劉玉春， 趙揚(yáng)鋒， 王進(jìn)銘， 樊 藝

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

1 研究背景

隨著采深的增加，巖爆[1]在硬巖礦井和地下水電站泵房等工程中發(fā)生的頻次快速增加，嚴(yán)重危害了生產(chǎn)安全，而在一些硬巖礦井和地下水電站泵房等工程中的巖石主要為正長(zhǎng)花崗巖。研究正長(zhǎng)花崗巖破裂過程中聲發(fā)射參數(shù)與力學(xué)特征以及巖石裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展和演變之間的關(guān)系，有助于認(rèn)識(shí)巖石破壞機(jī)制，進(jìn)一步為預(yù)測(cè)正長(zhǎng)花崗巖破裂乃至巖爆提供有效依據(jù)[2-3]。因此，探究正長(zhǎng)花崗巖的變形破裂過程及其聲發(fā)射特征對(duì)于硬巖礦井工程中巖爆的預(yù)測(cè)具有重要意義。

在花崗巖加載聲發(fā)射試驗(yàn)方面，紀(jì)洪廣等[3-4]研究了常規(guī)三軸壓縮下和圍壓效應(yīng)下二長(zhǎng)花崗巖聲發(fā)射特征；張志鎮(zhèn)等[5-6]研究了溫度對(duì)花崗巖沖擊傾向性、微細(xì)觀機(jī)制和聲發(fā)射的影響；曾鵬等[7]研究了不同圍壓下巖石聲發(fā)射不可逆性及其主破裂前的特征信息，探究了巖石Kaiser點(diǎn)信號(hào)頻譜中的主頻特征及變化規(guī)律；何滿潮等[1]研究了瞬時(shí)應(yīng)變型巖爆模擬試驗(yàn)中花崗巖的主頻特征演化規(guī)律；李安強(qiáng)等[8]研究了花崗巖單軸壓縮全過程聲發(fā)射的時(shí)空演化行為及破壞前兆；張艷博等[9-10]研究了花崗巖巷道巖爆聲發(fā)射信號(hào)的主頻特性及破裂特征，獲取了巖爆全過程的波形信號(hào)，為優(yōu)選聲發(fā)射監(jiān)測(cè)頻段提供了方法和依據(jù)；趙揚(yáng)鋒等[11-13]對(duì)單軸壓縮下完整花崗巖、含斷層帶花崗巖和預(yù)制裂紋花崗巖變形破裂過程聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律進(jìn)行了研究；孫雪等[14]研究了北山花崗巖在不同圍壓下的力學(xué)特征和損傷演化機(jī)制，揭示了北山花崗巖三軸壓縮下的聲發(fā)射特征；趙菲等[15]研究了不同高度花崗巖巖爆試驗(yàn)的聲發(fā)射特征，發(fā)現(xiàn)花崗巖巖爆試驗(yàn)過程聲發(fā)射主頻值總體呈“從低頻向高頻再向低頻”轉(zhuǎn)變遷移的趨勢(shì)，頻譜特征中的高頻部分受試件高度的影響而有所不同；張艷博等[16]探索了巖石破裂過程不同模式聲發(fā)射波形信息的特征規(guī)律；陳炳瑞等[17]研究了西南地區(qū)某深埋隧道花崗巖的破壞機(jī)制與前兆特征；劉鵬飛等[18]研究了不同卸圍壓速率下花崗巖的力學(xué)性質(zhì)及聲發(fā)射特征；劉亮等[19]對(duì)北山花崗巖試樣開展了靜態(tài)加載和循環(huán)加載兩種加載方式的人字形切槽巴西圓盤試驗(yàn)，獲得了不同加載方式下北山花崗巖的聲發(fā)射特征；王浩[20]對(duì)采動(dòng)應(yīng)力路徑下巖石變形破壞的聲發(fā)射進(jìn)行了研究，獲得了紅砂巖在單、三軸壓縮和不同應(yīng)力路徑下的時(shí)空演化規(guī)律；裴向軍等[21]在加卸載條件下對(duì)大光包滑坡含脈狀缺陷結(jié)構(gòu)巖石聲發(fā)射響應(yīng)特征進(jìn)行了研究。

