基于聲發(fā)射技術(shù)的巖石破壞模式分析研究

邢鵬飛，袁 杰，吳亞華，周 煌

(核工業(yè)井巷建設(shè)集團(tuán)有限公司，浙江 湖州 313002)

0 引 言

隨著淺部資源的日益枯竭，開(kāi)采深部礦產(chǎn)資源是我國(guó)必然面臨的一個(gè)重大歷史性課題。工程越往深部探索，“三高一擾動(dòng)”的賦存復(fù)雜環(huán)境問(wèn)題更加凸顯，高地應(yīng)力成為深部地下工程災(zāi)害頻發(fā)的主要原因[1-2]。在研究地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生機(jī)制中，聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)AE得到了廣泛的運(yùn)用。聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)是無(wú)損傷破裂檢測(cè)和破裂分析的非破壞分析評(píng)價(jià)技術(shù)手段，是通過(guò)檢測(cè)裂紋形成所釋放的彈性應(yīng)力波實(shí)現(xiàn)破裂分析和評(píng)價(jià)[3- 6]。開(kāi)挖巖體受高地應(yīng)力的作用，巖石形成的剪切型裂紋、張拉型裂紋和拉-剪復(fù)合型裂紋釋放的彈性應(yīng)力波各有其特性差異。因此，通過(guò)聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)采集的信號(hào)特征，可以有效分辨出巖石破壞過(guò)程中的裂紋類型，進(jìn)而判別出巖石破壞主要模式。

研究者通過(guò)聲發(fā)射信號(hào)各類參數(shù)，研究巖石破裂類型與聲發(fā)射特征的關(guān)系，主要聲發(fā)射特征參數(shù)有上升時(shí)間、持續(xù)時(shí)間、能量、幅度、振鈴計(jì)數(shù)等[7-10]。Aggelis等[11-12]結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)得出，巖石剪切試驗(yàn)所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)要比拉伸試驗(yàn)更長(zhǎng)，信號(hào)頻率更低。劉希林等[13]研究巖石在單軸壓縮與巴西劈裂試驗(yàn)下聲發(fā)射信號(hào)頻率特性發(fā)現(xiàn)，單軸壓縮試驗(yàn)下，峰值頻率主要集中在100 kHz以下；巴西劈裂試驗(yàn)下，聲發(fā)射信號(hào)頻率主要集中在100～200 kHz。Wang等[3]對(duì)紅砂巖基于一系列三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)和剪切破壞試驗(yàn)，分析研究不同破壞模式下聲發(fā)射信號(hào)特征的發(fā)現(xiàn)，剪切破壞的累積聲發(fā)射能量明顯高于拉伸破壞的累積聲發(fā)射能量。何滿朝、宮宇新等[14-15]對(duì)北山花崗巖進(jìn)行巖爆試驗(yàn)，同時(shí)采集試驗(yàn)過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)，利用AF值和RA值判別不同加載速率下巖石巖爆破壞所產(chǎn)生的裂紋類型。李漾等[16]對(duì)不同層理煤樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，分析研究煤樣受壓過(guò)程中RA-AF特征與裂紋擴(kuò)展的關(guān)系。李庶林等[17]對(duì)單軸受壓巖石破壞全過(guò)程進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射特征隨著巖樣破壞形式的不同而不同。

通過(guò)聲發(fā)射峰值頻率和AF-RA分布特征可以有效分辨巖石破壞過(guò)程中裂紋類型，進(jìn)而判別出巖石受力破壞主要模式。在巖石單軸壓縮試驗(yàn)中，巖石峰值強(qiáng)度前變形通常劃分為4個(gè)階段，即孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)、彈性變形階段(Ⅱ)、裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)和裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)。已往研究中，針對(duì)巖石單軸壓縮試驗(yàn)下各變形階段裂紋擴(kuò)張主要類型研究相對(duì)還少。為此，本文選用了3類不同巖性的巖石作為試驗(yàn)研究對(duì)象，結(jié)合聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)，分析巖石單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中峰值強(qiáng)度前各變形階段裂紋擴(kuò)張的主要類型。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣準(zhǔn)備

