向天元,謝學斌,周瀚

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

?

單軸壓縮及劈裂條件下巖石的聲發(fā)射特性試驗研究

向天元,謝學斌,周瀚

(中南大學 資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083)

利用INSTRON電液伺服萬能試驗機和PCI-2型多通道聲發(fā)射測試系統(tǒng)，對取自盤龍鉛鋅礦的圍巖、未風化礦體和微風化礦體制成的試件分別進行單軸壓縮和劈裂試驗。研究結果表明：單軸壓縮時，圍巖和未風化礦體的聲發(fā)射能率分別集中在彈性階段中后期和彈性階段，進入塑性階段后兩者的聲發(fā)射能率均明顯減少；微風化礦體在受壓全過程聲發(fā)射能率豐富；未風化礦體和微風化礦體的聲發(fā)射累計數和能量分別最低、最高。劈裂加載時，3種巖樣的聲發(fā)射能率在時序上的變化規(guī)律與其應力在時序上的變化規(guī)律相一致，聲發(fā)射能率能反映巖石在受拉狀態(tài)下內部損傷的演化趨勢；圍巖和微風化礦體的聲發(fā)射累計數和能量分別最高、最低。單軸壓縮下巖樣的能量高于聲發(fā)射累計數，而劈裂時巖樣的能量與聲發(fā)射累計數大致相同；單軸壓縮下巖樣的聲發(fā)射累計數和能量遠遠比劈裂時高。

巖石；單軸壓縮；劈裂；聲發(fā)射

聲發(fā)射是指材料在受到外荷載作用時內部貯存的應變能快速釋放產生彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射作為一種動態(tài)檢驗方法，可以連續(xù)、實時地監(jiān)測脆性材料在荷載作用下內部的損傷演化，被廣泛用于研究脆性材料的失穩(wěn)破裂演化過程[1-2]。近年來，越來越多的研究者開展了不同的試驗方法和試樣種類的巖石聲發(fā)射室內實驗研究，如單軸及單軸加卸載試驗[3-6]、三軸及三軸卸圍壓試驗[7-9]和疲勞試驗[10-11]等。在礦山工程中，巖石承受的最小主應力大于其抗拉強度時將發(fā)生拉伸破壞，如巷道頂板冒落就與拉應力密切相關，給礦山安全生產造成嚴重威脅，因此許多研究者展開了不同巖石在直接拉伸和間接拉伸條件下巖石的聲發(fā)射特征研究[12-15]，揭示了巖石在拉應力狀態(tài)下的破壞機制和聲發(fā)射特性。目前，國內關于不同巖石的聲發(fā)射特性研究很多，但將已風化巖石和未風化巖石作對比研究的試驗還較少。為研究盤龍鉛鋅礦不同性質的礦巖的聲發(fā)射特性，對取自礦區(qū)的圍巖、未風化礦體及微風化礦體進行單軸壓縮和劈裂試驗，分析探討3種巖樣在不同加載條件下的聲發(fā)射活動規(guī)律及微觀破裂機制，為進一步研究和揭示井下動力災害演化過程及災害發(fā)生機制提供判斷依據。

1　試驗方案及內容

1.1試樣制備

試驗巖樣取自盤龍鉛鋅礦，分為圍巖、未風化礦體及微風化礦體3組，其中圍巖組取自采場頂、底板的白云巖，未風化礦體組取自采場的新鮮鉛鋅礦礦體，微風化礦體組取自在采場存放時間約1～2 a的鉛鋅礦體。3組巖樣各有6個試樣，6個試樣中的3個單軸壓縮試樣為50 mm× 50 mm×100 mm的標準長方體，3個受拉試樣為Φ50 mm×50 mm的標準圓柱體。圍巖組的平均密度為2.85 g/cm3，未風化礦體組的平均密度為4.33 g/cm3，微風化礦體組的平均密度為3.01 g/cm3，未風化礦體組的含礦率大于微風化礦體組。試件兩端面不平整度誤差小于0.05 mm，沿高度方向兩對邊長度誤差小于0.3 mm，符合工程巖體試驗方法標準。

