王文麗，王 春，周宗紅

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院，昆明650051；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙410083；3.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明650093）

單軸壓縮條件下白云質(zhì)灰?guī)r聲發(fā)射特性

王文麗1，王 春2，3，周宗紅3

（1.中國有色金屬工業(yè)昆明勘察設(shè)計研究院，昆明650051；2.中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長沙410083；3.昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，昆明650093）

采用完整性、均勻性都較好的白云質(zhì)灰?guī)r進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗，試驗采用型號為TAW-2000B的數(shù)字控制式電液伺服試驗機(jī)進(jìn)行加載，采用型號為SDAES的數(shù)字聲發(fā)射檢測儀采集聲發(fā)射信號。研究分析試驗后的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，其結(jié)果表明，加載初期AE振鈴計數(shù)值保持在200～300，然后減小處于穩(wěn)定期，最后驟然增加出現(xiàn)最大值；AE能量計數(shù)值經(jīng)歷穩(wěn)定階段后突然增大；AE事件計數(shù)率加載初期出現(xiàn)突變現(xiàn)象，接著處于穩(wěn)定期，加載后期突增并在應(yīng)力達(dá)到巖石單軸抗壓強(qiáng)度的80%～90%時出現(xiàn)最大值；巖石的損傷破壞過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象處于不同的狀態(tài)，說明聲發(fā)射技術(shù)可以用來監(jiān)測巖石的損傷破壞。

白云質(zhì)灰?guī)r；聲發(fā)射；單軸壓縮；振鈴計數(shù)；能量計數(shù)

20世紀(jì)30年代末期，Obert和Duvall發(fā)現(xiàn)巖石受到外部載荷作用時產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象［1］。隨著后來的研究，聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到了礦山開采、巖爆監(jiān)測、巖石損傷探測等領(lǐng)域［2-5］。二里河鉛鋅礦［6］、新塘銅礦大凹子礦段［7］、雷家寨銅多金屬礦［8］、滇灘水城螢石礦［9］、瓦廠鐵銅礦［10］等礦山的開采都伴隨著巖石的損傷破壞、采空區(qū)塌陷、礦柱失穩(wěn)等潛在問題。銅坑礦92＃礦體裂隙礦巖巷道支護(hù)［11］、高應(yīng)力動態(tài)沖擊荷載下巖石本構(gòu)關(guān)系的研究［12］等也會伴隨巖石損傷破壞。聲發(fā)射技術(shù)的應(yīng)用為上述問題的解決提供了大量的參考依據(jù)。

關(guān)于單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射特性，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。陳宇龍、徐騰飛、潘懿等［13-17］進(jìn)行了大量的單軸壓縮條件下的巖石聲發(fā)射特性的研究，總結(jié)分析了聲發(fā)射事件計數(shù)、能量計數(shù)、振鈴計數(shù)、幅度等信號參數(shù)的變化規(guī)律，為聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到巖石損傷破壞探測領(lǐng)域提供了理論依據(jù)。

1 單軸壓縮聲發(fā)射試驗

1.1 巖樣制備

為研究單軸壓縮條件下白云質(zhì)灰?guī)r聲發(fā)射特性，選取白云質(zhì)灰?guī)r料石，然后經(jīng)過鉆取巖芯、切割、打磨三個步驟加工成符合巖石力學(xué)測試要求的巖樣。單軸壓縮聲發(fā)射試驗選用的巖樣為完整性、均勻性都較好的巖樣。根據(jù)試驗要求，巖樣加工成圓柱形，巖樣長徑比為2︰1，長度100mm，直徑50mm。巖樣打磨后，兩端面的不平行度小于0.02 mm，圓周和端面的不垂直度確保要小于0.02mm。

1.2 試驗設(shè)備

單軸壓縮聲發(fā)射試驗選用型號為TAW-2000B的長春市朝陽試驗儀器有限公司開發(fā)的數(shù)字控制式電液伺服試驗機(jī)進(jìn)行加載。該巖石試驗機(jī)的主要組成部分包括電控箱、控制柜、自平衡壓力室、系統(tǒng)油源、門框式剛性主機(jī)等，其實物圖見圖1。

單軸壓縮聲發(fā)射試驗整個過程中巖樣產(chǎn)生的聲發(fā)射信號通過SDAES數(shù)字聲發(fā)射檢測儀采集，其由北京聲華科技有限公司研制。SDAES聲發(fā)射檢測系統(tǒng)由傳感器、前置放大器、聲發(fā)射采集卡及計算機(jī)四個主要部分組成，其實物圖見圖2。