為保證研究所得結(jié)果的普適性，本次試驗(yàn)選取黃砂巖、細(xì)粒大理巖和細(xì)粒花崗巖3種不同巖性巖石作為研究對(duì)象，制成直徑50 mm、高100 mm的圓柱體。各類巖樣各準(zhǔn)備3塊，其中，黃砂巖取自四川自貢，大理巖取自湖南耒陽(yáng)，花崗巖取自云南大理。為保準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)，對(duì)巖樣端面及表面進(jìn)行加工打磨，確保端面不平整度小于0.1 mm，表面光滑，且兩端面與軸向垂直。試樣見(jiàn)圖1。

圖1 試驗(yàn)巖樣

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)采用中南大學(xué)高等研究中心MTS-322壓力系統(tǒng)和PCI-2聲發(fā)射檢測(cè)分析系統(tǒng)。壓力機(jī)最大軸向載荷可達(dá)500 kN，能記錄試驗(yàn)過(guò)程中軸向載荷、軸向應(yīng)變和軸向位移等參數(shù)；PCI-2聲發(fā)射檢測(cè)分析系統(tǒng)能夠同步記錄試驗(yàn)過(guò)程中AE峰值頻率、AE上升時(shí)間、AE幅值等基本參數(shù)。試驗(yàn)設(shè)備見(jiàn)圖2。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)

1.3 試驗(yàn)方案

對(duì)3類巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，載荷施加方式為位移加載，加載速率設(shè)定為0.12 mm/min。同時(shí)，對(duì)每個(gè)試樣布置2個(gè)聲發(fā)射傳感器，傳感器布置于巖樣中心處，且2個(gè)傳感器保持幾何對(duì)稱。聲發(fā)射放大器門檻調(diào)至40 dB，信號(hào)門檻設(shè)置為45 dB，采樣率設(shè)置為5 MHz。每次傳感器安裝時(shí)涂抹凡士林作為耦合劑，同時(shí)用膠帶對(duì)其進(jìn)行固定，確保傳感器與巖樣表面接觸緊密。每組試驗(yàn)前，對(duì)巖樣進(jìn)行斷鉛試驗(yàn)以確保每個(gè)傳感器的靈敏性。此外，壓力機(jī)系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測(cè)分析系統(tǒng)同步開(kāi)始和結(jié)束，確保聲發(fā)射信號(hào)接收和軸向載荷在時(shí)間上的同步性。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 基本力學(xué)特性

根據(jù)國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦測(cè)試方法[18]，對(duì)3種巖石進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，單軸抗壓強(qiáng)度計(jì)算公式如下

(1)

式中，σc為單軸抗壓強(qiáng)度；S為受力承載面面積。

對(duì)巖樣進(jìn)行基本物理參數(shù)測(cè)定，包括聲波縱波波速P、密度ρ、泊松比μ。3種巖樣基本物理力學(xué)參數(shù)均值見(jiàn)表1。應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖3。3類巖石單軸抗壓強(qiáng)度相差較大，強(qiáng)度大小依次為細(xì)粒花崗巖>細(xì)粒大理巖>黃砂巖。

圖3 巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

表1 巖樣基本物理力學(xué)參數(shù)

2.2 巖石破壞模式分析

巖石的破壞形態(tài)反映巖石受力過(guò)程中的應(yīng)力分布狀態(tài)，在單軸壓縮荷載作用下，巖石常見(jiàn)的破壞形式有“X”狀共軛斜面剪切破壞、單斜面剪切破壞、拉伸破壞(劈裂破壞)3種[19]。前2種破壞形式是由于破壞面上的剪切應(yīng)力超過(guò)其抗剪強(qiáng)度引起的，可視為剪切破壞；后1種破壞類型是徑向拉應(yīng)力超過(guò)巖石抗拉強(qiáng)度引起的。單軸壓縮試驗(yàn)下巖石破壞形式見(jiàn)圖4。圖4中，P為軸向壓力。

圖4 單軸壓縮試驗(yàn)下巖石破壞形式

根據(jù)巖樣宏觀破壞裂紋，描繪出巖樣破壞形式，見(jiàn)圖5。從圖5可知，黃砂巖破壞形式為“X”狀共軛斜面剪切破壞；細(xì)粒大理巖破壞形式形成壓縮椎型剪切破壞；細(xì)粒花崗巖則呈現(xiàn)出與端面垂直的拉伸型破壞形式。因此，由宏觀破壞形式判定可知，黃砂巖、細(xì)粒大理巖和細(xì)粒花崗巖主要破壞形式分別為剪切破壞、剪切破壞和拉伸破壞。