1.2試驗設備

單軸壓縮試驗的加載系統(tǒng)采用中南大學的INSTRON—1346電液伺服萬能試驗機，試驗時加載速度為0.08 mm/min。劈裂試驗的加載系統(tǒng)采用中南大學的INSTRON—1342電液伺服萬能試驗機，試驗時加載速度為1.0～1.5 mm/min。聲發(fā)射測試系統(tǒng)均為美國物理聲學公司(PAC)生產的PCI—2型多通道聲發(fā)射測試系統(tǒng)。聲發(fā)射測試系統(tǒng)門檻值和前置放大增益均設為40 dB，采樣頻率為1～3 kHz。聲發(fā)射傳感器為R6α型諧振式高靈敏度傳感器。試驗時位移、荷載及聲發(fā)射采集系統(tǒng)同步進行，以保證單軸壓縮、劈裂試驗分別與聲發(fā)射試驗在時間上嚴格對應。試驗裝置實物圖如圖1所示。

圖1　試驗裝置圖Fig.1 Experimental equipments

2　試驗結果及分析

2.1單軸壓縮試驗結果分析

表1為3組巖樣在單軸壓縮條件下測得的力學參數和聲發(fā)射參數，其中聲發(fā)射累計數(ΣN)是指巖樣破壞全過程的聲發(fā)射總計數，聲發(fā)射累計能量(ΣE)是指巖樣破壞全過程的聲發(fā)射能量計數。從表中可知，圍巖組的抗壓強度和彈性模量波動范圍很小，說明圍巖組均勻性較好；未風化礦體組因礦化差異，各試樣的抗壓強度和彈性模量也相差較大，非均質特征明顯；微風化礦體組含礦率雖低，但各試件受風化作用影響程度不同使其抗壓強度和彈性模量離散較大，非均質特征很明顯。由表1可知，微風化礦體組的聲發(fā)射累計數和聲發(fā)射累計能量最高，且該組各試件之間聲發(fā)射水平相差很大；未風化礦體組雖非均質特征明顯，但各試件之間聲發(fā)射水平相差較??；而圍巖組均勻性較好，各試件之間聲發(fā)射水平相差不大；可見，風化作用對礦巖的聲發(fā)射特性有很大影響。

反映巖石聲發(fā)射特征有多個參數，現(xiàn)采用聲發(fā)射能率(E)進一步分析3組巖樣在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特性。圖2～4分別為圍巖W1-1，未風化礦體K1-1和微風化礦體F1-2的聲發(fā)射能率-時間-應力曲線(每組巖樣選取一個代表性試件進行分析)，從圖中可知，3組試樣在受壓破壞過程中聲發(fā)射特征存在相同點：1)在受壓過程中均有聲發(fā)射產生，即未出現(xiàn)破壞前的平靜期，這說明在單軸壓縮過程中巖樣內始終有微裂紋產生、擴展；2)聲發(fā)射能率峰值出現(xiàn)在應力峰值附近，部分試件在臨近峰值應力時聲發(fā)射活動明顯下降，這與其他研究者所得結果一致[4,9]。目前，關于巖石破壞前聲發(fā)射活動突然下降或相對平靜的現(xiàn)象還沒有統(tǒng)一定論，仍需進行大量的試驗來研究和探討。

表1　單軸壓縮下巖樣的試驗結果

在圖2～4中，不同試樣的聲發(fā)射能率-時間-應力曲線也存在不同點。

圖2　圍巖W1-1單軸壓縮能率-時間-應力關系曲線Fig.2 Curves of stress and energy rate with time in uniaxial compression test for sample W1-1

圖3　未風化礦體K1-1單軸壓縮能率-時間-應力關系曲線Fig.3 Curves of stress and energy rate with time in uniaxial compression test for sample K1-1

圖4　微風化礦體F1-2單軸壓縮能率-時間-應力關系曲線Fig.4 Curves of stress and energy rate with time in uniaxial compression test for sample F1-2

