馮小靜，張睿哲

（太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原030024）

聲發(fā)射（AE）的空間定位技術(shù)在礦山工程動(dòng)力災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)方面發(fā)揮著積極的作用，如李示波等[1]將聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)用于采空區(qū)地壓災(zāi)害預(yù)測(cè)；劉建坡等[2]應(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)深部采場(chǎng)巖體穩(wěn)定性；紀(jì)洪廣等[3]應(yīng)用聲發(fā)射對(duì)金礦巖爆進(jìn)行預(yù)測(cè)；張洪波等[4]應(yīng)用聲發(fā)射活動(dòng)時(shí)空演化特征研究礦柱破裂過(guò)程。但在不同的工程項(xiàng)目中，聲發(fā)射事件時(shí)空演化特征及災(zāi)變前兆是不一致的，差異明顯。正如許江[5]、李庶林[6]所指出，聲發(fā)射事件定位實(shí)驗(yàn)中受許多外在因素和內(nèi)在因素的制約，這些制約因素直接影響聲發(fā)射事件的定位結(jié)果，如未充分考慮這些因素的影響，也許會(huì)得出錯(cuò)誤的結(jié)論。加載速率就是其中1個(gè)影響因素，關(guān)于加載速率對(duì)聲發(fā)射的影響前人也做了一些相關(guān)研究。劉希靈等[7]認(rèn)為在不同加載速率的單軸壓縮試驗(yàn)中，動(dòng)態(tài)b值的波動(dòng)幅度隨加載速率的增加而變大，各試件的b值在達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)均有明顯的減小。許江[8]認(rèn)為加載速率的增加提高了聲發(fā)射率。姜德義[9]研究發(fā)現(xiàn)加載速率越慢，累計(jì)聲發(fā)射信號(hào)數(shù)越多，加載速率越快，聲發(fā)射信號(hào)頻率越高。Yongzheng Zhang[10]認(rèn)為隨著加載速率的增加，聲發(fā)射事件和應(yīng)變能速率先增大后減小，形成波動(dòng)趨勢(shì)。D Triantisa等[11]認(rèn)為盡管每種技術(shù)的特征量在某種程度上取決于加載速率，但具體的關(guān)系是服從冪律的，而不依賴(lài)于加載速率。這些研究成果與大多數(shù)關(guān)于聲發(fā)射的研究結(jié)論較一致，但有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)不一致的研究結(jié)論，如曹安業(yè)[12]認(rèn)為隨加載速率的增大，能量升高但振鈴計(jì)數(shù)卻減少，而梁忠雨[13]的研究結(jié)果與其正好相反。這種現(xiàn)象其實(shí)不能說(shuō)明誰(shuí)的研究更準(zhǔn)確，其可能與實(shí)驗(yàn)設(shè)備的采集頻率、探頭頻響范圍等因素相關(guān)。另外在很多關(guān)于聲發(fā)射的研究中，其參數(shù)涉及的也較多，其實(shí)很多參數(shù)是有一致性的[14]，其分布規(guī)律很接近。應(yīng)加強(qiáng)此方面的研究，減少相關(guān)性較高參數(shù)之間的重復(fù)分析，這樣才能有利于聲發(fā)射規(guī)律性的歸納總結(jié)。同時(shí)，不同巖石的聲發(fā)射特征是不同的，就算是同一產(chǎn)地的相同巖石，受其微破裂分布、礦物晶體結(jié)構(gòu)不同的影響，其聲發(fā)射特征也有明顯差異，在實(shí)驗(yàn)室的研究中，表現(xiàn)的更為明顯。

以上研究主要集中在加載速率對(duì)聲發(fā)射信號(hào)影響方面，而對(duì)聲發(fā)射事件影響的研究較少。同時(shí)，以往關(guān)于影響因素的研究大多缺乏其微觀機(jī)制的分析，因聲發(fā)射十分敏感，探討其微觀機(jī)制是十分有必要的?；诖?，研究加載速率對(duì)聲發(fā)射事件分布特征的影響，從聲發(fā)射信號(hào)本身特征及巖石微觀破壞的角度分析加載速率對(duì)聲發(fā)射事件形成機(jī)制的影響。

