楊 瓊， 何鄒俊， 周科禮， 李紅利， 梅甫定

（1.中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074；2.大冶有色金屬有限責(zé)任公司銅綠山銅鐵礦，湖北黃石 435000）

隨著礦山、水利水電、鐵路（公路）交通隧道等巖體工程建設(shè)向深部發(fā)展，巖爆災(zāi)害給深部巖體工程建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，對人員、設(shè)備安全造成嚴(yán)重威脅. 巖爆誘因的復(fù)雜性造成巖爆災(zāi)害具有多因一果的特殊性，也導(dǎo)致學(xué)術(shù)上尚未對巖爆形成統(tǒng)一的定義［1-3］. 一般認(rèn)為，巖爆是硬脆完整巖體開挖后急速釋放儲存于其中彈性變形能的動力破壞現(xiàn)象，是一種典型的脆性失穩(wěn)破壞，并在宏觀上主要表現(xiàn)為從完整的硬脆圍巖表面開始到圍巖內(nèi)部，往往由張性破裂向剪切破裂演化［4-6］.

聲發(fā)射（acoustic emission，簡稱AE）是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，是材料內(nèi)部由于不均勻的應(yīng)力分布所導(dǎo)致的由不穩(wěn)定的高能態(tài)向穩(wěn)定的低能態(tài)過渡時產(chǎn)生的應(yīng)力松弛過程［7］. 目前已有許多學(xué)者對單軸巖爆展開了研究，20世紀(jì)30年代，Obert和Duvall發(fā)現(xiàn)巖石材料受到外界載荷作用產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，此后越來越多的學(xué)者開始將聲發(fā)射技術(shù)運(yùn)用于巖石類材料的破壞過程研究［8］.

宮宇新等［9］在花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了聲發(fā)射特征量的多維度瞬時頻率前兆信息優(yōu)化分析方法. 楊艷霜等［10］通過硬脆性大理巖單軸壓縮巖爆試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖爆的發(fā)生具有明顯的滯后性特征，破壞過程產(chǎn)生豎向劈裂裂紋數(shù)量居多. 李俊平等［11］研究了銅綠山礦大理巖、磁鐵礦、含礦矽卡巖、花崗閃長斑巖四種巖石在單軸壓縮條件下的AE 特征，根據(jù)試件破豐山銅礦壞聲發(fā)射活動強(qiáng)弱將巖樣破壞過程劃分為4 個階段，即初始區(qū)、劇烈區(qū)、下降區(qū)和沉寂區(qū). 趙興東等［12］通過對砂巖、花崗巖、紅色花崗巖、大理巖、黑色大理巖巖樣單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這五種巖樣的破壞模式相似，均為中間劈裂破壞，其中大理巖發(fā)生了崩碎. 何滿朝等［13］通過花崗巖在不同卸載速率條件下的巖爆試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，卸載巖爆過程中，張拉裂紋數(shù)量遠(yuǎn)多于剪切裂紋數(shù)量. 羅濤等［14］通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單軸受壓的軟弱巖石破壞模式主要表現(xiàn)出X型剪切破壞，堅(jiān)硬巖石則主要表現(xiàn)為拉張破壞. 何滿潮等基于聲發(fā)射參數(shù)RA-AF值和核心密度定義總結(jié)了花崗巖巖爆全過程中巖石裂紋類型. 雖然前人對于大理巖、花崗巖等單軸巖爆研究取得了許多成果，但巖爆時序演化過程各階段破壞模式還需深入系統(tǒng)的研究.

本文選取大冶銅綠山銅鐵礦深埋大理巖制成的試件進(jìn)行單軸加載模擬巖爆試驗(yàn)，通過聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，分析巖爆演化過程聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、絕對能量隨時間的變化規(guī)律；利用RA-AF值的時序演化，分析試件發(fā)生巖爆時各階段的破壞模式，得到大理巖巖爆演變的特征信號及其發(fā)生機(jī)理，以提高對大理巖巖爆發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識并為硬巖災(zāi)害控制提供參考.