綜上所述，在巖石聲發(fā)射信號(hào)研究方面缺乏對(duì)正長(zhǎng)花崗巖變形破壞過程聲發(fā)射信號(hào)特征的探索，因此本文對(duì)正長(zhǎng)花崗巖單軸壓縮下變形破壞過程的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行時(shí)域和頻域分析，并對(duì)聲發(fā)射事件進(jìn)行定位，獲得了正長(zhǎng)花崗巖變形破壞過程的聲發(fā)射信號(hào)特征。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)與試樣

正長(zhǎng)花崗巖破壞過程聲發(fā)射特征試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，該試驗(yàn)系統(tǒng)包括加載系統(tǒng)和聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)

加載系統(tǒng)采用中國(guó)地震局地質(zhì)研究所的CTM微機(jī)伺服控制液壓萬能實(shí)驗(yàn)機(jī)WAW-D1000。聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和聲發(fā)射傳感器由中國(guó)地震局地質(zhì)研究所研制，該系統(tǒng)采樣頻率為3 MHz，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集、聲發(fā)射自動(dòng)定位等功能。試驗(yàn)時(shí)所有監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)間調(diào)為一致，并同時(shí)開始記錄，聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集器和試驗(yàn)機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)取得時(shí)間同步。

圖2為試驗(yàn)中16個(gè)聲發(fā)射傳感器在試樣圓柱面布置位置的展開圖。

16個(gè)聲發(fā)射傳感器(圖2中1#～16#為聲發(fā)射傳感器編號(hào)，聲發(fā)射傳感器編號(hào)與采集通道編號(hào)一致)均勻分布于樣品表面，涂抹凡士林耦合劑粘貼于樣品表面，保證傳感器與試件耦合完好。圖2中每列聲發(fā)射傳感器至試樣底面的距離分別為20、55、90、125 mm。

圖2 試驗(yàn)中聲發(fā)射傳感器布置示意圖(單位：mm)

試驗(yàn)所用巖石為北京房山粗晶正長(zhǎng)花崗巖，風(fēng)化面呈淺肉紅色，新鮮面為肉紅色，晶粒主要為正長(zhǎng)石，主要礦物為正長(zhǎng)石(49%)、石英(31%)、斜長(zhǎng)石(18%)及少量黑云母等，呈斑狀結(jié)構(gòu)和粗粒結(jié)構(gòu)，正長(zhǎng)花崗巖試樣密度為2.8 g/cm3，單軸抗壓強(qiáng)度為130～160 MPa，所有巖樣均取自同一塊正長(zhǎng)花崗巖母體，共6塊，處于自然干燥狀態(tài)，通過切割機(jī)獲得尺寸為Φ75 mm×150 mm的試樣，加工后的試樣如圖3所示。

圖3 正長(zhǎng)花崗巖試樣實(shí)物圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)共對(duì)6組完整花崗巖進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究，試驗(yàn)機(jī)采用力控制方式加載，加載速率為1 kN/s，選取1組具有代表性的試樣結(jié)果進(jìn)行分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中涉及較大工作量，聲發(fā)射信號(hào)數(shù)據(jù)量可達(dá)60 G。進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，通過各自監(jiān)測(cè)設(shè)備的系統(tǒng)時(shí)間來對(duì)齊數(shù)據(jù)處理的時(shí)間點(diǎn)，各系統(tǒng)時(shí)間誤差可控制在0.001 s內(nèi)，滿足時(shí)間精度要求，可以通過以時(shí)間為橫坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 聲發(fā)射特征參數(shù)分析

圖4為單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖變形破裂全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及全程時(shí)間-應(yīng)力和應(yīng)變曲線。圖5為2#、7#、14#傳感器的聲發(fā)射全波形信號(hào)，其中聲發(fā)射信號(hào)幅值為無量綱相對(duì)值，數(shù)值范圍為±32 768。圖6為單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖變形破裂過程應(yīng)力曲線和聲發(fā)射累計(jì)能量曲線(定位計(jì)算后每個(gè)聲發(fā)射事件的能量)。圖7為單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖變形破裂過程應(yīng)力曲線和聲發(fā)射能量圖。圖8為單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖變形破裂全程應(yīng)力曲線和聲發(fā)射事件數(shù)曲線圖。