1 試驗(yàn)介紹及聲發(fā)射事件定位算法

1.1 試驗(yàn)介紹

加載采用TYJ-600型微機(jī)控制電液伺服巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)巖石試件進(jìn)行加載，最大加載試驗(yàn)力為60 t，采用位移控制的單軸加載方式，加載方向與巖石原始層位垂直。加載速率分別為0.002、0.01、0.02 mm/s。聲發(fā)射設(shè)備采用美國(guó)聲學(xué)物理公司PAC生產(chǎn)的PCI-2型8通道聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)，采集試樣在載荷作用下變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)。試驗(yàn)時(shí)在試件四周貼4個(gè)互相對(duì)稱(chēng)的NANO聲發(fā)射探頭，記錄聲發(fā)射事件的參數(shù)與波形并進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，NANO探頭大小為φ8 mm×8 mm，設(shè)定聲發(fā)射測(cè)試分析系統(tǒng)的主放增益為40 dB，門(mén)檻值為40 dB，探頭諧振頻率為280 kHz，采樣頻率為5×106次/s，為保障探頭與試件間緊密結(jié)合，在探頭與試件之間抹1層耦合劑，并用透明膠帶固定聲發(fā)射探頭。

試驗(yàn)所用的砂巖和花崗巖試樣尺寸為50 mm×50 mm×100 mm，試件尺寸和加工精度符合ISRM規(guī)定的巖石試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。每組試樣3個(gè)，為減小巖石試件個(gè)體差異造成試驗(yàn)結(jié)果的離散性，在大塊較完整無(wú)節(jié)理的花崗巖和砂巖上采取相鄰切割試件。

聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)聲發(fā)射事件空間定位結(jié)果與試件破壞結(jié)果，對(duì)有無(wú)聲發(fā)射事件區(qū)域的巖石碎片進(jìn)行電子顯微鏡掃描，試驗(yàn)采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡，放大倍數(shù)為500倍，以期從微觀角度分析聲發(fā)射事件形成機(jī)制。

1.2 聲發(fā)射事件定位算法

本文所指的聲射事件是指微破壞的三維空間定位，只有當(dāng)發(fā)1個(gè)微破壞同時(shí)被4個(gè)及以上探頭同時(shí)接收到，并滿足計(jì)算誤差的要求，才能夠形成聲發(fā)射事件，即實(shí)現(xiàn)空間定位。

聲發(fā)射事件的空間定位算法很多，常見(jiàn)的有最小二乘法、相對(duì)定位法[15]、Geiger定位法和單純形定位方法[16]等。Geiger定位法是Gauss-Newton最小擬合函數(shù)的應(yīng)用之一，適用于小區(qū)域微破壞聲發(fā)射事件。本文為實(shí)驗(yàn)室尺度的巖石試件的破壞，因此采用Geiger定位算法來(lái)確定聲發(fā)射事件位置。

聲發(fā)射事件的形成除了與算法有關(guān)外，還與聲發(fā)射信號(hào)本身波形特征有關(guān)。根據(jù)聲發(fā)射信號(hào)的波形特征不同，將其分為2種主要類(lèi)型，一種是突發(fā)型，另一種是連續(xù)型，2種典型聲發(fā)射波形如圖1。突發(fā)型可以清楚看出波形，有上升時(shí)間和持續(xù)時(shí)間，幅值迅速衰減，其能夠?qū)崿F(xiàn)定位（即形成聲發(fā)射事件）。連續(xù)型是連續(xù)接收到聲發(fā)射波形，幾乎無(wú)法辨別單個(gè)波形，高幅值一直持續(xù)，其不能實(shí)現(xiàn)空間定位。

圖1 2種典型聲發(fā)射波形Fig.1 Two classical AE waveforms

2 聲發(fā)射事件形成宏觀機(jī)制分析

2.1 加載速率對(duì)聲發(fā)射事件數(shù)量的影響

不同加載速率下累積聲發(fā)射事件在時(shí)間上的分布如圖2。不同加載速率下試件內(nèi)部破壞情況如圖3。

圖2 不同加載速率下累積聲發(fā)射事件在時(shí)間上的分布Fig.2 Temporal distribution of accumulated AE events at different loading rates

圖3 不同加載速率下試件內(nèi)部破壞情況Fig.3 Internal failure of samples at different loading rates

