曾開華，王春光，李丙乾，肖廣濤

(1. 南昌工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院，江西，南昌330099;2. 山東科技大學(xué)，2a. 礦山災(zāi)害與預(yù)防控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育);2b. 資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島266590)

0 引 言

巖石變形聲發(fā)射(Acoustic Emission)是巖石在外荷載作用下，由于內(nèi)部存在原始缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中，在裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展過(guò)程中能量以彈性波的形式釋放。由于人們最開始注意到的這種現(xiàn)象是能聽到的，因此稱為聲發(fā)射。實(shí)際接收到的聲發(fā)射信號(hào)已經(jīng)達(dá)到超聲量級(jí)，可以測(cè)到彈性波在巖體中傳播使固體表面變形為10 ～11 μm 量級(jí)的微小變化［1］。

巖石的破壞過(guò)程是一個(gè)微裂紋形成、發(fā)展和匯合的過(guò)程，該過(guò)程伴隨著損傷的演化，涉及到從微觀到宏觀的各種尺度［2］。在遠(yuǎn)離平衡條件下，微觀的原子、分子層次與宏觀層次之間沒有簡(jiǎn)單、直接的聯(lián)系?？梢酝ㄟ^(guò)介于微觀與宏觀的中間尺度(細(xì)觀尺度)對(duì)巖石的破壞過(guò)程進(jìn)行分析。從細(xì)觀尺度上研究巖石的損傷、破壞過(guò)程時(shí)，必須考慮巖石所具有的非均質(zhì)性。對(duì)聲發(fā)射進(jìn)行監(jiān)測(cè)并分析其信號(hào)特征，可以了解巖石內(nèi)部的損傷演化過(guò)程［3］。

聲發(fā)射微震方法最早用于美國(guó)鉛鋅礦［4］。用于巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究始于上世紀(jì)60 年代［5］。聲發(fā)射在巖體工程中的應(yīng)用主要有室內(nèi)試驗(yàn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)兩部分。在室內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了大量的不同巖性及力學(xué)條件下的聲發(fā)射特征研究。Philip［6］對(duì)三軸壓縮下的玄武巖試件由流體流動(dòng)及裂紋破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究，表明流體流動(dòng)產(chǎn)生的是低頻聲發(fā)射波，壓縮變形及開裂產(chǎn)生高頻波。殷政鋼等［7］進(jìn)行了巖石的聲發(fā)射對(duì)比三軸試驗(yàn)研究，付小敏［8］進(jìn)行了三軸壓縮變形及聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究，江進(jìn)輝等［9］進(jìn)行了大理巖在天然、飽水和滲流三種條件下的三軸試驗(yàn)聲發(fā)射特征的研究，陳景濤等［10］對(duì)花崗巖在真三軸加載條件下的聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。從聲發(fā)射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同的巖石在不同的條件下，其聲發(fā)射特征不同。

在進(jìn)行壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)時(shí)，除了要求伺服實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具備足夠的剛度及相應(yīng)程度滿足巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)要求外，還要求巖樣必須與聲發(fā)射檢波器合理接觸，以便在巖石受壓其內(nèi)部裂隙發(fā)育和破裂時(shí)，發(fā)出的聲音信息準(zhǔn)確、合理地被聲發(fā)射檢波器接收到。現(xiàn)有技術(shù)中進(jìn)行的大量巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，聲發(fā)射檢波器與巖樣可以密貼接觸，在聲發(fā)射檢波器與巖樣之間可以加層黃油等進(jìn)行耦合，所以聲發(fā)射信息的合理采集容易實(shí)現(xiàn)，但礦山井下大多數(shù)巖石處于三軸受力狀態(tài)，因此開展巖石三軸壓縮破裂聲發(fā)射預(yù)測(cè)研究更符合實(shí)際情況，也更具有指導(dǎo)意義。

