紅砂巖破壞過程聲發射震源演化規律及其主頻特征

龔 囪，包 涵，王文杰，鐘 文，許永斌，趙 奎，曾 鵬

(1.江西理工大學 資源與環境學院，江西 贛州 341000；2.北京科技大學 金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083)

對巖石工程進行監測預報是金屬礦山地下開采亟需解決的共性技術難題。工程實踐表明：巖石在破壞過程中具有聲發射現象。通過研究某個或幾個聲發射參數時間系列特征與巖石應力、應變的關系，如聲發射事件率、聲發射分形維數、聲發射值的變化特征，曾在一定時間內是預測巖石破壞的主要方法。由于該類方法所得結果在一定程度上受統計方法、分檔間隔大小等因素影響，并且主要通過某聲發射參數時間系列的增大或減小來預測巖石的破壞。因此，該類方法總體屬定性分析方法。目前，基于聲發射主頻特征的巖石破壞預測方法已成為研究的熱點，并且在一定程度上促進了巖石破壞預測方法由定性分析向定量分析的轉變。LU等認為煤-巖發生巖爆時聲發射頻帶具有變寬的趨勢。紀洪廣等研究發現花崗巖臨近破壞時存在聲發射主頻段增多的現象。JIANG等認為大理巖張拉破壞前低頻信號迅速增大。近年來，聲發射震源定位技術得到了快速的發展。吳順川等從應力波消噪、速度模型與定位方法等方面分析了震源定位的影響因素。楊道學等提出了基于粒子群算法的未知波速震源定位方法。在震源定位的基礎上，OHSTU將矩張量引入巖石聲發射的研究，并將震源分為剪切型震源、張拉型震源與混合型震源。隨后，張鵬海、RODRIGUEZ、MCLASKEY等分析了不同類型聲發射震源特征。以上研究表明：聲發射震源定位技術與基于矩張量分析的震源類型辨識方法，不僅搭建了巖石宏觀破裂面幾何特征與聲發射震源分布、宏觀破壞方式與聲發射震源類型之間的聯系，而且可為研究不同類型震源對應的聲發射參數特征提供了條件。

巖石聲發射現象實質是微裂紋持續演化的結果。BIENIAWSKI基于室內研究提出了起裂應力與損傷應力等概念，從而為定性研究微裂紋演化特征與應力的關系奠定了基礎。由于巖石破壞過程中聲發射震源時空演化規律與微裂紋演化活動接近。因此，建立聲發射震源時空演化規律與加載應力的關系，對于探索巖石破壞細觀機理具有重要理論價值。同時，對巖石破壞進行預測是聲發射技術的重要應用之一。然而，監測所得的聲發射數據常具有“海量”、離散的特征。因此，在一定程度上降低了相關預測方法的時效性與精確性。何滿潮等研究認為聲發射頻率成分的復雜性與微破裂模式有關，在一定程度上預示著不同類型的聲發射震源可能具有不同的主頻特征。因此，研究巖石破壞過程中不同類型聲發射震源主頻特征，對完善巖石破壞預測方法具有重要的意義。

筆者對紅砂巖進行了單軸壓縮條件下聲發射震源定位試驗，以矩張量分析方法為主要研究手段，分析了剪切型、張拉型與混合型震源演化規律及其與起裂應力、損傷應力的關系，提出了起裂應力與損傷應力估算方法。在此基礎上，分析得到了紅砂巖破壞過程中震源主頻范圍，研究認為相對于張拉型與混合型震源，剪切型震源在微裂紋非穩定發展階段具有獨有的主頻特征，并且該特征可作為紅砂巖在單軸壓縮條件下破壞的前兆特征。研究成果可為探尋巖石破壞細觀機理與不同荷載條件下巖石破壞前兆特征的研究提供參考。