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖1 待測試件Fig.1 Rock samples to be tested

1.1 試驗(yàn)試樣加工

試驗(yàn)用大理巖取自湖北大冶銅綠山銅鐵礦，按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266—2013）將試件制成直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，如圖1所示. 加工精度符合標(biāo)準(zhǔn)，避免因偏壓導(dǎo)致局部應(yīng)力集中影響試驗(yàn)結(jié)果.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

一般認(rèn)為，深部巖體原來的三向應(yīng)力狀態(tài)會因被開挖而轉(zhuǎn)變成單向壓縮或雙向壓縮狀態(tài). 單軸壓縮試驗(yàn)是研究巖爆發(fā)生機(jī)制的常用方法，本試驗(yàn)采用MTS 815電液伺服測試系統(tǒng)（見圖2a）對巖樣進(jìn)行加載，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行力控和位移控制，載荷量程為1000 kN. 試驗(yàn)巖樣的變形量采用引伸計(jì)進(jìn)行監(jiān)測（見圖2b）.試驗(yàn)過程中，采用美國物理聲學(xué)公司的PCI-II型聲發(fā)射系統(tǒng)（見圖2c）實(shí)時監(jiān)測試驗(yàn)巖樣產(chǎn)生的聲發(fā)射信號. 該系統(tǒng)最高采樣頻率為40 MHz，具有18位數(shù)模轉(zhuǎn)換能力，能夠記錄聲發(fā)射完整波形和振鈴計(jì)數(shù)、能量等多個特征值. 試件四周沿直徑方向?qū)ΨQ安裝4個聲發(fā)射傳感器，為避免試驗(yàn)對傳感器造成損壞，傳感器距離兩端面10 mm，并在傳感器與試件之間均勻涂抹凡士林，保證耦合良好.

試驗(yàn)前，對聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，門檻值設(shè)為40 dB. 聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)與試驗(yàn)加載系統(tǒng)同步開啟.采用一次性加載方式，進(jìn)行位移控制加載，加載速率為0.002 0 mm/s，至巖爆發(fā)生后停止加載. 如此進(jìn)行多組單軸加載模擬巖爆試驗(yàn). 為得到巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)，對大理巖試件進(jìn)行單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及單軸壓縮變形試驗(yàn). 各參數(shù)平均值見表1.

圖2 MTS試驗(yàn)加載系統(tǒng)及監(jiān)測系統(tǒng)Fig.2 MTS test loading system and monitoring system

表1 大理巖巖樣力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of marble samples

2 力學(xué)性能與聲發(fā)射特征分析

2.1 大理巖力學(xué)性能分析

因試驗(yàn)樣本數(shù)較多，特選取具有典型巖爆現(xiàn)象的編號G-CP-3與G-CP-4兩試件進(jìn)行分析，試驗(yàn)全應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果如圖3所示，可以看出：

1）大理巖試件表現(xiàn)出的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型的5個階段：壓密階段、線彈性階段、塑性階段、峰后平穩(wěn)階段及峰后破壞階段. 圖3中，壓密階段和塑性階段持續(xù)時間過短，曲線特征不明顯，而線彈性階段和峰后平穩(wěn)、破壞階段較顯著，說明所取得的大理巖巖體內(nèi)部孔隙較少，完整性較好，質(zhì)地堅(jiān)硬，具備巖爆發(fā)生條件.

2）大理巖試件加載至80 MPa 左右，開始發(fā)生明顯變形，與文獻(xiàn)［15-17］零圍壓加載大理巖巖樣發(fā)生巖爆的峰值強(qiáng)度近似；從圖3中可看出，存在峰后曲線缺失現(xiàn)象. 所選取試樣可進(jìn)行單軸加載下巖爆模擬試驗(yàn).

3）G-CP-3大理巖巖樣峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線平滑性不佳，但整體呈現(xiàn)下降趨勢，可能因試件發(fā)生破壞后巖屑充填縫隙所致.