由于信號(hào)傳輸問(wèn)題，目前進(jìn)行的巖石三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)很少，并且一般采用將聲發(fā)射檢波器置于三軸壓力室外壁。這種情況下，巖石壓縮破裂產(chǎn)生的剪切脈沖波不能穿過(guò)液壓油而丟失，壓縮波也會(huì)因傳輸距離增加而使能量大幅衰減，無(wú)法得到真實(shí)可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。尤其是在進(jìn)行巖石三軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，因高壓油提供圍壓，巖樣必須用塑料膠帶等包裹物將其包緊以免進(jìn)入高壓油，同時(shí)防止巖樣破裂后巖粉進(jìn)入高壓油，因此在巖石三軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，巖樣無(wú)法與聲發(fā)射檢波器緊密接觸。目前，現(xiàn)有技術(shù)在進(jìn)行巖石三軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)無(wú)法解決巖樣與聲發(fā)射檢波器緊密接觸的技術(shù)問(wèn)題，不能獲得準(zhǔn)確可靠的巖樣聲發(fā)射信息。

1 聲發(fā)射測(cè)試壓盤的研制

考慮到巖石力學(xué)測(cè)試過(guò)程中遇到聲發(fā)射檢波器安裝諸多不利影響，本文研發(fā)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合巖石三軸壓力室的聲發(fā)射測(cè)試壓盤(見圖1)?；窘Y(jié)構(gòu)是制作直徑小于壓力室底座的圓柱狀剛性壓盤，在中心位置預(yù)留出適合聲發(fā)射檢波器直徑的孔洞，并沿徑向刻出導(dǎo)線溝槽。將聚苯乙烯塑料塞入孔洞內(nèi)，再將聲發(fā)射檢波器放置在孔洞內(nèi)。由于乙烯塑料有一定伸縮性，可使聲發(fā)射檢波器接觸面緊貼在巖石底部，保證接收準(zhǔn)確的巖樣聲發(fā)射信息。提高了巖石三軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。不會(huì)因?yàn)橹虚g介質(zhì)或傳輸距離太遠(yuǎn)，影響到巖樣聲發(fā)射信息的準(zhǔn)確性。

圖1 三軸壓力室聲發(fā)射測(cè)試底盤

為了進(jìn)一步提高壓盤性能，在壓盤的邊部均勻設(shè)置有螺紋固定孔，用于將實(shí)驗(yàn)壓盤牢固地固定在巖石伺服試驗(yàn)機(jī)的底壓頭上，提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。還可以控制實(shí)驗(yàn)壓盤的尺寸，更進(jìn)一步提高聲發(fā)射檢波器接收巖樣聲發(fā)射信息的準(zhǔn)確性。底盤的高為60 mm，直徑50 mm;尤其是孔洞的內(nèi)輪廓與聲發(fā)射檢波器的外輪廓相適配。而聲發(fā)射檢波器的高為14.8 mm，直徑為18.9 mm，則孔洞直徑為20 mm，高為15 mm。

2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)巖樣取自新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村煤礦16 煤頂板石灰?guī)r，從煤礦井下采集巖塊，封臘包裝后運(yùn)抵實(shí)驗(yàn)室，按巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)規(guī)范將石灰?guī)r巖塊加工成直徑為50 mm、高100 mm 的圓柱型標(biāo)準(zhǔn)試件。本次石灰?guī)r巖樣三軸壓縮條件下聲發(fā)射試驗(yàn)的加載系統(tǒng)采用美國(guó)MTS815.03 電液伺服巖石試驗(yàn)系統(tǒng)。加載過(guò)程采用位移控制方式，以0.1 mm/s 的速度加載直到試件破壞且處于平穩(wěn)的殘余變形階段后停機(jī)，試驗(yàn)時(shí)間120 s。

聲發(fā)射儀型號(hào)為SDAES-6，聲發(fā)射探頭采用單分量檢波器，中心諧振頻率120 kHz，前置放大器增益為40 dB，主放大器增益為40 dB，調(diào)整閥值電壓為1.0 V，設(shè)置聲發(fā)射事件間隔為3 ms。探頭拾取的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)前置放大和主放后由聲發(fā)射儀進(jìn)一步處理成聲發(fā)射參數(shù)(事件數(shù)、事件率、能量累計(jì)、能率等)。