圖1 單軸壓縮試驗系統(tǒng)實物圖Fig.1 Picture of uniaxial compression test system

1.3 試驗原理

速度入口條件應(yīng)用于入口。兩個相的速度和濃度是給定的值。在出口處施加大氣壓力的壓力出口條件。壁粗糙度設(shè)定為0.02 mm，液相使用無滑移邊界條件，粒子使用Johnson和Jackson部分滑移邊界條件，并將鏡面反射系數(shù)和顆粒-壁面恢復(fù)系數(shù)分別設(shè)置為0.05和0.97。[7]具體參數(shù)設(shè)置見表2。

巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象是指巖石受到外界荷載的作用時，內(nèi)部新舊裂紋萌發(fā)、擴(kuò)展、貫通等，從而使巖石發(fā)生彈性、塑性變形，當(dāng)外界壓力超過巖石能承受的極限時，巖石內(nèi)部存儲的能量便以彈性波的形式釋放出來的現(xiàn)象。研究單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射的數(shù)量、大小、頻率等參數(shù)，可以進(jìn)一步了解巖石變形破壞的過程。單軸壓縮過程中通過粘貼在巖石試件上的聲發(fā)射換能器將聲發(fā)射信號轉(zhuǎn)換成電信號，傳送到前置放大器放大，放大后的信號再傳送到聲發(fā)射信號處理器，形成聲發(fā)射事件、振鈴、能量等參數(shù)，然后輸送給計算機(jī)存儲，其原理示意圖見圖3。

圖2 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實物圖Fig.2 Picture of AE monitoring system

圖3 單軸壓縮聲發(fā)射試驗原理示意圖Fig.3 Sketch map of the AE test principle under uniaxial compression

1.4 試驗方案及步驟

1）試驗方案：單軸壓縮聲發(fā)射試驗的目的是測定壓縮過程中巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象，用來研究巖石的變形破壞情況。試驗采用負(fù)荷加載的方式進(jìn)行加載，加載速率設(shè)定為0.5MPa/s。試驗分為兩組進(jìn)行，每組準(zhǔn)備3個巖樣，試驗前測定巖樣的物理參數(shù)，具體的試驗方案見表1。

表1 單軸壓縮聲發(fā)射試驗方案Table 1 Testing program of AE test under uniaxial compression

2）試驗步驟：單軸壓縮聲發(fā)射試驗在進(jìn)行負(fù)荷加載的同時啟動聲發(fā)射測試系統(tǒng)。試驗主要分6個步驟進(jìn)行。

（1）準(zhǔn)備長度100mm、直徑50mm的白云質(zhì)灰?guī)r巖樣。

（2）檢測應(yīng)變片并將其沿軸向、徑向各粘貼一片在巖樣側(cè)面。

（3）連接、調(diào)試SDAES數(shù)字聲發(fā)射檢測儀系統(tǒng)。

（4）檢測試驗系統(tǒng)是否連接完好。

（5）同時啟動聲發(fā)射系統(tǒng)和加載系統(tǒng)進(jìn)行試驗。

（6）儲存試驗采集的數(shù)據(jù)。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 AE振鈴計數(shù)特性

圖4為單軸壓縮聲發(fā)射試驗中A1、B2、B3巖樣的振鈴計數(shù)—應(yīng)力—時間關(guān)系。從圖4中可以得出，加載初期AE振鈴計數(shù)突增，但總數(shù)值為200～300，說明此時巖樣處于壓密階段，巖石處于彈性變形階段，內(nèi)部裂紋變化相對穩(wěn)定。隨著荷載的不斷增加，AE振鈴計數(shù)保持一段時間近似恒定，說明巖石處于致密過程，能承受靜載荷。但施加荷載達(dá)到白云質(zhì)灰?guī)r抗壓強(qiáng)度的80%～90%時，AE振鈴計數(shù)驟然增加，最大值出現(xiàn)，說明巖石內(nèi)部裂紋開始貫通，宏觀破壞即將形成。最后靜載荷施加到一定值時，巖樣突然破裂，巖樣破碎呈條狀。