由圖2可知，隨加載速率的增加，聲發(fā)射事件數(shù)變少。砂巖的聲發(fā)射事件數(shù)遠(yuǎn)少于花崗巖，砂巖只有應(yīng)力達(dá)到一定階段時(shí)，聲發(fā)射事件才會(huì)出現(xiàn)并呈陡增式的增加，花崗巖在加載初期就出現(xiàn)聲發(fā)射事件并逐步增加。由圖3可見(jiàn)，加載速率越大，巖石破碎產(chǎn)生的白色粉末區(qū)域越小（由微破壞產(chǎn)生，即微破壞越少），在加載速率為0.002 mm/s時(shí)，微破壞（白色區(qū)域）呈區(qū)域性分布，隨加載速率的增加，微破壞分布區(qū)域變小或呈零散分布。整體來(lái)說(shuō)，隨加載速率增加，微破壞減弱，脆性破壞特征增強(qiáng)。

結(jié)合圖2、圖3和聲發(fā)射信號(hào)特征可知，隨加載速率增加，聲發(fā)射事件數(shù)減少，其主要有2方面原因：一是由于加載速率越大，越不能充分形成微裂紋，微破壞減少，所以聲發(fā)射事件數(shù)就少；二是由于加載速率越大，巖石越易發(fā)生脆性破壞，其產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)多為連續(xù)型，不利于形成聲發(fā)射事件，這與以往關(guān)于聲發(fā)射信號(hào)的研究規(guī)律較一致。一般來(lái)說(shuō)，巖石的破壞所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)多是突發(fā)型的，而脆性破壞特征越明顯，越容易產(chǎn)生高頻聲發(fā)射信號(hào)，導(dǎo)致波形重疊，形成“似連續(xù)型”聲發(fā)射信號(hào)，從而導(dǎo)致不能形成聲發(fā)射事件。這與聲發(fā)射采集系統(tǒng)的采集頻率、探頭的頻響范圍等有關(guān)。由于砂巖的破碎程度和規(guī)模遠(yuǎn)小于花崗巖，所以花崗巖的聲發(fā)射事件數(shù)較多。

2.2 聲發(fā)射事件與載荷之間的關(guān)系

為了說(shuō)明在不同加載速率下聲發(fā)射與破壞之間的關(guān)系，對(duì)施加載荷、聲發(fā)射能量率、聲發(fā)射事件累積進(jìn)行了歸一化處理，不同加載速率下砂巖和花崗巖AE事件、能量、載荷間的關(guān)系如圖4和圖5。

圖4 砂巖不同加載速率下砂巖AE事件、能量、載荷間的關(guān)系Fig.4 The relationship between AE event,energy and load of sandstone at different loading rates

圖5 花崗巖不同加載速率下花崗巖AE事件、能量、載荷間的關(guān)系Fig.5 The relationship between AE event,energy and load of granite at different loading rates

由圖4可知，對(duì)于砂巖，在加載初期，沒(méi)有聲發(fā)射事件，隨著載荷的增加，聲發(fā)射事件數(shù)增多，在達(dá)到峰值載荷前都有聲發(fā)射事件數(shù)急劇增多現(xiàn)象，其提前峰值載荷出現(xiàn)的時(shí)間隨加載速率的增加而減小。雖然加載速率不同，但仍有很多共性的地方：小幅的應(yīng)力降引起聲發(fā)射能量陡增，聲發(fā)射事件數(shù)激增，中幅及大幅應(yīng)力降引起更大幅度的能量陡增，但聲發(fā)射事件數(shù)增幅非常小，甚至沒(méi)有。應(yīng)力降及能量增加均說(shuō)明發(fā)生了破壞，應(yīng)力降小，說(shuō)明發(fā)生了較小破壞，反之亦然。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，較小應(yīng)力降處的聲發(fā)射信號(hào)為突發(fā)型，較大應(yīng)力降處的聲發(fā)射信號(hào)為連續(xù)型（或是似連續(xù)型）。所以出現(xiàn)較小破壞時(shí)，能夠形成聲發(fā)射事件，而在較大破壞時(shí)，則不能形成聲發(fā)射事件的現(xiàn)象。