2.2 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分析

圖3 大理巖試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Stress-strain curves of marble specimen

AE振鈴計(jì)數(shù)是指越過門檻信號的震蕩次數(shù)，其受門檻設(shè)置值的影響較大，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于聲發(fā)射活動性評價. 圖4、圖5為單軸壓縮大理巖巖樣的時間-應(yīng)力-AE振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系圖，分析這兩幅圖可得到以下結(jié)論：

1）因門檻值設(shè)置較低，許多微小的破裂信號以及背景噪音越過門檻觸發(fā)計(jì)數(shù)，導(dǎo)致AE振鈴計(jì)數(shù)相對較高. 監(jiān)測系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置較低，使得AE振鈴計(jì)數(shù)難以密集叢生呈現(xiàn)，但仍能反映聲發(fā)射活動性變化. 為有效辨別振鈴計(jì)數(shù)的變化過程，對兩幅圖的AE振鈴計(jì)數(shù)取值范圍進(jìn)行了放大調(diào)整.

2）試件加載初期，巖樣內(nèi)部的裂隙和缺陷逐漸壓縮閉合，在內(nèi)摩擦作用下，產(chǎn)生少量的聲發(fā)射事件，AE振鈴計(jì)數(shù)保持一個相對較低值. 隨著加載的進(jìn)一步進(jìn)行，試件發(fā)生塑性變形，巖樣內(nèi)部開始形成微裂紋與微空隙，在微裂紋與微空隙的擴(kuò)展、貫通、合并過程中，釋放大量的振動波，振鈴計(jì)數(shù)呈現(xiàn)上升態(tài)勢.

3）試件屈服之前，巖樣內(nèi)部的微裂紋與微空隙貫通、匯合形成宏觀裂紋，AE振鈴計(jì)數(shù)值達(dá)到峰值，聲發(fā)射活動最為頻繁，隨后，振鈴計(jì)數(shù)開始下降，聲發(fā)射進(jìn)入一個相對“平靜期”. 在100 s到120 s之間，試件軸壓達(dá)到峰值. 屈服點(diǎn)之后，AE振鈴計(jì)數(shù)有回升趨勢，聲發(fā)射活躍程度有小幅度提升，此時，巖樣發(fā)生巖爆. 巖樣的主破裂滯后于軸壓峰值.

4）試件在30 s附近AE振鈴計(jì)數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢，但下降程度不同，說明該階段聲發(fā)射活躍程度有所降低，主要是因?yàn)閹r樣內(nèi)部裂隙和缺陷完全閉合后，試件仍處于彈性變形階段，塑形變形程度相對較低.

圖4 G-CP-3試件時間-應(yīng)力-AE振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系圖Fig.4 The diagram of the time-stress-ring counting relations of the G-CP-3 specimen

圖5 G-CP-4試件時間-應(yīng)力-AE振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系圖Fig.5 The diagram of the time-stress-ring counting relations of the G-CP-4 specimen

2.3 聲發(fā)射絕對能量分析

絕對能量（absolute energy）是聲發(fā)射撞擊信號的真實(shí)反映，單位為attoJoules（簡寫為aJ，1 aJ＝10-18J），絕對能量時間序列分析可反映大理巖巖爆過程中脆性破壞機(jī)制［18］.

圖6、圖7為試驗(yàn)所得的時間-應(yīng)力-絕對能量關(guān)系圖. 對這兩幅圖的絕對能量時間序列分析，可以得到以下結(jié)論：

1）整體來看，兩試件聲發(fā)射絕對能量走勢與應(yīng)力變化相似，大致可分為5個階段：穩(wěn)定增長階段、平靜階段、快速增長階段、二次增長階段及最終階段.

2）穩(wěn)定增長階段持續(xù)時間20～40 s 范圍內(nèi). 此階段絕對能量穩(wěn)定增長，密集程度較低，能量釋放緩慢.這與大理巖試件的力學(xué)性能相關(guān)，該區(qū)域?qū)?yīng)于應(yīng)力應(yīng)變曲線的壓密階段和線彈性階段，巖樣內(nèi)部裂隙與缺陷完成閉合，局部萌生微裂紋與微空隙，聲發(fā)射活動穩(wěn)定增強(qiáng)，試件保持相對穩(wěn)定狀態(tài).

3）平靜階段持續(xù)10 s左右. 此階段絕對能量快速下降，到達(dá)一個相對谷值后開始回升. 該階段與AE振鈴計(jì)數(shù)開始進(jìn)入平靜期時間相吻合，聲發(fā)射活動相對較低，巖樣內(nèi)部彈性變形占據(jù)主導(dǎo)地位，隨后在塑形變形作用下，絕對能量開始增長.