1 聲發射震源定位試驗

1.1 試驗儀器與設備

單軸壓縮條件下紅砂巖破壞過程聲發射震源定位試驗，由英國生產GDS VIS 400 HPTAS三軸流變儀與美國生產的PCI-2聲發射系統完成。其中，GDS-VIS三軸流變儀機架剛度100 kN/mm，最大行程100 mm，分辨率±1/10 000，最大軸向荷載400 kN，荷載精度±0.03%。PCI-2聲發射系統具有8個通道，配工作頻段為125～750 kHz的Nano30型傳感器。主要儀器設備如圖1所示。

圖1 主要儀器設備

1.2 試件制備

試驗所需的紅砂巖取至贛州通天巖地區。根據GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》，巖塊經鉆取、切割與打磨后，制備得到直徑為50 mm、高度為100 mm的標準圓柱體試件。其中，試件端面不平行度與直徑誤差分別控制在0.05 mm與0.3 mm之內，并且試件端面垂直于試件軸線，其誤差小于0.25°。標準紅砂巖試件，如圖2所示。

圖2 紅砂巖試件

1.3 試驗過程與參數設置

單軸壓縮條件下紅砂巖破壞過程聲發射震源定位試驗，加載方式采用力控制，加載速率為0.02 kN/s。試件軸向與徑向變形分別由行程傳感器與LVDT位移傳感器采集，其中LVDT位移傳感器布置于試件中部。為保證聲發射震源定位精度與震源類型辨識對傳感器數量的要求。本次試驗共對稱布置8個Nano30傳感器。其中，距試件上端面4個，距試件下端面4個。聲發射傳感器布置，如圖3所示。圖中，，，為試件母線，并且與所構平面與與所構平面垂直。圖中數字1，2，3，…，8為聲發射傳感器編號。為降低端部效應對聲發射震源定位的影響，選擇凡士林為減摩劑。在試件帽與墊片、墊片與試件之間均勻涂抹厚度約為2 mm的凡士林。

圖3 聲發射傳感器布置

試驗前，采用RSM-RCT(B)聲波測井儀對試件進行波速測試，以便為聲發射震源定位精度校核與震源空間坐標計算提供依據。其中，聲發射震源定位精度校核由斷鉛試驗完成。試驗中，聲發射門檻值設置為30 dB，前置增益40 dB，采樣頻率2 MSPS，采樣長度為2 000，預觸發為256。

1.4 基本物理力學參數

筆者對4個天然狀態下紅砂巖試件(Z-1～4)進行了單軸壓縮條件下的聲發射震源定位試驗。由于試驗加載方式采用應力控制，當加載應力達到峰值應力時，試件瞬時破壞。因此，圖4應力-應變曲線未體現試件破壞后階段變形特征。根據GB/T 50266—99《工程巖體試驗方法標準》，取試件應力-應變曲線直線段的斜率作為巖石的平均彈性模量，相應的泊松比由對應于直線段橫向應變增量與軸向應變增量的比值求得。測試結果表明：紅砂巖平均單軸抗壓強度約60.35 MPa，平均彈性模量6.65 GPa，平均泊松比0.25，平均縱波波速2 248 m/s。各試件測試結果，見表1。

圖4 應力-應變曲線

表1 紅砂巖基本物理力學參數

2 震源定位與類型辨識

2.1 震源定位方法

聲發射震源定位的實質是求解震源產生時間及其對應位置的過程。筆者采用下山單純形法對聲發射震源進行定位。該算法首先需設置一個初始迭代四面體。而后，將四面體4個頂點(′0,′0,′0)分別作為震源坐標(=1,2,3,4)，并計算各傳感器對應的到時殘差：

=-c-′

(1)

式中，為各傳感器拾取到聲發射波形的到達時間；′為震源(′0,′0,′0)產生時間；c為震源(′0,′0,′0)到各傳感器的傳播時間，可由式(2)計算得到。

(2)

式中，，，為傳感器坐標；為巖石縱波波速。

隨后，剔除殘差最大的頂點，并對初始四面體進行拉伸、對稱等操作，補充一個新頂點從而構建一個新的四面體。重復以上過程，將震源(′0,′0,′0)坐標值代入目標函數式(3)：

