趙揚(yáng)鋒， 程傳杰， 劉玉春， 荊 剛

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 阜新 123000； 2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 理學(xué)院， 遼寧 阜新 123000)

1 研究背景

在我國(guó)大型水利工程的大規(guī)模建設(shè)中，巖爆、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害事故時(shí)有發(fā)生，往往造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。研究巖體失穩(wěn)破壞的信號(hào)特征可以了解巖爆、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害發(fā)生的機(jī)制，達(dá)到提前預(yù)警的目的。大量試驗(yàn)[1-3]證明，巖石變形破壞過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微震和電荷感應(yīng)信號(hào)，且微震和電荷感應(yīng)信號(hào)特征與巖石內(nèi)部裂紋產(chǎn)生的過(guò)程有很大關(guān)系。因此，可以通過(guò)研究巖石變形破裂過(guò)程中微震和電荷感應(yīng)信號(hào)特征與巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展過(guò)程和應(yīng)力應(yīng)變的變化，用來(lái)預(yù)警預(yù)測(cè)巖石的動(dòng)力災(zāi)害。

巖石變形破裂微震信號(hào)試驗(yàn)研究基本上是根據(jù)水利和巖土工程中現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)到的微震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)來(lái)進(jìn)行的。夏永學(xué)等[3]認(rèn)為通過(guò)監(jiān)測(cè)和分析微震信號(hào)可以更好地了解巖石破壞機(jī)制，為巖石動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警提供有效信息；蔣雄等[4]研究了兩河口水電站母線洞開(kāi)挖過(guò)程中微震積聚區(qū)微震信號(hào)特征，發(fā)現(xiàn)微震信號(hào)的高頻成分先減小后增多；姜鵬等[5]通過(guò)研究3個(gè)水電站的微震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了巖石破裂的大小與微震信號(hào)頻率的關(guān)系；王曉南等[6]研究了組合煤巖的微震信號(hào)和微震頻譜特征，對(duì)沖擊地壓的監(jiān)測(cè)預(yù)警具有重要意義；楊威[7]采用不同單軸加壓方式，測(cè)試了多種煤巖變形破裂過(guò)程中的微震信號(hào)；袁瑞甫等[8]利用微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析了微震信號(hào)的時(shí)序特征和頻譜特征及分布變化規(guī)律；朱權(quán)潔等[9]以現(xiàn)場(chǎng)微震數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)比研究了巖石破裂微震信號(hào)和礦山爆破震動(dòng)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)兩者在頻帶能量分布上有很大差異；張?zhí)K等[10]研究了水泥材料靜爆過(guò)程中的微震信號(hào)特征，發(fā)現(xiàn)在不同強(qiáng)度下，水泥材料微震信號(hào)規(guī)律基本相同。關(guān)于電荷感應(yīng)信號(hào)方面的研究，吳小平等[11]用測(cè)量微電流的方法研究了單軸壓縮下花崗巖表面電荷性質(zhì)；朱元清等[12]提出了巖石變形破裂時(shí)裂紋尖端電荷運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生電荷感應(yīng)的原因；丁鑫等[13]對(duì)煤巖受載變形破壞電荷信號(hào)進(jìn)行了監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了不同應(yīng)力階段電荷信號(hào)時(shí)-頻域特征和變化規(guī)律；趙揚(yáng)鋒等[14]、潘一山等[15]研究了煤巖在不同破壞狀態(tài)下電荷感應(yīng)信號(hào)特征，并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了試驗(yàn)；王宏偉等[16]對(duì)花崗巖試樣在單軸加載條件下的電荷感應(yīng)進(jìn)行研究，表明巖石變形破壞過(guò)程與電荷感應(yīng)規(guī)律有良好的相關(guān)性；潘一山等[17]對(duì)不同溫度下花崗巖和砂巖電荷感應(yīng)信號(hào)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在相同溫度下花崗巖和砂巖電荷感應(yīng)幅值差別比較大；2016年趙揚(yáng)鋒等[1,18]首次研究了花崗巖和大理巖在不同加載方式下變形破壞過(guò)程微震、電荷感應(yīng)和聲發(fā)射等各種信號(hào)變化規(guī)律。在眾多研究成果中較少涉及將微震和電荷感應(yīng)監(jiān)測(cè)手段同時(shí)用來(lái)對(duì)不同類(lèi)型巖石失穩(wěn)破壞過(guò)程進(jìn)行分析，因此本文對(duì)不同類(lèi)型巖石進(jìn)行單軸壓縮和加卸載試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)和分析不同類(lèi)型巖石變形斷裂過(guò)程的微震信號(hào)和電荷感應(yīng)信號(hào)特征。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與試樣