4）快速增長階段持續(xù)時間較長. 此階段絕對能量增長迅速，密集程度較高，聲發(fā)射活動活躍，巖樣內(nèi)部微裂紋和微空隙發(fā)展、貫通、合并，形成宏觀孔洞和裂紋，試件表面出現(xiàn)宏觀破壞. 在軸壓峰值附近，絕對能量密集出現(xiàn)，并達(dá)到最大值，隨后開始下降.

5）二次增長階段持續(xù)時間較短，此階段出現(xiàn)于絕對能量峰值之后. 該階段試件發(fā)生巖爆，產(chǎn)生主破壞，聲發(fā)射活動相對活躍，巖樣完全失去承載能力，進(jìn)入最終破壞階段.

圖6 G-CP-3試件時間-應(yīng)力-絕對能量關(guān)系圖Fig.6 The diagram of the time-stress-absolute energy relations of the G-CP-3 specimen

圖7 G-CP-4試件時間-應(yīng)力-絕對能量關(guān)系圖Fig.7 The diagram of the time-stress-absolute energy relations of the G-CP-4 specimen

3 大理巖破壞模式及破裂尺度分析

3.1 大理巖破壞模式分析

聲發(fā)射特征參數(shù)能夠用于分析聲發(fā)射源的材料或結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律，反映材料的斷裂破壞模式. 研究顯示，材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的破壞模式可用聲發(fā)射參數(shù)中的RA值和平均頻率AF值來反映［13］. RA值與平均頻率AF值的計(jì)算公式如下：

通常來講，高RA 值，低AF 值的聲發(fā)射特征代表材料內(nèi)部剪切作用下裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，相反，高AF值，低RA值則代表張拉作用下裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，聲發(fā)射波形參數(shù)示意圖及破壞模式分類示意圖如圖8所示. 根據(jù)試件聲發(fā)射波形參數(shù)計(jì)算的RA值及平均頻率AF值，繪制散點(diǎn)分布圖，詳見圖9、圖10所示.

從圖9，圖10中可以看出，離散點(diǎn)在橫軸和縱軸附近都有分布，顯示巖樣破壞過程中存在張拉破壞和剪切破壞. 離散點(diǎn)密集分布在縱軸附近，顯示巖樣破壞過程中以張性破壞為主. 也就是說，試件破壞模式為拉剪復(fù)合型破壞，并以張拉破壞為主.

圖8 聲發(fā)射波形參數(shù)與破壞模式分類示意圖Fig.8 Schematic diagrams of acoustic emission waveform parameters and bad pattern classifications

圖9 G-CP-3 RA-AF 散點(diǎn)分布圖Fig.9 Distribution diagram of G-CP-3 RA versus AF

圖10 G-CP-4 RA-AF 散點(diǎn)分布圖Fig.10 Distribution diagram of G-CP-4 RA versus AF

通過對試件的絕對能量時間序列分析，可將試件壓縮變形破壞演化過程劃分為5個階段，分析RA值與平均頻率AF的時序演化，可對試件壓縮變形破壞各階段的破壞模式進(jìn)行研究，分析圖11、圖12的RA-AF時序演化散點(diǎn)分布，可得到以下規(guī)律：

1）整體來看，穩(wěn)定增長階段、平靜階段、快速增長階段及二次增長階段的RA-AF值比較集中，平均頻率AF 集中在［20，32］kHz 區(qū)間內(nèi)，RA 值集中在［0，30］ms/V 區(qū)間內(nèi). 雖然最終階段的RA-AF 值較為分散，但平均頻率AF主要集中在10 kHz附近，RA值主要集中在［0，30］ms/V之間.

2）隨著加載的進(jìn)行，試件的RA-AF值散點(diǎn)分布縱向上表現(xiàn)出向橫軸靠近的趨勢，橫向上表現(xiàn)出遠(yuǎn)離縱軸的趨勢. 這表明通過前期加載，在張拉作用下，導(dǎo)致了巖石內(nèi)部的裂隙、孔洞的形成和發(fā)育. 隨著載荷的增大，巖石內(nèi)部的微裂隙逐漸合并、貫通形成宏觀裂紋，此過程仍以張拉作用為主，剪切作用不明顯. 試件發(fā)生巖爆后，巖樣迅速失穩(wěn)崩裂，宏觀碎塊之間發(fā)生滑移錯動，剪切現(xiàn)象明顯.