(3)

式中,為傳感器數量。

最后，當目標函數滿足迭代終止條件時，取四面體頂點中殘差最小點為最佳逼近解。

選擇單純性算法進行聲發射震源定位，需選擇合適的初始迭代值。筆者首先采用最小二乘法得到了震源的大致空間坐標。在此基礎上，以最小二乘法所得震源為球心以1 cm為半徑，在球面上隨機選取,,,作為初始迭代點。具體計算步驟參見文獻[17]。

表2給出了斷鉛試驗結果，從表2可以看出，震源定位坐標與實際斷鉛點坐標誤差總體誤差在1～3 mm，滿足聲發射震源定位要求。

表2 斷鉛試驗結果

2.2 震源類型辨識

根據矩張量分析方法對一個聲發射震源類型進行辨識，首先最少需提取6個傳感器所采集的波形文件，并在此基礎上分別計算得到P波對應的初動振幅，以及震源與傳感器的距離和方向余弦。而后，按式(4)對矩張量進行求解：

(4)

其中，為傳感器靈感度相關系數，可通過斷鉛方式進行標定；Ref(,)為傳感位置坐標處的反射系數，通常取2；為待求矩張量分量，=1,2,3，=1,2,3。隨后，對矩張量3個特征值進行歸一化處理，并對式(5)進行求解：

(5)

其中，為剪切成分；為拉應力成分；為流體靜力學中的拉應力成分；，，分別為最大、中間與最小特征值。最后，根據優勢判別方法，按式(6)將震源分為張拉型震源、混合型震源與剪切型震源：

(6)

筆者以震源定位試驗結果為基礎，對滿足類型辨識條件的震源及其對應的波形文件進行了分別提取。在此基礎上，編制了基于赤池信息準則(AIC)的P波到時Δ與初動振幅拾取程序。其中，P波到時Δ為AIC函數最小點所對應的時間，初動振幅對應于P波到時Δ之后幅值第1個極值點，如圖5所示。作為示例，表3給出了某震源P波到時與初動振幅計算結果。

表3 P波到時與初動振幅計算結果

圖5 P波到時與初動振幅拾取

而后，按式(4)對矩張量進行求解，求解結果見式(7)。

(7)

經歸一化后的特征值為[-0351 0014 1597]。最后，按式(6)對該震源類型進行辨識。計算結果表明：的相對比例為22.865%，的相對比例為50.833%，的相對比例為26.302%。因此，該震源類型辨識結果為張拉型震源。

3 試驗結果

3.1 聲發射事件率與振幅特征

巖石破壞過程中所產生的聲發射現象是微裂紋持續演化的外在表現。根據巖石變形特征，可將應力-應變曲線近似直線段定義為彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)之前定義為微孔隙壓密階段(Ⅰ)。由于試驗加載方式采用力控制，當加載應力達到峰值應力時，試件便瞬時破壞表現出一定的脆性，無破裂后階段。因此，定義彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)之后，峰值應力之前為微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)。為保障試驗數據的可比性，根據各試件變形特征，筆者將各試件應力-應變曲線近似直線段的斜率在65.0～69.0內，定義為彈性變形至微裂紋穩定發展階段。其中，試件Z-1,Z-2,Z-3,Z-4的應力-應變近似直線段斜率分別為65.0,66.5,65.5與68.9。

圖6,7為典型試件破壞過程聲發射事件率與振幅曲線。從圖6，7可以看出：在微孔隙壓密階段(Ⅰ)初期，由微孔隙逐漸被壓密實所引起的聲發射現象相對明顯，表現為聲發射事件率與振幅相對較大。隨著加載應力的增大，多數微孔隙已被壓密，聲發射現象不明顯，聲發射事件率與振幅處于較低水平。在彈性至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，聲發射事件率隨著加載應力的增大而增長，大幅值的聲發射事件增多。在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，聲發射事件率顯著增大，試件破壞時聲發射振幅出現最大值。