3 石灰?guī)r壓縮破壞聲發(fā)射波形分析

聲發(fā)射波形信號(hào)是含有豐富信息的復(fù)合信號(hào)，受各種因素的制約，包括礦物的成分特征，結(jié)構(gòu)特征及變化的邊界條件特征等。

從結(jié)果反演一一對(duì)應(yīng)關(guān)系在目前的研究階段還很難做到，但可以定性分析其不同機(jī)制的聲發(fā)射源。根據(jù)采集到的荷載數(shù)據(jù)、觀察記錄的巖爆破壞特征，再結(jié)合聲發(fā)射數(shù)據(jù)頻譜及時(shí)頻變換結(jié)果，從大量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)觀點(diǎn)出發(fā)，可以對(duì)變形過(guò)程聲發(fā)射的主頻特征、幅值變化特征等進(jìn)行初步的定量描述。本文選取聲發(fā)射事件數(shù)和能量2 個(gè)參數(shù)來(lái)分析石灰?guī)r巖樣壓縮過(guò)程中的聲發(fā)射特征。聲發(fā)射事件數(shù)為單位時(shí)間內(nèi)所觀測(cè)到的振鈴計(jì)數(shù);聲發(fā)射事件數(shù)反映了聲發(fā)射發(fā)生的頻度;聲發(fā)射能量是指觀測(cè)到的聲發(fā)射事件的能量，與所觀測(cè)到的事件所在波形的幅度值的平方成正比，反映了聲發(fā)射的強(qiáng)弱［11］。

頻譜特征是指對(duì)聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)系列進(jìn)行快速離散傅里葉變換后得到的數(shù)據(jù)在頻域的特征，可以用來(lái)分析信號(hào)的頻譜和系統(tǒng)的頻率響應(yīng)［12］。對(duì)有限的時(shí)間序列信號(hào)采用如下公式進(jìn)行快速傅里葉變換和逆變換:

式中:N 為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度;x(n)為數(shù)據(jù)系列。

利用時(shí)間和頻率的聯(lián)合函數(shù)來(lái)表示信號(hào)，稱為時(shí)頻表示［13］，時(shí)頻表示分為線性和二次型兩種。線性時(shí)頻表示有短時(shí)傅里葉變換和小波變換。二次型的時(shí)頻表示可以描述信號(hào)的能量密度分布，稱為信號(hào)的時(shí)頻分布。二次型的時(shí)頻表示有譜圖、Cohen 類時(shí)頻分布和Affine 類時(shí)頻分布等。譜圖定義為短時(shí)傅里葉變換模的平方，變換公式為

是實(shí)值、非負(fù)的二次型分布，具有時(shí)移和頻移的不變性。Winger-Ville 變換是Cohen 類時(shí)頻變換的一種特殊形式，其變換公式為

該變換最大的缺點(diǎn)是存在交叉項(xiàng)，目前主要用平滑偽Winger-Ville 變換抑制交叉項(xiàng)，平滑偽Winger-Ville 變換公式為

當(dāng)沒有窗函數(shù)作用時(shí)，交叉項(xiàng)非常明顯。Affine時(shí)頻分布有尺度圖、乘積核分布、局部化雙頻核函數(shù)分布等。

本文采用最基本的譜圖變換，通過(guò)時(shí)頻數(shù)據(jù)對(duì)頻率和幅值進(jìn)行分區(qū)統(tǒng)計(jì)，得出不同實(shí)驗(yàn)階段、不同巖性的三軸壓縮變形實(shí)驗(yàn)過(guò)程聲發(fā)射時(shí)頻分布的頻率和幅值的分布變化特征。

