周永偉， 張鵬海， 趙永川， 熊少雄， 劉 剛， 秦 濤

(1.遼寧有色勘察研究院， 沈陽 110002； 2.東北大學 資源與土木工程學院， 沈陽 110819; 3.黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室， 哈爾濱 150022)

巖石破壞過程中聲發(fā)射波形參數(shù)的變化規(guī)律

周永偉1， 張鵬海2， 趙永川2， 熊少雄2， 劉 剛3， 秦 濤3

(1.遼寧有色勘察研究院， 沈陽 110002； 2.東北大學 資源與土木工程學院， 沈陽 110819; 3.黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室， 哈爾濱 150022)

為揭示巖石破壞機制，通過蝕變花崗片麻巖單軸壓縮聲發(fā)射實驗，分析巖石破裂過程中平均頻率及上升角度倒數(shù)的變化規(guī)律，并依據其分布特征研究裂紋的破裂類型、拉伸與剪切裂紋所占比例的變化情況。結果表明：平均頻率在巖石受力過程中出現(xiàn)上升-下降-波動的變化趨勢，而上升角度倒數(shù)在巖石受力過程中出現(xiàn)小幅波動-突增-波動的變化趨勢。平均頻率明顯下降及上升角度倒數(shù)的突增可作為巖石處于較高應力水平的標志。剪切裂紋所占的比例隨著應力的增加呈先降低再升高的趨勢。在巖石破壞前，剪切裂紋的比例出現(xiàn)突增，最高可超過50%。該研究可為巖石破壞前兆的判斷提供可靠依據。

蝕變花崗片麻巖； 破裂； 聲發(fā)射； 平均頻率； 上升角度倒數(shù)

巖石破壞的實質是其內部微裂紋萌生、擴展直至形成宏觀斷裂面的過程。聲發(fā)射是一種裂紋萌生、擴展的伴生現(xiàn)象。通過對聲發(fā)射信號的采集及分析可以幫助了解巖石內裂紋的數(shù)量、位置、尺度及類型[1-3]。巖石中的裂紋一般可分為拉伸、剪切及混合三種類型。矩張量分析是一種較常用的裂紋類型區(qū)分手段，其中簡化格林函數(shù)法(SiGMA)是一種十分有效的矩張量分析方法[4-5]，該方法不僅可以區(qū)分裂紋類型，還可以獲得裂紋的傾向、傾角，因此，被許多學者應用于巖石破裂機制的研究中[6-7]。一些學者還利用波的初動極性對裂紋類型進行區(qū)分，比如拉伸裂紋產生的聲發(fā)射波的初動應該是壓縮的，考慮初動極性識別的誤差，一般將壓縮比例大于75%的聲發(fā)射源歸類為拉伸裂紋。以上兩種方法均以定位聲發(fā)射源為前提，考慮到巖石受載過程中大多數(shù)破裂并不能被定位[8-9]，所以利用該方法區(qū)分裂紋類型顯然舍棄了大量聲發(fā)射數(shù)據。

為充分利用采集的聲發(fā)射數(shù)據，可用聲發(fā)射波形參數(shù)來區(qū)分裂紋類型[10]。一些類巖石材料的聲發(fā)射實驗表明[11]，拉伸型裂紋對應的平均頻率較高、上升角度倒數(shù)較低，而剪切型裂紋對應的平均頻率較低、上升角度倒數(shù)較高。因此，平均頻率及上升角度倒數(shù)可用于區(qū)分裂紋類型。目前，關于平均頻率及上升角度倒數(shù)用于區(qū)分巖石材料裂紋類型的研究還少有報道。針對該問題，文中進行了蝕變花崗片麻巖的聲發(fā)射實驗，分析聲發(fā)射波形參數(shù)平均頻率、上升角度倒數(shù)的變化規(guī)律以及裂紋的破裂類型，以期揭示巖石破壞前的聲發(fā)射前兆現(xiàn)象及破壞機制。