圖6 聲發射事件率曲線

圖7 聲發射振幅曲線

3.2 震源演化規律

圖8為各試件不同類型聲發射震源空間分布。從圖8可知：在單軸壓縮條件下紅砂巖破壞過程中的聲發射震源主要分布于試件的端部，總體與試件宏觀破壞面的位置一致。圖9顯示Z-1試件震源數相對豐富，為1 136個，Z-2，Z-3與Z-4試件震源數總體相當，分別為634，511，444個。其中，4個試件均表現為剪切型震源占比最大，分別為70.51%，67.41%，68.30%，66.89%。其次，為張拉型震源占比分別為18.13%，20.98%，18.79%，21.69%。混合型震源占比最小為分別為11.36%，10.88%，12.92%，11.42%。以上統計結果表明：雖然各試件聲發射震源數存在一定的差異，但不同類型震源百分比具有較高的一致性。

圖8 聲發射震源空間分布

圖9 不同類型震源百分比

圖10顯示在微孔隙壓密階段(Ⅰ)初期剪切型震源、張拉型震源與混合型震源均有不同程度的顯現，該特征在一定程度上取決于各試件初始微孔隙、微裂隙狀態。在彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，隨著加載應力的增大，剪切震源數均存在一快速增長點。Z-1，Z-2，Z-3，Z-4試件震剪切震源快速增長對應的應力分別為30.8，39.6，24.7，41.8 MPa。

圖10 震源數-應變曲線

然而，對于張拉型與混合型震源而言，除Z-1試件外，其余試件震源累積曲線近似“水平”，無明顯快速增長點。在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，震源仍以剪切型震源為主體，但除Z-1試件外，累計張拉型與混合型震源數均幾乎“同步”進入相對“快速”增長期。其中，Z-2，Z-3與Z-4試件張拉型與混合型震源步入“快速”增長對應的應力分別為52.5，50.7與55.3 MPa。

根據各試件相對坐標編制，以Z-1試件為例，筆者將各震源空間坐標分別向-平面與-平面進行了投影。因此，圖11代表了不同類型震源在微裂紋演化不同階段沿試件半徑方向的分布。相應的，圖12代表了不同類型震源在微裂紋演化不同階段沿試件軸線方向的分布。從圖11，12可知：在微孔隙壓密階段(Ⅰ)，在沿試件半徑方向，震源主要分布于距圓心10～25 mm處，如圖11(a)所示；在沿試件軸向方向上，震源主要分布于距試件上、下端面0～25 mm處，如圖12(a)所示。這一特征在一定程度上反映了試件原生微孔隙的分布特征。在彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，此時聲發射震源“幾乎”遍布于試件整個半徑方向與軸線方向，并有具有向試件中心發展的趨勢，如圖11(b)，12(b)所示。在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，在沿半徑方向，相對于微孔隙壓密階段(Ⅰ)與彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，震源分布于距圓心0～10 mm的概率增大，如圖11(c)所示；在沿試件軸線方向上，聲發射震源主要分布于試件中上與中下部，總體距試件下端面20～80 mm，如圖12(c)所示。對照圖12(c)，8(a)，聲發射震源在-平面投影圖形態與試件宏觀破壞形態，具有一定的相似性。