1)圍巖的聲發(fā)射能率集中在彈性階段的中后期，突變點較多，部分突變點的能率值接近能率峰值。分析其原因，主要是圍巖的均勻性比未風化礦體和微風化礦體好，在加載初期和彈性階段前期表現(xiàn)出能量很低的聲發(fā)射，由材料試驗機傳遞的能量被圍巖內部慢慢吸收和積累，直至進入彈性階段中后期，圍巖的應力和應變越來越接近峰值，微裂紋的發(fā)展進入活躍階段，其所吸收的能量通過巖石形成宏觀破裂面快速釋放，此時能聽到巖石損傷時發(fā)出的巨響。

2)未風化礦體的聲發(fā)射能率均集中在彈性階段，突變點少，原因是未風化礦體成分比圍巖復雜，均勻性比圍巖低，局部單元強度不一，故進入彈性階段后強度較低的局部就開始有微裂紋產生和擴展，所吸收和積累的能量逐漸釋放，聲發(fā)射能率開始快速增長，但沒有像圍巖那樣突然釋放應變能，故能率突變點少。

3)圍巖和未風化礦體的聲發(fā)射能率在彈性階段后期到達峰值，進入塑性階段后聲發(fā)射能率反而下降，標志圍巖和未風化礦體破壞的前兆。進入塑性階段后，圍巖和未風化礦體均有宏觀裂紋，而聲發(fā)射信號開始下降，這說明圍巖和未風化礦體在彈性后期已有大量微裂紋擴展并貫通，且兩者在峰值荷載后均立即失去承載力，表現(xiàn)出脆性破壞特征。

4)微風化礦體的聲發(fā)射能率在加載初期明顯高于圍巖和未風化礦體，進入彈性階段后，聲發(fā)射能率繼續(xù)增長，但增長幅度有限，有少量的突變點，突變點的能率值不高；進入塑性階段后，微風化礦體的能率突變點明顯增多，且突變點的能率值大部分接近能率峰值；與圍巖和未風化礦體不同的是，峰值應力后，微風化礦體表現(xiàn)出一定的“延性”，其承載力緩慢下降，聲發(fā)射活動也逐漸減少。分析原因，主要是微風化礦體受風化影響，內部原生裂紋較多且結構單元強度分布不均，一開始聲發(fā)射信號就比圍巖和未風化礦體豐富。進入彈性階段后，微風化礦體內的微裂紋持續(xù)產生和擴展，聲發(fā)射活動十分活躍。進入塑性階段后，微風化礦體聲發(fā)射能率持續(xù)增長直至峰值，這點與圍巖和未風化礦體不同，這與該巖樣的內部結構有關。巖樣在加載完畢后十分破碎，表面呈片狀剝落，中部有橫向膠結層，破壞后試件沿該膠結橫斷面裂開，其破壞形態(tài)如圖5所示。在塑性階段橫向的膠結層使微風化礦體中的微裂紋只能局部貫通，形成大小不一的碎塊，各碎塊之間相互擠壓摩擦使微裂紋進一步發(fā)展，巖石更為破碎，聲發(fā)射信號也繼續(xù)產生。到達峰值強度后，微風化礦體各碎塊相互滑移、剝落，聲發(fā)射信號減少，巖石承載力逐漸下降。

圖5　微風化礦體F1-2破壞形態(tài)Fig.5 Failure mode of sample F1-2

2.2劈裂試驗結果分析

表2為圍巖、未風化礦體和微風化礦體在劈裂條件下的試驗結果，從巖樣的抗拉強度來看圍巖的離散性比其他兩組巖樣小，表明圍巖的均質性比未風化礦體和微風化礦體好，這點與單軸壓縮情況相同。從聲發(fā)射累計數和能量來看，圍巖W3-3和未風化礦體K3-1明顯比其他試件高，這與2個試件的破壞形態(tài)有關。圖6中從左至右依次為圍巖W3-3，未風化礦體K3-1和微風化礦體F3-1劈裂破壞形態(tài)圖，從圖中可看出，圍巖W3-3劈裂破壞后有2條宏觀裂縫，未風化礦體K3-1劈裂破壞后裂縫呈“S”型，而其他試件劈裂破壞形態(tài)與微風化礦體F3-1一樣，均只有1條徑向直線形裂縫，這說明圍巖W3-3和未風化礦體K3-1的破裂面面積明顯大于其他試件，而宏觀破裂面的產生過程中伴隨聲發(fā)射，因此圍巖W3-3和礦體K3-1的聲發(fā)射累計數和能量明顯高于其他試件，而其他試件的聲發(fā)射累計數和能量相差相對較小，這使圍巖組的平均聲發(fā)射累計數和能量最高，微風化礦體的平均聲發(fā)射累計數和能量最低。