試驗(yàn)系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)、屏蔽系統(tǒng)、微震和電荷感應(yīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。微震和電荷感應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自行研制的多通道數(shù)據(jù)采集器[1]，微震和電荷感應(yīng)信號(hào)各3通道，試驗(yàn)時(shí)將3個(gè)電荷傳感器布置在試樣的兩側(cè)且分別距離試樣底端為30、80和80 mm，電荷探頭距試件表面5 mm。微震傳感器用耦合劑粘貼于試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置使試驗(yàn)機(jī)與數(shù)據(jù)采集器同時(shí)采集載荷、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)。

試驗(yàn)試樣有花崗斑巖、花崗閃長(zhǎng)巖、細(xì)粒砂巖和中粒砂巖共4種類(lèi)型巖石，試樣尺寸均為φ 50 mm×150 mm，試件上下兩端面進(jìn)行打磨，保證試件兩端面平整。每種類(lèi)型巖石取4個(gè)試樣，其中兩個(gè)試樣做單軸壓縮試驗(yàn)，加載速率為0.5 kN/s，另兩個(gè)試樣做加卸載試驗(yàn)，加卸載速率均為0.1 kN/s。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 巖石變形破裂過(guò)程微震和電荷感應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)花崗斑巖和花崗閃長(zhǎng)巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)和加卸載試驗(yàn)，獲得了該兩類(lèi)花崗巖巖樣變形破裂過(guò)程時(shí)間與應(yīng)力、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)圖及信號(hào)頻譜圖，如圖1～3所示。

圖1 花崗斑巖單軸壓縮下應(yīng)力、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)

對(duì)中粒和細(xì)粒砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)和單軸加卸載試驗(yàn)，獲得了該兩類(lèi)砂巖巖樣變形破裂過(guò)程應(yīng)力、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)圖及信號(hào)的頻譜圖，如圖4～6所示。

圖2 花崗閃長(zhǎng)巖單軸壓縮下應(yīng)力、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)

圖3 花崗閃長(zhǎng)巖加卸載下應(yīng)力、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)

圖4 細(xì)粒砂巖單軸壓縮下應(yīng)力、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)

圖5 中粒砂巖單軸壓縮下應(yīng)力、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)

圖6 細(xì)粒砂巖加卸載下應(yīng)力、微震和電荷感應(yīng)信號(hào)

3.2 巖石變形破裂過(guò)程中微震和電荷感應(yīng)信號(hào)的演化特征

由圖1～6中時(shí)間-應(yīng)力曲線并結(jié)合文獻(xiàn)[18]可知：在單軸壓縮和循環(huán)加卸載下花崗斑巖的極限應(yīng)力分別為143.21和134.86 MPa；花崗閃長(zhǎng)巖的極限應(yīng)力分別為112.97和111.49 MPa；細(xì)粒砂巖的極限應(yīng)力分別為41.20和38.30 MPa；中粒砂巖的極限應(yīng)力分別為15.97和16.20 MPa。上述4類(lèi)巖石的極限應(yīng)力從大到小依次為：花崗斑巖、花崗閃長(zhǎng)巖、細(xì)粒砂巖和中粒砂巖，花崗巖的極限應(yīng)力遠(yuǎn)大于砂巖的極限應(yīng)力，并且循環(huán)加卸載對(duì)巖石的極限應(yīng)力影響較小。

