試樣聲發射幅值分布情況如圖7所示。所謂幅值事件率，即信號強度最大且絕對值相同的聲發射事件出現的頻次，也可用振幅的頻度來表示。由圖7可知，單軸加載作用下聲發射信號的幅值事件率隨幅值的增大呈遞減趨勢，但整體不構成線性變化關系。

圖7 聲發射幅值分布情況圖Fig.7 Distribution of acoustic emission amplitude

聲發射大幅值信號是指信號強度最大絕對值大于或等于90 dB的聲發射事件。通過對比發現，隨著加載速率的增大，聲發射大幅值信號所占比例明顯增加，從試樣A-1的6.81%上升至試樣A-3的22.54%，表明巖石內部結構演化劇烈強度的提升，即巖石試樣在受載作用下，增大加載速率將導致其內部新裂縫的產生、發展和貫穿活動增多，聲發射現象活動性增強。

3.3 聲發射振鈴計數率與b值關系分析

現有研究表明，聲發射b值隨時間的變化趨勢，在一定程度上能夠反映出在常規的巖石力學試驗中巖體內部承壓狀態，同時可推斷其內部形態的微觀變化和巖體失穩破壞機理，具有一定的物理力學意義。振鈴計數率則反映出聲發射的活動頻度，常用于評價聲發射源的活動性。基于此，本文借助MATLAB軟件工具，采用最小二乘法對單軸加載作用下的花崗閃長斑巖試樣受載變形破壞全過程的聲發射b值進行計算，進而得到了其隨時間的變化規律。選取合適的采樣窗口和步長進行計算，計算結果如圖8所示。

圖8 聲發射b值計算結果Fig.8 Calculation results of acoustic emission b value

試樣的應力、b值、振鈴計數率與時間變化關系曲線見圖9，由圖9可知，振鈴計數率與b值的整體變化趨勢具有高度相似性。在Kaiser效應特征點之前，聲發射b值緩慢上升，此時相對應的聲發射活動性較低。值得一提的是，振鈴計數率與b值幾乎同步變化至峰值水平。

圖9 不同試樣應力、b值、振鈴計數率與時間變化關系曲線Fig.9 Variation curve of stress,b value,ring count rate and time of different samples

通常將聲發射b值峰值之后較短時間段內的直線式下降現象稱之為“斷崖式”回落。而聲發射b值“斷崖式”回落過程中出現的穩定波動點稱之為“波動中值”。由上述分析可知，“斷崖式”回落過程中都會經歷一個“波動中值”現象，且“波動中值”的最低點對應的加載應力集中在應力峰值強度的80%～90%范圍內，此后，振鈴計數率與b值會在較短時間內出現明顯的波動回落現象，可以視為巖樣受載作用下失穩破壞的前兆信息，巖樣即將產生宏觀破壞。

巖石聲發射振鈴計數率與b值的對比分析方法在前人研究中尚未提及。因此，可以將聲發射b值與振鈴計數率進行聯合分析，將“波動中值”作為巖樣受載作用下失穩破壞的前兆，實現對巖體承載狀態的精準監測預警，防止巖爆或沖擊地壓事故發生，本研究成果為巖體變形破壞預測預警提供理論依據，在實際生產過程中具有一定的參考價值。

湖北大冶銅綠山銅鐵礦立足礦山現有開采條件，結合礦山生產現場實際現狀，正在開展應用型研究，合理布設地壓監測網，對開采區域實行重點監測，開展原巖應力測量、巖體二次應力測量、變形位移測量和巖體聲發射監測等，形成一套完整的礦山地壓監測系統，對監測采集數據進行實時分析，結合前人研究成果和上述巖體失穩破壞的前兆判據，建立多因素指數體系，及時準確掌握采空區周邊圍巖變化情況及井下地壓變化情況，完善礦山地壓安全監測，預測巖體的穩定性，避免災害事故發生，確保井下安全生產。

4 結 論

1) 通過對花崗閃長斑巖試樣進行單軸加載破壞聲發射試驗發現，振鈴計數率與b值的整體變化趨勢具有高度相似性，均能反映巖石承載作用下其內部新裂縫的產生、發育、貫穿直至失穩破壞的變化規律。

2) 當加載應力達其峰值強度的80%～90%時，振鈴計數率進入大幅度反復振蕩的非穩定期，此時聲發射b值的峰后“斷崖式”回落中也出現“波動中值”，此現象可作為巖石失穩破壞前的判據。