在Matlab 時(shí)頻分析工具箱中，計(jì)算譜圖的函數(shù)為tfrsp. m，本文采用如下的語(yǔ)法格式［tfr，t，f］=tfrsp(x，t，N)輸入?yún)?shù)x、t、N，分別為采集的離散信號(hào)數(shù)據(jù)、采樣時(shí)間和頻率點(diǎn)數(shù)。輸出參數(shù)為tfr、t 和f，分別為返回譜圖、返回時(shí)間坐標(biāo)和返回頻率坐標(biāo)。

對(duì)聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)可以利用時(shí)頻分析工具箱繪制波形圖、功率譜圖、時(shí)頻分布(等高線)圖和三維圖(時(shí)間—頻率—幅值)。聲發(fā)射采樣頻率為1 024 kHz。設(shè)計(jì)nfft=1 024，N=256。根據(jù)每個(gè)波形文件變換的頻率—幅值分布特征，較高幅值在小于200 kHz 范圍內(nèi)相對(duì)集中分布于2 個(gè)區(qū)間。在較高的頻率范圍內(nèi)雖然幅值相對(duì)較小，但也有相對(duì)集中的頻率區(qū)間，為此將頻譜圖中頻率范圍分為4 個(gè)區(qū)間，分別為30 ～150、150～230、230 ～330 和330 ～400 kHz。

根據(jù)劃分的頻率區(qū)間，對(duì)每一個(gè)波形文件的結(jié)果，提取對(duì)應(yīng)4 個(gè)頻率區(qū)間段內(nèi)的最大幅值所對(duì)應(yīng)的頻率信息，獲得一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)文件獲得4 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。如果分析文件為n 個(gè)，則有4n 個(gè)數(shù)據(jù)。根據(jù)幅值大小的分布特征，為了定量分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不同頻段幅值變化趨勢(shì)，確定幅值門檻值，對(duì)大于該值的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，再除以4n。如果門檻值為0，則每個(gè)區(qū)間統(tǒng)計(jì)值為0.25，4 個(gè)區(qū)間的總值為1，因此設(shè)定合理的門檻值后方能比較出變化趨勢(shì)。由于不同頻率區(qū)間的幅值大小不同，因此設(shè)定了不同的門檻值，對(duì)第1 和第2 頻率區(qū)間幅值門檻值設(shè)為0.15，對(duì)于第3 和第4 頻率區(qū)間的門檻值設(shè)為0.03。根據(jù)以上的設(shè)定值對(duì)不同區(qū)間的幅值變化概率進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。整個(gè)頻段區(qū)間分別為62～92 kHz，發(fā)散;177 ～189 kHz，集中;235 ～300 kHz，主要集中于289 ～300 kHz;330 ～370 kHz，主要集中在363 ～369 kHz。

4 石灰?guī)r壓縮破裂聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

壓縮變形采集的聲發(fā)射數(shù)據(jù)采用外部信號(hào)觸發(fā)。當(dāng)有滿足設(shè)置要求的信號(hào)觸發(fā)軟件進(jìn)行采集時(shí)，每幅顯示的波形圖數(shù)據(jù)文件為8 192 個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在時(shí)頻變換時(shí)，以8 192 個(gè)數(shù)據(jù)為一個(gè)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行變換。圖2是對(duì)典型聲發(fā)射原始波形數(shù)據(jù)及濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行的時(shí)頻變換結(jié)果。

圖2 石灰?guī)r受載變形過(guò)程中聲發(fā)射

石灰?guī)r的受壓變形破壞過(guò)程與其內(nèi)部原生裂隙的壓密、新裂隙的產(chǎn)生、擴(kuò)展、貫通等演化過(guò)程密切相關(guān)［14］，聲發(fā)射信息蘊(yùn)含著豐富的巖石損傷漸進(jìn)破壞的前兆信息［15］，從石灰?guī)r三軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果(見圖3)可以看出，巖石受壓變形破壞演化過(guò)程大致可簡(jiǎn)化為5 個(gè)階段。