圖5 試樣破壞

2.3 巖石聲發(fā)射特性分析

為探究巖石在單軸壓縮試驗(yàn)條件下各變形階段裂紋擴(kuò)展形式，利用聲發(fā)射特征參數(shù)進(jìn)行分析判別。本文所討論的聲發(fā)射特征參數(shù)包括峰值頻率、平均頻率(Average frequency，簡(jiǎn)稱AF)和RA(上升時(shí)間與幅值之比)。圖6為聲發(fā)射波形中各參數(shù)的實(shí)際意義。峰值強(qiáng)度前變形4個(gè)階段聲發(fā)射數(shù)據(jù)劃分原則見(jiàn)圖7。圖7中，區(qū)域Ⅰ為孔隙裂隙壓密階段、區(qū)域Ⅱ?yàn)閺椥宰冃坞A段、Ⅲ為裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段、Ⅳ為裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段。2個(gè)傳感器之間信號(hào)數(shù)據(jù)基本一致，且本文所用數(shù)據(jù)為較為全面的1組。

圖6 聲發(fā)射系統(tǒng)波形信號(hào)參數(shù)

圖7 巖石聲發(fā)射特性分析階段劃分原則

2.3.1AF-RA值特性

根據(jù)試驗(yàn)所得的聲發(fā)射數(shù)據(jù)繪制AF-RA值密度分布圖，各巖石全過(guò)程AF-RA值密度分布規(guī)律見(jiàn)圖8。從圖8可知，在整個(gè)單軸壓縮過(guò)程中，黃砂巖和細(xì)粒大理巖聲發(fā)射AF-RA值分布規(guī)律較為相似，即AF值主要分布在100 kHz以下，呈現(xiàn)出低AF值、高RA值且向RA軸靠近的分布特點(diǎn)；細(xì)粒花崗巖聲發(fā)射AF-RA值主要分布在100 kHz以上，數(shù)據(jù)主要集中靠近于AF軸，呈現(xiàn)出高AF值、低RA值的分布特點(diǎn)。根據(jù)3種巖石全過(guò)程AF-RA值密度分布特征得出，黃砂巖和細(xì)粒大理巖主要以剪切破壞形式為主，而細(xì)粒花崗巖則以拉伸破壞為主。分析結(jié)果與巖石實(shí)際的宏觀破壞裂紋是一致的，有效證明了AF-RA值分布規(guī)律作為巖石受力破壞形式判別依據(jù)的可行性。

圖8 巖石全過(guò)程AF-RA值密度分布規(guī)律

依據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)條件下巖石各變形特征，將聲發(fā)射數(shù)據(jù)按各變形特征時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，黃砂巖、細(xì)粒大理巖和細(xì)粒花崗巖各階段AF-RA值密度分布特征分別見(jiàn)圖9、10、11。圖9～11中，顏色從深色至淺色表示數(shù)據(jù)集中程度由低到高。另外，虛線方框?yàn)閿?shù)據(jù)集中程度較高區(qū)域。依據(jù)先前所得結(jié)論，當(dāng)AF-RA值分布為低AF值、高RA值且數(shù)據(jù)靠近RA軸時(shí)，巖石破壞主要以剪切破壞為主；當(dāng)AF-RA值分布為高AF值、低RA值且數(shù)據(jù)靠近AF軸時(shí)，巖石破壞主要以張拉破壞為主。從圖9～11可知：

圖9 黃砂巖各階段AF-RA值密度分布特征

(1)從黃砂巖孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)和彈性變形階段(Ⅱ)AF-RA值分布特征可以看出，該階段主要分布在100 kHz以下，且以低AF值、高RA值為主；在裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)，AF-RA值則主要以靠近AF軸的高AF值、低RA值的分布特征為主；在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，AF-RA值和全過(guò)程中的AF-RA值分布特征極為相似，即主要分布在100 kHz以下，且為低AF值、高RA值的分布特征。綜上，在黃砂巖變形前2個(gè)階段，巖石裂紋擴(kuò)張主要以剪切型聲發(fā)射信號(hào)為主；而在裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)，裂紋形式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詮埨鸭y為主；裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，巖石破壞則以剪切裂紋為主。此外，黃砂巖變形前2個(gè)階段聲發(fā)射信號(hào)活躍度不高，聲發(fā)射信號(hào)主要集中發(fā)生在巖石裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，且對(duì)于整個(gè)巖石破壞過(guò)程，裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)所形成的裂紋類型引起的聲發(fā)射信號(hào)對(duì)巖石整體聲發(fā)射信號(hào)特征起著決定性作用。