將圖1～6中巖石加載變形破壞的時(shí)間-應(yīng)力曲線劃分為4個(gè)階段：壓密閉合階段、彈性變形階段、彈塑性階段和失穩(wěn)破壞階段。在彈性變形階段，巖石應(yīng)力與變形成線性關(guān)系，巖石變形過(guò)程的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)均不產(chǎn)生或只產(chǎn)生微弱的微震和電荷信號(hào)，隨著應(yīng)力增加巖石產(chǎn)生的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)沒(méi)有明顯增加；彈塑性階段，巖石應(yīng)力在極限強(qiáng)度的70%～95%，該階段巖石應(yīng)力與變形呈非線性關(guān)系，此階段花崗巖產(chǎn)生的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)比砂巖產(chǎn)生的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)豐富，花崗巖試樣在應(yīng)力達(dá)到極限強(qiáng)度的70%時(shí)就有明顯的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)，這是由于此階段花崗巖有較多微裂紋產(chǎn)生且釋放的能量強(qiáng)，花崗巖比砂巖含有較多的壓電材料，花崗巖的晶體顆粒遠(yuǎn)大于砂巖的，砂巖顆粒之間因摩擦產(chǎn)生的電荷和振動(dòng)也遠(yuǎn)小于花崗巖的，因而砂巖在此階段的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)幅值與花崗巖比較都較??；失穩(wěn)破壞階段，巖石應(yīng)力超過(guò)極限強(qiáng)度95%后，巖石在應(yīng)力峰前階段聚積了大量彈性能，當(dāng)荷載剛超過(guò)巖石抗壓強(qiáng)度后，巖石瞬間發(fā)生失穩(wěn)破壞，釋放出較大能量，此階段花崗斑巖、花崗閃長(zhǎng)巖、細(xì)粒砂巖和中粒砂巖產(chǎn)生的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)事件數(shù)最多且強(qiáng)度最大?；◢彴邘r、花崗閃長(zhǎng)巖、細(xì)粒砂巖和中粒砂巖在變形破裂過(guò)程中都有微震和電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生。隨著巖石強(qiáng)度的增加，巖石變形破裂過(guò)程中的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)事件數(shù)和信號(hào)強(qiáng)度也增大。相同性質(zhì)的巖石在破裂時(shí)產(chǎn)生的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)隨巖石強(qiáng)度的增大而增強(qiáng)，例如花崗斑巖和花崗閃長(zhǎng)巖，細(xì)粒砂巖和中粒砂巖都有此規(guī)律。

花崗斑巖、花崗閃長(zhǎng)巖、細(xì)粒砂巖和中粒砂巖在變形破裂過(guò)程中的微震和電荷感應(yīng)并不是同時(shí)出現(xiàn)的，電荷感應(yīng)信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間早于微震信號(hào)，但電荷感應(yīng)信號(hào)比微震信號(hào)持續(xù)的時(shí)間短，例如圖1中花崗斑巖在加載時(shí)間為1 000～1 200 s時(shí)，電荷感應(yīng)信號(hào)和微震信號(hào)不同步，此段有較強(qiáng)電荷感應(yīng)信號(hào)而微震信號(hào)較弱，在1 000 s前有較弱微震信號(hào)而沒(méi)有監(jiān)測(cè)到電荷感應(yīng)信號(hào)。這說(shuō)明微震和電荷感應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理不同，對(duì)于微震信號(hào)產(chǎn)生機(jī)理是由于巖體釋放彈性能而引起的振動(dòng)波，而電荷感應(yīng)信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理比較復(fù)雜，有微破裂、摩擦作用、壓電效應(yīng)等多種原因。

對(duì)比花崗巖和砂巖的時(shí)間-應(yīng)力曲線，砂巖在彈塑性階段就有突然的應(yīng)力降產(chǎn)生，比如圖4(a)在78.8 s、圖5(a)在60.8 s、圖6(a)在487.6 s和910.9 s都有較大的應(yīng)力降產(chǎn)生，此時(shí)砂巖會(huì)有較大的裂紋產(chǎn)生，釋放出較大的能量，在突然應(yīng)力降產(chǎn)生之前有較大的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生，而花崗巖在彈塑性階段沒(méi)有此現(xiàn)象發(fā)生，而僅在失穩(wěn)破壞階段有較大的應(yīng)力降產(chǎn)生，花崗巖失穩(wěn)破壞釋放的能量也遠(yuǎn)大于砂巖失穩(wěn)破壞釋放的能量。

由圖3和6，并結(jié)合文獻(xiàn)[18]中花崗巖循環(huán)加卸載的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)可知，花崗巖在加卸載下不斷有幅值在5～10 pC的電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生，而微震信號(hào)事件數(shù)少且大多淹沒(méi)在背景噪聲中，砂巖在加卸載下沒(méi)有電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生，微震信號(hào)也較弱。這是由于花崗巖含有較多的石英等壓電材料，在加卸載下有一定的電荷產(chǎn)生，而砂巖不含石英等壓電材料，在加卸載下也就沒(méi)有電荷產(chǎn)生。