2.2 AE能量計數(shù)特性

單軸壓縮聲發(fā)射試驗中的AE能量計數(shù)可以用來反映聲發(fā)射事件的強(qiáng)度。圖5為AE能量計數(shù)—應(yīng)力—時間關(guān)系圖。圖中A1巖樣0～35s時，AE能量計數(shù)增加較快，說明此時巖樣產(chǎn)生的聲發(fā)射強(qiáng)度越來越強(qiáng)。35～90s時，AE能量計數(shù)值較小，且變化范圍較窄，說明巖樣此時間段處于穩(wěn)定狀態(tài)。90～100s時，AE能量計數(shù)值驟然增大，說明巖樣發(fā)生了宏觀破壞。B2、B3巖樣只在加載的后期出現(xiàn)AE能量計數(shù)值增大現(xiàn)象，其它時間段都相對穩(wěn)定，說明B2、B3巖樣內(nèi)部的微裂紋不同于A1巖樣，從而造成試驗中產(chǎn)生不同的現(xiàn)象。

圖4 AE振鈴計數(shù)-應(yīng)力-時間關(guān)系Fig.4 Relationship of AE ring count-stress-time

圖5 AE能量計數(shù)-應(yīng)力-時間關(guān)系Fig.5 Relationship of AE energy count-stress-time

從A1、B2、B3巖樣AE能量計數(shù)—應(yīng)力—時間關(guān)系的變化情況可以得出，巖石加載的初期產(chǎn)生的聲發(fā)射強(qiáng)度較小，說明巖石內(nèi)部微裂紋處于壓密階段，巖石產(chǎn)生的是彈性變形，無新裂紋產(chǎn)生。但隨著應(yīng)力的增加，巖樣內(nèi)部存儲的能量越來越多，導(dǎo)致產(chǎn)生的聲發(fā)射強(qiáng)度逐漸增大。

2.3 AE事件計數(shù)率特性

通過對單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射試驗采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制了AE事件計數(shù)率—應(yīng)力—時間曲線，見圖6。圖6中，AE事件計數(shù)率—應(yīng)力—時間關(guān)系可以分為三個主要階段進(jìn)行分析，加載初期、加載中期、加載后期，對應(yīng)的應(yīng)力分別為巖石單軸抗壓強(qiáng)度的5%～15%、20%～60%、70%～90%。

圖6 AE事件計數(shù)率-應(yīng)力-時間關(guān)系Fig.6 Relationship of AE events count rate-stress-time

1）加載初期：產(chǎn)生少量的聲發(fā)射事件，聲發(fā)射活動突變現(xiàn)象明顯。究其原因是，在較低的靜載荷下，巖石內(nèi)部的微裂紋逐漸閉合，閉合的過程中會導(dǎo)致完整性極差的微裂面發(fā)生破壞，產(chǎn)生不同強(qiáng)度的聲發(fā)射。

2）加載中期：聲發(fā)射活動相對較少，其原因是巖石承受的荷載未達(dá)到巖石的屈服強(qiáng)度，巖石主要處于彈性變形階段，巖石內(nèi)部微裂紋處在休眠狀態(tài)，但仍會有些已經(jīng)閉合的微裂紋表面間會產(chǎn)生滑移現(xiàn)象，產(chǎn)生少量的聲發(fā)射事件。

3）加載后期：聲發(fā)射活動活躍，當(dāng)應(yīng)力為巖石單軸抗壓強(qiáng)度的80%～90%時，產(chǎn)生大量的聲發(fā)射事件。其原因為隨著應(yīng)力的不斷增加，巖石試樣內(nèi)部開始形成新的裂紋，試樣同時也出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象，巖石發(fā)生了宏觀破壞。

3 結(jié)論

通過單軸壓縮聲發(fā)射試驗研究白云質(zhì)灰?guī)r在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特性，試驗結(jié)束后認(rèn)真分析數(shù)據(jù)，得出如下結(jié)論。

1）加載初期AE振鈴計數(shù)值在200～300，接著保持恒定，最后當(dāng)巖石處于宏觀破壞階段時AE振鈴計數(shù)值驟然增加，最大值出現(xiàn)。

2）巖石加載的初期，內(nèi)部微裂紋處于壓密階段，產(chǎn)生的聲發(fā)射強(qiáng)度小，隨巖石內(nèi)部儲存能量不斷加大，AE能量計數(shù)值經(jīng)歷休眠階段后突然增大，說明加載后期聲發(fā)射現(xiàn)象活躍。