(2)細(xì)粒大理巖4個(gè)階段巖石AF-RA值都是以靠近RA軸的低AF值、高RA值的分布特征為主，說(shuō)明細(xì)粒大理巖各變形階段都以剪切型裂紋擴(kuò)張為主，與巖石整個(gè)受力失效過(guò)程所釋放出的聲發(fā)射信號(hào)特征是相符的。

(3)細(xì)粒花崗巖孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)和彈性變形階段(Ⅱ)AF-RA值分布主要為靠近AF軸的高AF值、低RA值的分布特征，也有少數(shù)部分?jǐn)?shù)據(jù)集中在靠近RA軸的低AF值、高RA值的區(qū)域。裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)，AF-RA值分布范圍主要在200 kHz以下，其中部分?jǐn)?shù)據(jù)集中在100 kHz以下，呈現(xiàn)出高RA值特征；而另一部分集中分布在100 kHz以上，呈現(xiàn)出高AF值特征。裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，AF-RA分布為靠近AF軸的高AF值、低RA值的分布特征，該階段分布規(guī)律與巖石全過(guò)程分布規(guī)律是高度相似的，與黃砂巖一致。

圖10 細(xì)粒大理巖各階段AF-RA值密度分布特征

圖11 細(xì)粒花崗巖各階段AF-RA值密度分布特征

根據(jù)各階段AF-RA值分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，黃砂巖和細(xì)粒大理巖在前2個(gè)變形階段裂紋發(fā)展都以剪切型為主，而細(xì)粒花崗巖則是拉-剪復(fù)合型裂紋。3類巖石受力破壞過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)主要集中產(chǎn)生在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，且該階段裂紋擴(kuò)張形式與巖石整體聲發(fā)射信號(hào)特征存在著高度相似性。分析發(fā)現(xiàn)，巖石裂紋擴(kuò)張主要發(fā)生在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，且該階段裂紋擴(kuò)張形式對(duì)巖石最終破壞形式起著決定性作用。

2.3.2 峰值頻率特性

根據(jù)試驗(yàn)所得的聲發(fā)射參數(shù)數(shù)據(jù)，繪制峰值頻率百分占比餅狀圖，各巖石全過(guò)程峰值頻率占比分布規(guī)律見(jiàn)圖12。從圖12可知，峰值頻率分布在0～100 kHz的黃砂巖、細(xì)粒大理巖和細(xì)粒花崗巖占比分別為77.3%、95.5%和20.9%；分布在301～400 kHz的黃砂巖、細(xì)粒大理巖和細(xì)粒花崗占比分別為6.1%、0和40.5%。根據(jù)峰值頻率分布規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，巖石受壓全過(guò)程中，黃砂巖和細(xì)粒大理巖主要以剪切型裂紋破壞形式為主，而細(xì)粒花崗巖則以張拉破壞為主且伴有少量的剪切型裂紋破壞，即拉-剪復(fù)合型裂紋。所得結(jié)論與AF-RA值密度分布規(guī)律所得結(jié)論是一致。

圖12 巖石全過(guò)程峰值頻率分布規(guī)律

依據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)條件下巖石各變形特征，將聲發(fā)射數(shù)據(jù)按各變形特征時(shí)間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分，黃砂巖、細(xì)粒大理巖和細(xì)粒花崗巖各階段峰值頻率分布特征分別見(jiàn)圖13、14、15。將聲發(fā)射峰值頻率大小劃分為4個(gè)層級(jí)，每個(gè)層級(jí)對(duì)應(yīng)1種填充形式，分別為網(wǎng)格形、橫條形、豎條形和斜線形，其中網(wǎng)格形代表分布在0～100 kHz的峰值頻率數(shù)據(jù)，橫條形代表分布在101～200 kHz的峰值頻率數(shù)據(jù)，豎條形代表分布在201～300 kHz的峰值頻率數(shù)據(jù)，斜線形代表分布在301～400 kHz的峰值頻率數(shù)據(jù)。峰值頻率主要分布在0～100 kHz時(shí)，巖石主要以剪切型破壞形式為主；峰值頻率主要分布在301～400 kHz時(shí)，巖石主要以張拉型破壞形式為主。從圖13～15可知：