為進一步了解3組巖樣在劈裂試驗下的聲發(fā)射特性，對3組巖樣的聲發(fā)射能率進行分析。圖7～9分別是圍巖W3-2，未風化礦體K3-1和微風化礦體F3-1的聲發(fā)射能率-時間-應力曲線(每種巖樣選取一個代表性試件進行分析)，從圖中可見：3種巖樣在劈裂條件下有相同的聲發(fā)射特征：在劈裂加載全過程中聲發(fā)射能率隨應力的增加而增長，能率-時間曲線和應力-時間曲線比較接近，能率與應力同時到達峰值，即破壞時能率最大。

表2　劈裂條件下巖樣的試驗結果

圖6　圍巖W3-3、未風化礦體K3-1和微風化礦體F3-1劈裂破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of sample W3-3,sample K3-1 and sample F3-1

圖7　圍巖W3-2劈裂能率-時間-應力曲線Fig.7 Curves of stress and energy rate with time in Brazilian test for sample W3-2

圖8　未風化礦體K3-1劈裂能率-時間-應力曲線Fig.8 Curves of stress and energy rate with time in Brazilian test for sample K3-1

從圖7～9發(fā)現(xiàn)，應力隨時間的變化規(guī)律與能率隨時間的變化規(guī)律是一致的。圍巖W3-2應力隨時間增長的速度較均勻，在加載后期增長速度才加快，其能率在加載前半段隨時間增長的速度亦較均勻，隨后增長速度有小幅波動，繼續(xù)加載，能率增長速度也加快。未風化礦體K3-1和微風化礦體F3-1在加載初期應力隨時間增長十分緩慢，隨荷載的增加，應力隨時間的增長速度明顯增大；未風化礦體K3-1在加載初期的能率增長幅度很小，加載至應力增長速度加快的時間點時其能率增長幅度也明顯增大，在加載后期應力-時間曲線上出現(xiàn)的凸起點幾乎同時出現(xiàn)在能率-時間曲線上；微風化礦體的能率在加載初期增長幅度與其應力相一致，在應力增長速度加快的時間點增長幅度也明顯增大。

圖9　微風化礦體F3-1劈裂條件下能率-時間-應力關系曲線Fig.9 Curves of stress and energy rate with time in Brazilian test for sample F3-1

由3組巖樣的聲發(fā)射能率和應力隨時間的變化規(guī)律可知，在劈裂條件下，巖石的聲發(fā)射能率在時序上的變化能反映巖石內部損傷在時序上的演變規(guī)律，這可為現(xiàn)場判斷巖石受拉失穩(wěn)提供依據。

2.32種試驗結果對比分析

比較表1和表2可知，3組巖樣在單軸壓縮下和劈裂下的聲發(fā)射累計數和能量相差很大，單軸壓縮下巖樣的聲發(fā)射累計數和能量明顯偏高；而比較圖2～4和圖7～9可知，巖樣在單軸壓縮和劈裂條件下的聲發(fā)射能率峰值均在60 000～70 000之間，相差較小。分析其原因，主要是劈裂試驗的加載速度很大，而巖樣的抗拉強度遠遠低于其抗壓強度，故單軸壓縮加載時間遠遠大于劈裂加載時間，單軸壓縮下巖樣產生的損傷也遠遠比劈裂條件下多并通過聲發(fā)射累計數和能量表現(xiàn)出來。