1 聲發(fā)射實驗

將從河北省遵化市石人溝鐵礦取回的蝕變花崗片麻巖大塊巖石加工成尺寸為φ50 mm×100 mm的圓柱體試件。加載方式為0.003 mm/s的單軸位移加載。試件編號、強度如表1所示。

實驗設備包括TAW-2000 kN微機控制電液伺服壓力機及SH-II型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)設置如下：前置增益40 dB；采樣頻率1 MHz；預觸發(fā)256；門檻值45 dB。八個聲發(fā)射傳感器均勻布設于距試件上下斷面20 mm的試件表面。

表1 試件的力學參數(shù)

2 聲發(fā)射波形參數(shù)與變化規(guī)律

2.1聲發(fā)射波形參數(shù)

圖1 聲發(fā)射波形參數(shù)

2.2變化規(guī)律

實驗巖石試件存在多縱向裂紋(Sy2)、人字型(Sy4)和局部(Sy5)三種破壞模式，如圖2所示。

a 多縱向裂紋破壞，Sy2

b 人字型破壞，Sy4

c 局部破壞，Sy5

試件平均頻率及上升角度倒數(shù)隨時間變化曲線的繪制采用滑動窗口法，窗口長為100個聲發(fā)射波形，滑動距離同樣為100個聲發(fā)射波形，計算結果對應的時間為窗口中最后一個聲發(fā)射波形的撞擊時刻。

2.2.1 平均頻率

圖3為試件Sy2、Sy4和Sy5的平均頻率、應力隨時間的變化曲線。由圖3可知，平均頻率在巖石受力過程中出現(xiàn)上升-明顯下降-波動的變化趨勢。平均頻率下降后開始波動的應力水平分別約為0.92σc(Sy2)、0.85σc(Sy4)以及0.98σc(Sy5)，其中σc為峰值應力。

a Sy2

b Sy4

c Sy5

2.2.2 上升角度倒數(shù)

圖4為試件Sy2、Sy4和Sy5的上升角度倒數(shù)、應力隨時間的變化曲線。由圖4可知，在較低應力下上升角度倒數(shù)及其波動幅度均較小。隨著應力的升高，上升角度倒數(shù)在較高應力下出現(xiàn)突增，突增現(xiàn)象出現(xiàn)的應力水平與平均頻率明顯下降對應的應力水平相同。

a Sy2

b Sy4

c Sy5

Fig.4Changesofstressandreciprocalofriseanglewithtime

由上述可知，平均頻率明顯下降及上升角度倒數(shù)的突增可作為巖石處于較高應力水平的標志。

對比平均頻率及上升角度倒數(shù)的變化過程，當巖石進入高應力水平時，兩者表現(xiàn)出非常明顯的負相關變化關系，即平均頻率大幅下降的同時上升角度倒數(shù)明顯上升。因此，平均頻率及上升角度倒數(shù)間負相關性的增加也可作為巖石處于高應力水平的標志。

3 裂紋類型的判別

拉破裂對應的平均頻率較高、上升角度倒數(shù)較低，而剪切破裂對應的平均頻率較低、上升角度倒數(shù)較高。如圖5所示，若以平均頻率為縱軸、上升角度倒數(shù)為橫軸，繪制聲發(fā)射波形的散點圖，可用一過原點的直線將散點分成兩部分，直線以上為拉伸型裂紋，而直線以下則為剪切型裂紋?；诰貜埩糠治龅慕Y果，一些學者推薦使用斜率為200∶1的直線來區(qū)分混凝土受力過程中產生的裂紋類型[12]。雖然該直線的斜率會受到材料自身性質的影響，但由于混凝土與巖石是性質相近的脆性材料，并且斜率的微小改變僅會影響拉伸及剪切裂紋間的相對比例，而不會對這種相對比例的變化趨勢造成影響，因此，文中亦采用斜率為200∶1的直線來區(qū)分裂紋類型。