(1)OA 段為壓密階段。巖石內(nèi)部普遍含有微孔隙、裂隙等缺陷，在載荷壓縮作用微缺陷被壓密閉合過(guò)程中，粗糙的壁面會(huì)發(fā)生變形和微破裂，從而引起聲發(fā)射的產(chǎn)生，不過(guò)該階段聲發(fā)射頻率較小且能量較低。圖2(a)該階段僅出現(xiàn)少量聲發(fā)射活動(dòng)。

(2)AB 段為線彈性變形階段。該階段近似為線彈性，應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性連續(xù)。該階段由于應(yīng)力較低，還不足以使巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大尺度的新生裂隙，所以該階段只出現(xiàn)了數(shù)量較少、強(qiáng)度較低的聲發(fā)射現(xiàn)象，見圖2(b)。

(3)BC 段為加速非彈性變形階段。經(jīng)過(guò)線彈性變形階段后，巖樣中開始出現(xiàn)了數(shù)量較多、尺度較大的新生裂紋。該階段中巖石內(nèi)部積累了足夠的彈性能，在能量釋放過(guò)程中，變形開始加速，載荷上升相對(duì)較緩慢，巖石中產(chǎn)生的大量微裂紋匯合、貫通，并最終發(fā)生破壞失穩(wěn)。該階段聲發(fā)射事件數(shù)急劇增加，能率急劇增大，見圖2(c)。

(4)CD 段為破裂及其發(fā)展階段。巖石逐漸失去承載能力，應(yīng)力逐步降低，變形增大，裂隙已加密貫通并逐漸過(guò)渡到破碎塊體擠壓變形階段，此階段脆性的石灰?guī)r聲發(fā)射事件突然“沉寂”，聲發(fā)射事件數(shù)急劇減少，且能量急劇降低。

(5)DE 段為峰后變形階段。巖石最終達(dá)到松動(dòng)、破碎的殘余強(qiáng)度，此階段聲發(fā)射事件逐漸消失。

圖3 石灰?guī)r三軸壓縮過(guò)程中聲發(fā)射振鈴數(shù)

對(duì)聲發(fā)射活動(dòng)進(jìn)行頻譜處理后得到石灰?guī)r固有聲發(fā)射特征頻率及其幅值(見圖4 和圖5)。從圖4 中可以明顯看出，三軸壓縮過(guò)程中石灰?guī)r存在4 條頻率特征帶。第一條頻率特征帶分布在75 ～90 kHz，第二條分布在175 ～190 kHz，第三條集中在280 ～290 kHz，第四條集中在375 ～390 kHz。對(duì)比這4 條頻率特征帶幅值。從圖5 可以得出，高頻特征帶幅值明顯低于低頻特征帶幅值。其中，＜230 kHz 的中低頻段幅值較大，＞230 kHz 的高頻段幅值較低。

圖4 頻率隨聲發(fā)射波形系列變化圖

圖5 幅值隨聲發(fā)射波形系列變化圖

5 結(jié) 語(yǔ)

石灰?guī)r三軸壓縮全應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程的聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后聲發(fā)射測(cè)試底盤能較完整記錄巖石壓縮變形破壞過(guò)程中聲發(fā)射活動(dòng)。在破壞前聲發(fā)射活躍是所有巖石在外力作用下的共性。根據(jù)聲發(fā)射頻譜結(jié)果，＜230 kHz 的中低頻段幅值較大;＞230 kHz 的高頻段幅值較低。在中低頻段有相對(duì)集中的主頻，約175 ～190 kHz 及75 ～90 kHz。頻譜分析表明加載初期的聲發(fā)射信號(hào)低頻低幅值成分較多，而在破壞前高頻(低幅值)和低頻(高幅值)的幅值都有所增加。聲發(fā)射活動(dòng)劇烈程度與試件的損傷相對(duì)應(yīng)，而并不是直接與試件的端面應(yīng)力對(duì)應(yīng)。

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