從表1來看，單軸壓縮下每組巖樣的平均聲發(fā)射累計數比平均能量低；從表2來看，劈裂條件下每組巖樣的平均聲發(fā)射累計數與平均能量大致相同。

3　結論

1)單軸壓縮條件下，微風化礦體受風化影響，其聲發(fā)射累計數和能量最高，聲發(fā)射活動最劇烈，未風化礦體的聲發(fā)射累計數和能量最低；劈裂條件下，圍巖和微風化礦體的聲發(fā)射累計數和能量分別最高、最低；3組巖樣在單軸壓縮下的聲發(fā)射累計數和能量遠遠比劈裂條件下高；單軸壓縮時每組巖樣的平均能量高于其平均聲發(fā)射累計數，而劈裂條件下每組巖樣的平均聲發(fā)射累計數和平均能量大致相同。

2)單軸壓縮條件下，圍巖的聲發(fā)射能率集中在彈性階段中后期，能率突變點多；未風化礦體的聲發(fā)射能率集中在彈性階段；圍巖和未風化礦體進入塑性階段后聲發(fā)射能率均明顯下降，標志巖石破壞的前兆。微風化礦體在加載初期的聲發(fā)射能率比圍巖和未風化礦體高，在彈性階段聲發(fā)射活動相對穩(wěn)定，進入塑性階段后聲發(fā)射能率持續(xù)增長至峰值，到峰值應力后，微風化礦體表現(xiàn)出一定的“延性”，其承載力緩慢下降，聲發(fā)射活動逐漸減少。

3)劈裂條件下，圍巖、未風化礦體和微風化礦體的聲發(fā)射能率在時序上的變化規(guī)律和其應力在時序上的變化規(guī)律一致，聲發(fā)射能率能反映巖石在受拉狀態(tài)下內部損傷的演化趨勢，現(xiàn)場可采用聲發(fā)射能率來預測和判斷巖石的受拉失穩(wěn)破壞。

[1] Lockner D A. The role of acoustic emission in the study of rock failure [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining & Geomechanics Abstracts, 1993,30(7):883-899.

[2] Lockner D A, Byerlee J D, Kuksenko V, et al. Quasi-static fault growth and shear fracture energy in granite [J]. Nature,1991,350(7):39-42.

[3] 曾憲濤,姜耀東,王宏偉，等.單軸壓縮條件下煤巖體聲發(fā)射特性研究[J].煤炭工程,2015，47(2):75-77，81.

ZENG Xiantao, JIANG Yaodong, WANG Hongwei, et al. Study on acoustic emission characteristics of coal and rock mass under uniaxial compression [J].Coal Engineering, 2015，47(2):75-77，81.

[4] 張茹，謝和平，劉建峰，等.單軸多級加載巖石破壞聲發(fā)射特性試驗研究[J].巖石力學與工程學報, 2006,25(12):2584-2588.

ZHANG Ru, XIE Heping, LIU Jianfeng, et al. Experimental study on AE characteristics of rock failure under uniaxial multilevel loadings[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2006,25(12):2584-2588.

[5] 徐速超,馮夏庭,陳炳瑞.矽卡巖單軸循環(huán)加卸載試驗及聲發(fā)射特性研究[J].巖土力學, 2009,30(10):2929-2934.

XU Suchao，F(xiàn)EN Xiating，CHEN Bingrui. Experimental study of skarn under uniaxial cyclic loading and unloading test and acoustic emission characteristics [J]. Rock and Soil Mechanics, 2009,30(10):2929-2934.

[6] 包春燕,姜諳男,唐春安，等.單軸加卸載擾動下石灰?guī)r聲發(fā)射特性研究[J].巖石力學與工程學報,2011,30(增2):3871-3877.

BAO Chunyan, JIANG Annan, TANG Chunan, et al. Study of acoustic emission characteristics of limestone under cycle uniaxial loading-unloading perturbation[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011,30(Suppl2):3871-3877.

[7] 楊永杰,王德超,郭明福，等.基于三軸壓縮聲發(fā)射試驗的巖石損傷特征研究[J].巖石力學與工程學報,2014，33(1):98-104.

YANG Yongjie, WANG Dechao, GUO Mingfu, et al. Study of rock damage characteristics based on AE tests under triaxial compression [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014,33(1):98-104.

[8] 張黎明,王在泉,石磊，等.不同應力路徑下大理巖破壞過程的聲發(fā)射特性[J].巖石力學與工程學報,2012(6):1230-1236.