由圖1～6中微震和電荷感應(yīng)信號(hào)頻譜圖可知，花崗巖和砂巖變形破裂過(guò)程的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)頻率都在200 Hz以下，花崗巖電荷感應(yīng)信號(hào)主要集中在0～80 Hz，砂巖電荷感應(yīng)信號(hào)主要集中在0～40 Hz，隨著信號(hào)頻率的增大，電荷感應(yīng)信號(hào)頻譜幅值呈減小趨勢(shì)，可見(jiàn)，巖石變形破壞的電荷感應(yīng)信號(hào)具有低頻特點(diǎn)，而微震信號(hào)有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)頻率，但各類(lèi)巖石的優(yōu)勢(shì)頻率不完全相同，微震信號(hào)頻率在分布離散中有向低頻集中的趨勢(shì)，頻譜主要集中在0～100Hz。

3.3 巖石變形破裂過(guò)程中微震和電荷感應(yīng)信號(hào)的相關(guān)性分析

對(duì)巖石變形破裂過(guò)程中的電荷感應(yīng)信號(hào)和微震信號(hào)進(jìn)行相關(guān)性分析，得到了不同通道電荷感應(yīng)信號(hào)的相關(guān)性和微震與電荷感應(yīng)信號(hào)的相關(guān)性，如圖7～8所示。

由圖7～8可知，不同通道的電荷感應(yīng)信號(hào)相關(guān)性高于微震與電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生之間的相關(guān)性，巖石在失穩(wěn)破壞階段前，花崗閃長(zhǎng)巖電荷感應(yīng)信號(hào)之間的相關(guān)性在0.6～0.8之間，中粒砂巖電荷感應(yīng)信號(hào)之間的相關(guān)性在0.4～0.6之間，電荷感應(yīng)信號(hào)之間的相關(guān)性都是中相關(guān)，而微震和電荷感應(yīng)信號(hào)之間的相關(guān)性在0.4以下，信號(hào)之間相關(guān)性較差。但在失穩(wěn)破壞階段電荷感應(yīng)信號(hào)之間相關(guān)性大于0.8，微震信號(hào)與電荷感應(yīng)信號(hào)之間相關(guān)性大于0.8，都有較高相關(guān)性。因此巖石變形破裂過(guò)程中當(dāng)電荷感應(yīng)信號(hào)和微震信號(hào)之間都有較高的相關(guān)性時(shí)巖石處于最危險(xiǎn)階段。

圖7花崗閃長(zhǎng)巖微震和電荷感應(yīng)信號(hào)的相關(guān)性 圖8中粒砂巖微震和電荷感應(yīng)信號(hào)的相關(guān)性

4 結(jié) 論

(1) 花崗斑巖、花崗閃長(zhǎng)巖、細(xì)粒砂巖和中粒砂巖變形破裂過(guò)程中均有微震和電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生。隨著巖石強(qiáng)度的增大，巖石變形破裂過(guò)程中的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)事件數(shù)增大且信號(hào)強(qiáng)度也增大。相同性質(zhì)的巖石在破裂時(shí)產(chǎn)生的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)隨巖石強(qiáng)度的增大而增強(qiáng)。巖石變形破裂過(guò)程中，電荷感應(yīng)信號(hào)早于微震信號(hào)出現(xiàn)，且電荷感應(yīng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間小于微震信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。

(2) 花崗巖和砂巖變形破裂過(guò)程的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)頻率在0～200 Hz，電荷感應(yīng)信號(hào)頻譜幅值隨著信號(hào)頻率增大而減小，微震信號(hào)頻譜主要集中在0～100 Hz，并存在優(yōu)勢(shì)頻率。

(3) 巖石加載變形破壞的時(shí)間-應(yīng)力曲線劃分為4個(gè)階段：壓密閉合階段、彈性變形階段、彈塑性階段和失穩(wěn)破壞階段，各階段的微震和電荷感應(yīng)信號(hào)規(guī)律不同。在彈塑性階段巖石變形破裂過(guò)程中有較大幅值的微震信號(hào)和電荷感應(yīng)信號(hào)產(chǎn)生，可將此階段作為危險(xiǎn)預(yù)警區(qū)，此時(shí)應(yīng)加強(qiáng)前兆信號(hào)的監(jiān)測(cè)。在失穩(wěn)破壞階段，巖石變形破壞過(guò)程中微震信號(hào)和電荷感應(yīng)信號(hào)較豐富，且信號(hào)強(qiáng)度均達(dá)到最大值，各信號(hào)之間有較高相關(guān)性，可將此階段作為最危險(xiǎn)預(yù)警區(qū)，此時(shí)應(yīng)采取措施以防災(zāi)害發(fā)生。