由圖5可知，對(duì)于花崗巖，在加載初期，有少量聲發(fā)射產(chǎn)生，并且隨載荷的增加，聲發(fā)射事件數(shù)逐漸增多，在達(dá)到峰值載荷前聲發(fā)射事件數(shù)出現(xiàn)增幅明顯的現(xiàn)象，其提前峰值載荷出現(xiàn)時(shí)間隨著加載速率的增大而減小。小幅及大幅應(yīng)力降處能量較高，而此時(shí)聲發(fā)射事件卻很少，甚至沒(méi)有，此時(shí)聲發(fā)射信號(hào)多為連續(xù)型，說(shuō)明對(duì)于花崗巖而言，即便是較小的破壞，其脆性特征也很明顯，容易產(chǎn)生高頻連續(xù)型的聲發(fā)射信號(hào)（也可能是似連續(xù)型），很難形成聲發(fā)射事件。中等及較小能量增加情況下，沒(méi)有應(yīng)力降，說(shuō)明此時(shí)的能量不是由破壞產(chǎn)生的，而是由顆粒間的位錯(cuò)產(chǎn)生的，此時(shí)聲發(fā)射事件數(shù)量增加明顯，聲發(fā)射信號(hào)多為突發(fā)型。由此可見(jiàn)，應(yīng)力降引起能量陡增，此時(shí)的聲發(fā)射信號(hào)多為連續(xù)型，宏觀破壞很難形成聲發(fā)射事件。中等及較小能量增加處沒(méi)有應(yīng)力降，聲發(fā)射信號(hào)多為突發(fā)型，能形成聲發(fā)射事件。聲發(fā)射信號(hào)主要來(lái)源于顆粒間的位錯(cuò)，其是聲發(fā)射事件形成的根源。由此可見(jiàn)，其聲發(fā)射事件形成機(jī)制與砂巖是不同的。聲發(fā)射事件與破壞之間的關(guān)系見(jiàn)表1。

3 聲發(fā)射事件形成微觀機(jī)制分析

由以上研究結(jié)果可知，不同加載速率下砂巖和花崗巖聲發(fā)射事件形成的宏觀機(jī)制明顯不同，其主要與巖石材料的微觀結(jié)構(gòu)是緊密相連的。因此，依據(jù)聲發(fā)射事件的空間分布特征，分別采集了各個(gè)試件中聲發(fā)射事件集中區(qū)域和無(wú)聲發(fā)射事件區(qū)域的碎片，進(jìn)行電鏡掃描。以期從巖石微觀結(jié)構(gòu)角度，分析聲發(fā)射事件形成機(jī)制。電鏡掃描在巖石破壞微觀機(jī)理研究中的應(yīng)用比較廣泛，對(duì)巖石破壞的認(rèn)識(shí)起到了積極的促進(jìn)作用。周輝[17-18]、張志鎮(zhèn)[19]應(yīng)用SEM斷口形貌學(xué)建立了微觀破壞與宏觀破壞之間的關(guān)系，為巖石破壞機(jī)制的研究提供了一條新的途徑?；诖苏J(rèn)識(shí)，對(duì)電鏡掃描結(jié)果進(jìn)行分析。

表1 聲發(fā)射事件與破壞之間的關(guān)系Table 1 The relationship between acoustic emission events and damage

砂巖和花崗巖有無(wú)聲發(fā)射事件區(qū)域電鏡掃描結(jié)果如圖6和圖7。

由圖6可知，對(duì)于砂巖，無(wú)聲發(fā)射事件區(qū)域巖石斷口中，鏡面區(qū)很小，甚至沒(méi)有，鋸齒區(qū)分布相對(duì)廣泛，且隨加載速率增大，其表面粗糙程度逐漸增大，鋸齒區(qū)特征越加明顯，表現(xiàn)為明顯的剪切滑移破壞。有聲發(fā)射事件區(qū)域巖石斷口中，鏡面區(qū)與鋸齒區(qū)分布明顯，且隨加載速率增加，其表面粗糙程度逐漸增大，鏡面區(qū)特征逐漸減弱，表現(xiàn)出剪切和張拉共同作用。由此可見(jiàn)，鏡面區(qū)是聲發(fā)射事件形成的根源。由文獻(xiàn)[18]可知，鏡面區(qū)是由于顆粒間的滑移以及巖石內(nèi)部微裂隙共同作用造成的，鋸齒區(qū)是由外界應(yīng)力作用下，層間剪切力造成的。由此可知，顆粒間的滑移以及巖石內(nèi)部微裂隙共同作用產(chǎn)生的破壞能形成聲發(fā)射事件，由于鏡面區(qū)的大小隨加載速率的增加而減少，所以該破壞也隨著減少，從而導(dǎo)致隨加載速率的增加，聲發(fā)射事件數(shù)變少。