圖13 黃砂巖分階段峰值頻率分布特征

(1)黃砂巖變形階段從孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)至裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，分布在0～100 kHz峰值頻率占比依次為56.9%、88.4%、75.8%和46.1%；分布在30～400 kHz峰值頻率占比依次為8.7%、5.2%、9%和9.1%。各階段峰值頻率分布在0～100 kHz占比都超過(guò)45.0%，且分布在301～400 kHz各階段峰值頻率不超過(guò)10.0%。因此，黃砂巖各階段都以剪切型裂紋破壞形式為主。但與AF-RA值密度規(guī)律不同的是，裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)由AF-RA值分布規(guī)律被認(rèn)定為以拉伸裂紋為主。

圖14 細(xì)粒大理巖分階段峰值頻率分布特征

圖15 細(xì)粒花崗巖分階段峰值頻率分布特征

(2)細(xì)粒大理巖峰值頻率分布較為集中，從孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)至裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，分布在0～100 kHz峰值頻率占比依次為94.7%、98.0%、98.6%和96.1%；而分布在301～400 kHz峰值頻率幾乎為0。因此，細(xì)粒大理巖各階段都以剪切型裂紋擴(kuò)張為主，而拉伸型裂紋幾乎不存在。所得結(jié)果與AF-RA值密度分布規(guī)律所得結(jié)果基本一致。

(3)細(xì)粒花崗巖變形階段從孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)至裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，分布在0～100 kHz峰值頻率占比依次為7.4%、17.9%、30%和21.7%；分布在301～400 kHz峰值頻率占比依次為43.8%、45.1%、33.1%和40.3%。可以發(fā)現(xiàn)，各階段分布在301～400 kHz峰值頻率占比在30%～50%之間，而分布在0～100 kHz峰值頻率占比在0～30%之間。因此，在各個(gè)階段中，裂紋擴(kuò)張以拉伸型裂紋為主，且隨著應(yīng)力越往峰值強(qiáng)度接近，剪切型裂紋數(shù)量也隨之增加。特別地，在裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)中，301～400 kHz峰值頻率占比僅比301～400 kHz峰值頻率占比多3.1%，說(shuō)明這一階段剪切型裂紋和拉伸型裂紋數(shù)量相差不大，即呈現(xiàn)為拉-剪復(fù)合型裂紋。

綜上，3類巖石各階段由峰值頻率占比所得裂紋擴(kuò)張形式與AF-RA值密度分布規(guī)律所得結(jié)果基本一致，說(shuō)明采用聲發(fā)射參數(shù)峰值頻率與AF-RA值密度分布規(guī)律可以有效判別巖石主要破壞形式。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)黃砂巖、細(xì)粒大理巖和細(xì)粒花崗巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)對(duì)巖石峰值強(qiáng)度前各變形階段進(jìn)行裂紋擴(kuò)張形式分析，得出以下結(jié)論：

(1)證實(shí)了聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)峰值頻率與AF-RA值密度分布規(guī)律用于判別巖石各階段破壞形式的有效性與一致性，且各階段裂紋擴(kuò)張形式與整體全過(guò)程裂紋擴(kuò)張形式基本一致。

(2)黃砂巖和細(xì)粒大理巖峰值頻率分布在0～100 kHz占比分別都超過(guò)45%和90%，各變形階段裂紋發(fā)展都以剪切型為主，與巖石破壞實(shí)際宏觀裂紋一致；而細(xì)粒花崗巖則是隨著應(yīng)力的增大，裂紋從以拉伸裂紋為主轉(zhuǎn)變?yōu)槔?剪復(fù)合型裂紋。

(3)巖石在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)所呈現(xiàn)出的聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)規(guī)律與整體聲發(fā)射信號(hào)參數(shù)規(guī)律高度相似，且對(duì)巖石破壞整體過(guò)程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)特征起著決定性作用。