圖12 震源在Y-Z平面投影

對于某個特定的震源，筆者選擇P波真實達到時間最小值對應的傳感器所采集的絕對能量作為該震源能量的標度。統計結果表明：紅砂巖在單軸壓縮條件下聲發射震源絕對能量總體位于0～30 000 aJ。其中，在微孔隙壓密階段(Ⅰ)，震源絕對能量均值與方差分別為664 aJ與1 588 aJ，如圖11(a)與12(a)所示；在彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，震源絕對能量均值與方差分別為610 aJ與2 172 aJ，如圖11(b)，12(b)所示；在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，震源絕對能量均值與方差分別為822 aJ與3 465 aJ，如圖11(c)，12(c)所示。因此，根據微裂紋演化不同階段震源能量均值與方差大小，可作如下推斷：在微孔隙壓密階段(Ⅰ)由微孔隙被壓密顆粒間發生相對滑動所形成的微破裂強度，總體大于彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)由微裂紋萌生、擴展等形成的微破裂強度，但小于微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)由微裂紋貫通、匯集等所形成的微破裂強度。同時，也預示著微破裂強度的復雜性在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)最大，其次為微孔隙壓密階段(Ⅰ)，彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)微破裂強度的復雜性最小。

圖11 震源在X-Y平面投影

3.3 不同類型震源主頻特征

3.3.1 震源波形文件選擇

由基于矩張量理論的聲發射震源類型辨識方法可知，對于一個確定的震源其最少對應6個聲發射波形文件。試驗結果表明：基于相同性能傳感器采集得到波形文件，在此基礎上計算得到的震源主頻也存在一定差異，其原因可能與彈性波的傳播路徑與衰減特性有關，如圖13所示。為便以分析，筆者選擇P波實際達到時間最小值對應的波形文件作為主頻計算的依據。以表3為例，6號傳感器記錄的時間為12.359 725 8 s，P波到時為10s，P波實際達到時間為12.359 724 8 s。在6個傳感器中，6號傳感器記錄P波實際達到時間最小。因此，對于該震源選擇6號傳感器所采集的波形文件進行主頻計算。本文震源主頻由PCI-2聲發射系統提供，經驗證該主頻值由傅立葉變換計算得到。

圖13 波形文件選取示意

3.3.2 混合型震源主頻特征

圖14給出了各試件破壞過程中混合型震源主頻曲線。

從圖14可看出：在微孔隙壓密階段(Ⅰ)，混合型震源主頻主要分布于0～50，100～150，>250 kHz的高頻信號產生的概率相對較小。在彈性至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，250～350 kHz的信號隨著加載應力的增大呈現增多的趨勢。在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，主頻范圍主要分布于0～50,100～150與250～350 kHz。

圖14 混合型震源主頻曲線

3.3.3 張拉型震源主頻特征

圖15給出了各試件破壞過程中張拉型震源主頻曲線。從圖15可看出：在微孔隙壓密階段(Ⅰ)，張拉型震源主頻主要分布于0～50，100～150 kHz，其中Z-1與Z-2試件250～350 kHz的頻信號相對豐富，如圖15(a)，(b)所示，但Z-3與Z-4試件該頻率范圍內的信號缺失，如圖15(c)，(d)所示。在彈性至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，張拉型震源主頻主要分布于0～50，100～150與250～350 kHz，但Z-1，Z-2與Z-3試件出現了200～250 kHz信號，如圖15(a)～(c)所示，主頻范圍存在增大的現象。在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，張拉型震源主頻范圍分布于0～50，100～150與250～350 kHz。

圖15 張拉型震源主頻曲線

3.3.4 剪切型震源主頻特征

圖16給出了各試件破壞過程中剪切型震源主頻曲線。從圖16可看出：在微孔隙壓密階段(Ⅰ)，主頻主要分布于0～50，100～150 kHz。同時，Z-1與Z-2試件250～350 kHz信號相對明顯，如圖16(a)，(b)所示，但Z-3與Z-4試件在該頻率范圍的信號較少，如圖16(c)，(d)所示。在彈性至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，主頻主要分布于0～50，100～150與250～350 kHz，但主頻位于50～100，150～200 kHz頻信號均有不同程度的出現，主頻的范圍增大。例如，Z-3試件150～200 kHz相對豐富，如圖16(c)所示。Z-1與Z-2試件50～100 kHz信號相對明顯，如圖16(a)，(b)所示。在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，主頻范圍分布于0～50，100～150與200～350 kHz。與混合型、張拉型震源不同的是：在這一過程中出現了一定數量200～250 kHz信號，如圖16所示。