ZHANG Liming, WANG Zaiquan, SHI Lei, et al. Acoustic emission characteristics of marble during failure process under different stress paths [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2012,31(6):1230-1236.

[9] 李庶林,唐海燕.不同加載條件下巖石材料破裂過程的聲發(fā)射特性研究[J].巖土工程學報, 2010，32(1):147-152.LI Shulin,TANG Haiyan. Acoustic emission characteristics in failure process of rock under different uniaxial compressive loads [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010，32(1):147-152.

[10] 許江,唐曉軍,李樹春，等.周期性循環(huán)載荷作用下巖石聲發(fā)射規(guī)律試驗研究[J].巖土力學,2009，30(5):1241-1246.

XU Jiang, TANG Xiaojun, LI Shuchun, et al. Experimental research on acoustic emission rules of rock under cyclic loading [J]. Rock and Soil Mechanics,2009，30(5):1241-1246.

[11] 李楠,王恩元,趙恩來，等.巖石循環(huán)加載和分級加載損傷破壞聲發(fā)射實驗研究[J].煤炭學報,2010，35(7):1099-1103.

LI Nan, WANG Enyuan, ZHAO Enlai, et al. Experiment on acoustic emission of rock damage and fracture under cyclic loading and multi-stage loading [J]. Coal Engineering,2010，35(7):1099-1103.

[12] 劉建鋒,徐進,楊春.鹽巖拉伸破壞力學特性的試驗研究[J].巖土工程學報,2011,33(4):580 -586.

LIU Jianfeng, XU Jin, YANG Chun. Mechanical characteristics of tensile failure of salt rock [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011,33(4):580-586.

[13] 李天一，劉建鋒，陳亮.拉伸應力狀態(tài)下花崗巖聲發(fā)射特征研究[J].巖石力學與工程學報,2013,32(增2):3215-3221.

LI Tianyi, LIU Jianfeng, CHEN Liang. Acoustic emission characteristics of granite under tensile loading [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2013,32(Suppl 2):3215-3221.

[14] 李果,艾婷,于斌，等.不同巖性巴西劈裂試驗的聲發(fā)射特征[J].煤炭學報,2015，40(4):870-881.

LI Guo, AI Ting, YU Bin, et al. Acoustic emission characteristics of different lithologies under Brazilian splitting [J]. Coal Engineering,2015，40(4):870-881.

[15] 余賢斌,謝強,李心一,等.直接拉伸、劈裂及單軸壓縮試驗下巖石的聲發(fā)射特性[J].巖石力學與工程學報,2007,26(1):137-142.

YU Xianbin, XIE Qiang, LI Xinyi, et al. Acoustic emission of rocks under direct tension, brazilian and uniaxial compression[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2007,26(1):137-142.

Experimental study on AE characteristics of rocks under Brazilian and uniaxial compression

XIANG Tianyuan, XIE Xuebin, ZHOU Han

(School of Resources and Safety Engineering，Central South University, Changsha 410083, China)

By virtue of INSTRON electro-hydroulic servo universal testing machine and PCI-2 acoustic emission testing system, uniaxial compressive and Brazilian tests were carried out with 3 different rocks. The results show that in uniaxial compression test AE energy rate of surrounding rock and unweathered orebody are respectively concentrated in the middle-late period of elastic phase and elastic phase, but both significantly decreased in the plastic phase. The AE energy rate of lightly weathered orebody is rich all the time and its’ accumulated AE counts and energy are highest while unweathered orebody’s are lowest in uniaxial compression test. In Brazilian test, the changes over time of AE energy rate are in accordance with the changes of stress, which shows that AE energy rate indicates the change trend of damage inside rock. The accumulated AE counts and energy of rocks under uniaxial compression are much higher than those of rocks under Brazilian splitting.

rock; uniaxial compression; Brazilian splitting; acoustic emission

2015-10-25

國家自然科學基金資助項目(51374246)；湖南省科技劃項目(2013FJ6002)

謝學斌(1968-)，男，湖南祁東人，教授，博士，從事巖土工程科技及教學工作；E-mail：xbxie@csu.edu.cn

TU45

A

1672-7029(2016)08-1528-07