圖5 平均頻率及上升角度倒數(shù)的關系

Fig.5Relationshipbetweenaveragefrequencyandreciprocalofriseangle

繪制試件Sy2、Sy4及Sy5的平均頻率及上升角度倒數(shù)散點圖(圖6)。圖6中數(shù)據點的分布并未形成如圖5中所示的兩個獨立聚集區(qū)域，其原因應是巖石破裂過程中存在一些拉-剪混合裂紋，這些裂紋對應的平均頻率及上升角度倒數(shù)恰好介于拉伸裂紋及剪切裂紋之間，將兩個本應獨立的區(qū)域連接起來。

a Sy2

b Sy4

c Sy5

Fig.6Relationshipbetweenaveragefrequencyandreciprocalofriseangle

將圖6中位于直線下方的裂紋歸類為剪切裂紋，位于直線上方的歸類為拉伸裂紋，利用滑動窗口法可計算剪切裂紋占總裂紋數(shù)的比例隨時間的變化曲線(圖7)，窗口長度及滑動距離均為100個聲發(fā)射波形，計算結果對應的時間為窗口中最后一個聲發(fā)射波形的撞擊時刻。

a Sy2

b Sy4

c Sy5

如圖7所示，剪切裂紋所占的比例k會隨著應力的增加表現(xiàn)出先降低再升高的變化趨勢。在中等應力水平之前，剪切裂紋所占的比例處于20%左右。隨后，隨著應力的增加會下降至10%左右。最后，在高應力水平下，剪切裂紋的比例出現(xiàn)突增及大幅波動，剪切裂紋所占的比例最高已超過50%。

4 結 論

(1)平均頻率在巖石受力過程中出現(xiàn)上升-下降-波動的變化趨勢，上升角度倒數(shù)在巖石受力過程中出現(xiàn)小幅波動-突增-波動的變化趨勢。平均頻率明顯下降及上升角度倒數(shù)的突增可作為巖石處于較高應力水平的標志。

(2)剪切裂紋所占的比例隨應力的增大表現(xiàn)出先降低再升高的變化趨勢。在中等應力水平之前，剪切裂紋所占的比例約為20%。隨著應力的增大下降至10%左右。在巖石破壞前，剪切裂紋的比例出現(xiàn)突增及大幅波動，最高可超過50%。

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(編校王 冬)

Underlyinglawbehindacousticemissionwaveformparametersduringrockfractureprocess

ZhouYongwei1,ZhangPenghai2,ZhaoYongchuan2,XiongShaoxiong2,LiuGang3,QinTao3

(1.Liaoning Nonferrous Geological Exploration Research Institute, Shenyang 110002, China; 2.School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China； 3.Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper introduces an effort to investigate the acoustic emission(AE) precursors of rock failure. The research effort consists of performing AE tests on altered granite gneiss under the condition of uniaxial compression; analyzing the change laws underlying the average frequency and the reciprocal of rise angle during the rock failure process, using sliding window method; determining the crack type by the average frequency and the reciprocal of rise angle; and ultimately identifying the change law behind the proportion of tensile and shear cracks. The study demonstrates that the process of rock force sees an average frequency varying from rise and fall to fluctuation, accompanied by a tendency to slightly fluctuate, drastically ascend, and fluctuate in the reciprocal of rise angle; the drastic decrease of the average frequency and the drastic increase of reciprocal of rise angle can be indicative of rocks in s high stress level; with the increase of stress comes an initial increase and a subsequent decrease in the proportion of shear cracks; and the rock failure is preceded by a sharp increase in the proportion of shear cracks, an increase of more than 50%. The combined analysis of the average frequency, reciprocal of rise angle, and fracture type can provide a reliable basis for judging rock failure precursor.

altered granite gneiss; failure; acoustic emission; average frequency; reciprocal of rise angle

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.005

TU452

2095-7262(2017)06-0597-05

A

2017-10-12

國家自然科學基金項目(51604062)；東北大學博士后科研基金項目(20170313); 黑龍江省自然科學基金項目(E2015031)

周永偉(1986-)，男，山東省濰坊人，工程師，碩士，研究方向:巖土工程管理與研究，E-mail:370149477@qq.com。