圖16 剪切型震源主頻曲線

4 討 論

4.1 不同類型震源演化規律與特征應力關系

試驗結果表明：在單軸壓縮條件下紅砂巖破壞過程中，剪切型震源數快速增長始于彈性至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，但張拉型震源與混合型震源數快速增長始于微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)。這一結果與王春來等、何云松對砂巖與花崗巖的研究結果具有相似性，具體表現為砂巖在單軸壓縮條件下剪切型震源數快速增長對應的起始應力小于張拉型震源與混合型震源，但在巴西劈試驗中花崗巖張拉型震源數快速增長對應的起始應力小于剪切型震源與混合型震源。以上說明，巖石破壞過程中不同類型的聲發射震源演化規律不僅與巖性、試驗方式等有關，而且與加載應力大小有關。

起裂應力是裂紋穩定擴展的起始點，其值為巖石峰值應力的40%～70%。損傷應力是裂紋非穩定擴展的起始點，其值為巖石峰值應力的70%～90%。ZHAO等與DIEDERICHS研究表明可將累計聲發射事件數曲線第1個偏離線性段的起始點對應的應力作為起裂應力，達到損傷應力后累計聲發射參數曲線呈快速增加，可將聲發射事件曲線兩線性段延長線交點對應的應力作為損傷應力。

筆者將單個聲發射震源作為一個聲發射事件，以總震源數來確定起裂應力與損傷應力。具體確定方法如下：

(1)繪制應力-應變曲線，根據時間關系，繪制累計震源數曲線，并將其疊加于應力-應變曲線之上。

(2)將應力-應變曲線劃分為微孔隙壓密階段(Ⅰ)、彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)與微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)。

(3)在彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，作累計震源曲線近似直線，取第1個偏離直線的點為點。過作應力坐標軸平行線交應力-應變曲線于′，取′點對應的應力為起裂應力。

(4)在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，作累計震源曲線近似直線，交直線于點。過作應力坐標軸平行線交應力-應變曲線于′，取′點對應的應力為損傷應力。

起裂應力與損傷應力確定方法如圖17所示。

圖17 起裂應力與損傷應力確定示意

圖18顯示除Z-1試件損傷應力異常外，其余試件所確定的起裂應力與損傷應力大小均處于正常范圍。其中，Z-2,Z-3與Z-4起裂應力分別約為40.5，25.8與38.0 MPa，損傷應力分別約為52.4，49.1與56.9 MPa。

圖18 累計震源數曲線

表4顯示剪切型震源快速增長起始應力與起裂應力，張拉型與混合型震源“快速”增長起始應力與損傷應力具有良好的對應關系。因此，可作如下分析：在單軸壓縮條件下當加載應力大于起裂應力小于損傷應力時，由微裂紋萌生所產生的剪切型震源快速增長，紅砂巖在細觀尺度上以“剪切破壞”為主，并且在一定程度上可將剪切震源快速對應的起始應力作為紅砂巖的起裂應力。當加載應力大于損傷應力時，微裂紋處于非穩定擴展、貫通階段。在此過程中，紅砂巖在細觀尺度上仍以“剪切破壞”為主，但張拉型與混合型震源相對“快速”增長。在一定程度上可將張拉型與混合型震源“快速”增長起始應力作為紅砂巖的損傷應力。同時，在一定程度上也預示著震源類型的復雜程度與巖石破壞過程中微裂紋所處狀態有關。在彈性變形至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，微裂紋的孕育、萌生等以單一類型震源為主體，而在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，剪切型、張拉型與混合型震源將得到充分的發展并最終導致巖石的破壞。