圖6 砂巖有無(wú)聲發(fā)射事件區(qū)域電鏡掃描結(jié)果Fig.6 Silent emission event area electron microscope scanning results of sandstone

由圖7可知，對(duì)于花崗巖，無(wú)論有、無(wú)聲發(fā)射事件區(qū)域巖石斷口中，鏡面區(qū)分布相對(duì)廣泛，鋸齒區(qū)面積很小。隨加載速率增加，表面光滑程度變小，但仍具有明顯的鏡面區(qū)特征，表現(xiàn)為明顯的張拉作用。有聲發(fā)射事件區(qū)域巖石斷口表面更加光滑，即鏡面區(qū)特征更加明顯。由此可見(jiàn)，鏡面區(qū)是聲發(fā)射事件形成的根源，但必需是十分光滑的鏡面區(qū)，在這種情況下，如何界定什么樣的鏡面區(qū)才是聲發(fā)射事件的根源，后期還需進(jìn)行相關(guān)的量化研究。

鏡面區(qū)特征明顯說(shuō)明顆粒間的滑移以及巖石內(nèi)部微破壞是巖石的主要破壞組成，所以花崗巖從加載開(kāi)始便有聲發(fā)射事件，而砂巖沒(méi)有。由于花崗巖鏡面區(qū)大，顆粒間的滑移及微裂隙共同作用更加明顯，所以產(chǎn)生的聲發(fā)射事件數(shù)多于砂巖。由文獻(xiàn)[18]亦可知，隨加載速率減小，鋸齒區(qū)的臺(tái)階越致密，在一定程度上能形成咬合摩擦，以抵抗巖石的破壞進(jìn)程。在這種咬合摩擦過(guò)程中極易產(chǎn)生巖石粉末，所以加載速率越小，巖石破碎產(chǎn)生的粉末越多。由于花崗巖鏡面區(qū)大，顆粒間的滑移及微裂隙共同作用更加明顯，所以產(chǎn)生了更多的巖石粉末。

4結(jié)論

1）隨加載速率的增加，聲發(fā)射事件數(shù)逐漸變少，主要原因一是加載速率越大，微破壞越少，所以聲發(fā)射事件數(shù)就少；二是加載速率越大，巖石越易發(fā)生脆性破壞，其產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)多為連續(xù)型（或似連續(xù)型），不利于形成聲發(fā)射事件。由于砂巖的破碎程度和規(guī)模遠(yuǎn)小于花崗巖，所以砂巖的聲發(fā)射事件數(shù)遠(yuǎn)少于花崗巖。

2）對(duì)于砂巖，小幅應(yīng)力降處聲發(fā)射事件數(shù)激增，信號(hào)多為突發(fā)型。中幅及大幅應(yīng)力降處聲發(fā)射事件極少甚至沒(méi)有，聲發(fā)射信號(hào)多為連續(xù)型（或?yàn)樗七B續(xù)型），所以微破壞及小的宏觀破壞能形成聲發(fā)射事件。

3）對(duì)于花崗巖，應(yīng)力降引起能量陡增，此時(shí)信號(hào)多為連續(xù)型，即便是較小的宏觀破壞也很難形成聲發(fā)射事件。中等及較小能量陡增處沒(méi)有應(yīng)力降，聲發(fā)射信號(hào)多為突發(fā)型，能形成聲發(fā)射事件，顆粒間的位錯(cuò)是聲發(fā)射事件形成的根源。

4）鏡面區(qū)是聲發(fā)射事件形成的根源，其對(duì)應(yīng)的顆粒間的滑移以及巖石內(nèi)部微裂隙共同作用產(chǎn)生的破壞能夠形成聲發(fā)射事。隨加載速率增加，鏡面區(qū)特征逐漸減弱，所以聲發(fā)射事件數(shù)隨加載速率的增加而減少。

5）鏡面區(qū)特征明顯說(shuō)明顆粒間的滑移以及巖石內(nèi)部微破壞是巖石的主要破壞組成，所以花崗巖從加載開(kāi)始便有聲發(fā)射事件，而砂巖沒(méi)有。由于花崗巖鏡面區(qū)大，顆粒間的滑移及微裂隙共同作用更加明顯，所以產(chǎn)生的聲發(fā)射事件數(shù)多于砂巖。