3）通過聲發(fā)射計數(shù)率總結(jié)，加載初期有少量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生，并出現(xiàn)突變現(xiàn)象；加載中期聲發(fā)射現(xiàn)象處于休眠狀態(tài)；加載后期聲發(fā)射活動活躍，尤其應(yīng)力達(dá)到巖石單軸抗壓強(qiáng)度的80%～90%時，產(chǎn)生大量的聲發(fā)射事件，說明此時巖石處于宏觀破壞狀態(tài)。

［1］袁振明，馬羽寬，何澤云.聲發(fā)射技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［2］王恩元，何學(xué)秋，李忠輝，等.煤巖電磁輻射技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，2009.

［3］騰山邦久.聲發(fā)射（AE）技術(shù)的應(yīng)用［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

［4］王 春.會澤鉛鋅礦白云質(zhì)灰?guī)r力學(xué)特性試驗研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2013.

［5］何文秀，趙其華，張海泉.三軸壓縮條件下玄武巖變形破壞與聲發(fā)射特征［J］.甘肅水利水電技術(shù)，2015，51（5）：26-29.

［6］趙林海，王 春，王文麗，等.房柱法在二里河鉛鋅礦的典型應(yīng)用［J］.金屬礦山，2013（12）：20-22.

［7］王文麗，王 春.新塘銅礦大凹子礦段采礦方法方案探討［J］.礦冶，2013，22（2）：29-32.

［8］王文麗，王 春.雷家寨銅多金屬礦采礦方法選擇探討［J］.有色金屬（礦山部分），2013，65（3）：29-32.

［9］王文麗.分層崩落采礦法在滇灘水城螢石礦的應(yīng)用［J］.金屬礦山，2013（4）：40-42.

［10］王 春，周宗紅.分層崩落采礦法在瓦廠鐵銅礦的應(yīng)用［J］.礦冶，2013，22（1）：33-36.

［11］王 雷，王 春，程露萍，等.銅坑礦92＃礦體裂隙礦巖巷道支護(hù)研究［J］.有色金屬（礦山部分），2015，67（2）：67-70.

［12］王 春，唐禮忠，程露萍，等.一維高應(yīng)力及重復(fù)沖擊共同作用下巖石的本構(gòu)模型［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2015，34（增刊1）：2868-2878.

［13］黎 昕，周宗紅，金小川，等.白云巖單軸壓縮試驗聲發(fā)射特性研究［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2013，9（10）：10-14.

［14］陳宇龍，魏作安，許 江，等.單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射特性的實驗［J］.煤炭學(xué)報，2011，36（增刊2）：237-240.

［15］徐騰飛，謝 妮，張曉華，等.單軸壓縮條件下砂巖的聲發(fā)射特征研究［J］.中國礦業(yè)，2015，24（6）：147-150.

［16］潘 懿，唐紹輝，文 興，等.單軸壓縮條件下巖石損傷過程的聲發(fā)射實驗研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2011，31（6）：56-59.

［17］吳永勝，余賢斌.單軸壓縮條件下巖石聲發(fā)射特性的實驗研究［J］.礦業(yè)研究與開發(fā)，2008，28（10）：25-28.

The acoustic emission characteristics of dolomitic limestone under uniaxial compression

WANG Wenli1，WANG Chun2，3，ZHOU Zonghong3
（1.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry，Kunming 650051，China；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；3.Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

Acoustic emission test under uniaxial compression is done on dolomitic limestone with well integrity and homogeneity.TAW-2000B digital controlled electro-hydraulic servo testing machine is used for loading，and SDAES digital acoustic emission detector is used for collecting acoustic emission signal.The results show that AE ring count is maintained at 200～300，and then decreased in stability，finally had a sudden increase to the maximum；AE energy count suddenly increases after a period of stability；the sudden change of AE events count rate is observed during the initiation of loading，then AE events count is in the plateau，finally it has a sudden increase in the maximum when the stress get up to 80%～90%of the uniaxial compressive strength of rock.The acoustic emission phenomenon has different states when the rock is in different damage process.The phenomenon shows that acoustic emission technique can be used to monitor the rock damage.

dolomitic limestone；acoustic emission；uniaxial compression；ring-down count；energy count

TD315

Α

1671-4172（2015）06-0049-04

王文麗（1972-），女，工程師，采礦工程專業(yè)，主要從事采礦工程設(shè)計工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.010