表4 震源快速增長應力與特征應力關系

4.2 巖石破壞聲發射主頻前兆特征

已有的研究表明：巖石破壞過程中存在多主頻特征，臨近破壞時多數巖石主頻呈現減小的趨勢，并且主頻數值與破裂尺度大小有關。圖14～圖16顯示單軸壓縮條件下紅砂巖破壞過程中震源主頻總位于0～50,100～150與250～350 kHz。其中，0～50,100～150 kHz貫穿于整個破壞過程，而250～350 kHz主要存在于彈性至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)與微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)。這一結果與侯志強等研究認為由晶間滑移引起的摩擦型聲發射主頻較小，由新裂隙擴張引起的破裂型聲發射主頻較高，由宏觀裂隙擴張與摩擦的混合型聲發射主頻頻帶較寬，高頻與低頻信號共存的觀點基本一致。同時，結合聲發射振幅特征，在一定程度上預示著在微孔隙壓密初期與微裂紋非穩定發展階段微破裂尺度相對較大，彈性至微裂紋穩定發展階段微破壞尺度相對較小。

何滿朝等研究認為巖石破壞過程中聲發射頻率成分的復雜性與微破裂模式有關。筆者采用矩張量分析法將聲發射震源分為剪切型、張拉型與混合型震源3類。試驗結果表明相對于混合型震源而言，剪

切型與張拉型震源高頻頻帶更寬，如圖15(a)～(c)與圖16所示。更為重要的是：在微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)，只有剪切型震源存在主頻為200～250 kHz的信號，如圖16所示。因此，該特征可作為單軸壓縮條件下紅砂巖破壞的前兆特征。同時，由于巖石破壞過程中震源主頻與巖石類型、細觀結構特征以及巖石宏、細觀破壞形式有關。因此，通過對比分析剪切型、張拉型與混合型震源對的主頻特征，可為其他巖石在不同荷載條件下破壞前兆特征的研究提供參考。

5 結 論

(1)紅砂巖在單軸壓縮條件下，在微孔隙壓密階段，聲發射震源分布遠離試件的軸線，主要分布于試件外壁和上、下兩端面附近。在彈性至微裂紋穩定發展階段，聲發射震源遍布整個試件，并有具有向試件中心發展的趨勢。在微裂紋非穩定發展階段，聲發射震源主要集中于試件中上部與中下部。

(2)巖石破壞過程中聲發射震源演化規律與微裂紋狀態有關，表現出一定的階段性。在微孔隙壓密階段，不同類型震源均有不同程度的顯現，這一特征與巖石初始微孔隙狀態有關。在彈性至微裂紋穩定發展階段，聲發射震源以某單一震源為主體。在微裂紋非穩定發展階段，不同類型震源將得到充分的發展并最終導致巖石破壞。對于紅砂巖而言，在單軸壓縮條件下，剪切型震源快速增長始于彈性至微裂紋穩定發展階段(Ⅱ)，但張拉型與混合型震源“相對”快速增長始于微裂紋非穩定發展階段(Ⅲ)。

(3)巖石破壞過程中不同類型聲發射震源快速增長對應的起始應力，在一定程度上與巖石起裂應力、損傷應力具有對應關系。當加載應力達到巖石起裂應力時，某一類型的聲發射震源將首先進入快速增長階段。當加載應力達到損傷應力時，其余類型聲發射震源將步入“相對”快速增長階段。對于紅砂巖而言，在單軸壓縮條件下可將累計剪切型震源快速增長對應的起始應力作為紅砂巖起裂應力。同時，可將張拉型與混合型震源兩者共同快速增長對應的起始應力作為紅砂巖損傷應力。

(4)巖石破壞過程中，剪切型、張拉型與混合型震源主頻成分可能存在一定的差異。對于紅砂巖而言，在單軸壓縮條件下剪切型、張拉型與混合型震源主頻主要位于0～50，100～150與250～350 kHz。相對而言，剪切型與張拉型震源主頻的范圍大于混合型震源主頻。在微裂紋非穩定發展階段，只有剪切型震源存在主頻為200～250 kHz的信號，該特征可作為單軸壓縮條件下紅砂巖破壞前兆特征。