圖11 G-CP-3 RA-AF 時序演化散點(diǎn)分布圖Fig.11 Time series evolution distribution diagram of G-CP-3 RA versus AF

圖12 G-CP-4 RA-AF 時序演化散點(diǎn)分布圖Fig.12 Time series evolution distribution diagram of G-CP-4 RA versus AF

3.2 大理巖破裂尺度分析

試件的破壞模式為拉剪復(fù)合型破壞，并以張拉破壞為主. 巖樣內(nèi)部的軟弱面在張拉作用下提前分離，使得裂隙萌生和擴(kuò)展；在剪切作用下，巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，促使裂隙的發(fā)育、貫通. 聲發(fā)射峰值頻率可反映不同加載階段下巖石內(nèi)部的破裂尺度［19-20］，用? 表示. 圖13、圖14分別為單軸壓縮條件下G-CP-3和G-CP-4大理巖試件應(yīng)力和峰值頻率隨時間變化關(guān)系圖.

從圖中可看出，巖爆試驗(yàn)全過程，聲發(fā)射峰值頻率整體呈現(xiàn)上下波動，圖13、圖14分別在峰值應(yīng)力前76 s和33 s 處及峰值應(yīng)力后149 s 和139 s 處出現(xiàn)明顯的“突增點(diǎn)”，這可能與巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大尺度破裂有關(guān).隨著加載的進(jìn)行，當(dāng)接近試件主破裂時，峰值頻率極小值數(shù)量開始增加，巖石內(nèi)部裂隙的萌生、擴(kuò)展活動加劇，巖石破裂尺度越大，峰值頻率極小值數(shù)量表現(xiàn)出增加的態(tài)勢. G-CP-3 和G-CP-4 試件分別在200 s 和137 s后進(jìn)入了峰后破壞階段，應(yīng)力在較短時間內(nèi)急劇下降，巖樣內(nèi)部大尺度裂隙發(fā)生滑移摩擦，產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號，峰值頻率積聚.

圖13 G-CP-3試件時間-應(yīng)力-峰值頻率關(guān)系圖Fig.13 The diagram of the time-stress-peak frequency relations of the G-CP-3 specimen

圖14 G-CP-4試件時間-應(yīng)力-峰值頻率關(guān)系圖Fig.14 The diagram of the time-stress-peak frequency relations of the G-CP-4 specimen

4 結(jié)論

1）大理巖試件變形破壞過程表現(xiàn)出的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型的5個階段：壓密階段、線彈性階段、塑性階段、峰后平穩(wěn)階段及峰后破壞階段. 通過分析各階段演化過程規(guī)律得出，所取得的大理巖巖體內(nèi)部孔隙較少，完整性較好，質(zhì)地堅(jiān)硬，具備巖爆發(fā)生條件.

2）通過大理巖試件單軸壓縮試驗(yàn)，得出AE振鈴計(jì)數(shù)的變化規(guī)律：加載初期，AE振鈴計(jì)數(shù)保持一個相對低值，隨著加載的進(jìn)行呈上升態(tài)勢，屈服之前達(dá)到峰值，隨后進(jìn)入一個相對“平靜期”. 在此基礎(chǔ)上，提出了將AE振鈴計(jì)數(shù)作為巖爆發(fā)生的判據(jù). 此外，巖樣的主破裂滯后于軸壓峰值.

3）基于聲發(fā)射絕對能量分析，將試件變形破壞過程分為5個階段：穩(wěn)定增長階段、平靜階段、快速增長階段、二次增長階段及最終階段，并指出了各個階段聲發(fā)射絕對能量的演化特征.

4）基于AF-RA值分析，提出了大理巖巖樣總體破壞模式為拉剪復(fù)合型破壞，并以張拉破壞為主. 結(jié)合所劃分的試件變形破壞5個階段，得出了各階段的破壞特征及破裂尺度規(guī)律.