圖4 單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖變形破裂全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及全程時(shí)間-應(yīng)力和應(yīng)變曲線

圖5 單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖變形破裂全程時(shí)間-聲發(fā)射全波形信號(hào)(2#、7#、14#傳感器)

圖6 單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖變形破裂過程應(yīng)力曲線和聲發(fā)射累計(jì)能量曲線

圖7 單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖變形破裂過程應(yīng)力曲線和聲發(fā)射能量

圖8 單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖變形破裂全程應(yīng)力曲線和聲發(fā)射事件數(shù)曲線

由圖4～8可見，正長(zhǎng)花崗巖試樣的峰值應(yīng)力為134.9 MPa(圖4)，試樣在變形破裂前應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率變化不明顯，全程難以劃分為不同的階段。而根據(jù)正長(zhǎng)花崗巖試樣變形破裂過程的時(shí)間-聲發(fā)射能量圖和時(shí)間-聲發(fā)射事件數(shù)曲線，可以找到4個(gè)關(guān)鍵拐點(diǎn)A、B、C、D，4個(gè)關(guān)鍵拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的巖石應(yīng)力分別為試樣抗壓強(qiáng)度的16.5%、67.5%、84.9%、99.0%，對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為97.49、400.50、504.80和590.15 s，根據(jù)這4個(gè)關(guān)鍵拐點(diǎn)可以較好地劃分試樣變形破裂過程的各個(gè)階段(圖7(a)、8)。

對(duì)圖7(a)、8綜合分析如下：從初始加載至A點(diǎn)為試樣的裂紋壓密階段，A點(diǎn)試樣應(yīng)力達(dá)到22.3 MPa，該階段試樣內(nèi)部原有微裂紋、孔隙被不斷壓縮，巖石內(nèi)部的微裂紋壓密彈性能釋放產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，此階段各通道的聲發(fā)射信號(hào)較多，聲發(fā)射事件數(shù)也快速增加，聲發(fā)射事件數(shù)達(dá)到17 052次，占聲發(fā)射事件總量的17.8%，聲發(fā)射事件率為174.91次/s，但各通道的聲發(fā)射信號(hào)幅值及能量均較小，聲發(fā)射能量基本都在1×10-10J以下。A點(diǎn)至B點(diǎn)為試樣的線彈性變形階段，B點(diǎn)試樣應(yīng)力達(dá)到91.1 MPa，此階段試樣中的微裂隙、空洞和弱節(jié)理面進(jìn)一步被壓縮，但不再發(fā)展。該階段聲發(fā)射事件數(shù)為28 294次，占聲發(fā)射事件總量的29.5%，聲發(fā)射事件率為93.37次/s，該階段聲發(fā)射能量和聲發(fā)射事件率最小。B點(diǎn)至C點(diǎn)為試樣的裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，C點(diǎn)試樣應(yīng)力達(dá)到114.5 MPa，巖石內(nèi)部裂紋開始擴(kuò)展，該階段聲發(fā)射事件數(shù)比前一階段增速加快，也有較大能量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生，此階段聲發(fā)射事件數(shù)為18 298次，占聲發(fā)射事件總量的19.1%，聲發(fā)射事件率為175.44次/s，是線彈性變形階段聲發(fā)射事件率的1.88倍且聲發(fā)射事件能量較大。C點(diǎn)至D點(diǎn)為裂紋快速擴(kuò)展階段，聲發(fā)射信號(hào)密集發(fā)生，聲發(fā)射事件數(shù)曲線陡升，能量也迅速增大，在578～585 s聲發(fā)射能量出現(xiàn)一段低值期，在578 s時(shí)試樣的應(yīng)力為131.0 MPa，達(dá)到了試樣抗壓強(qiáng)度的97%，隨后聲發(fā)射能量快速增加，在試樣臨近破壞時(shí)聲發(fā)射事件的能量達(dá)到最大值。在此階段巖石內(nèi)部微裂紋擴(kuò)展、演化、匯合，宏觀裂紋逐漸形成、貫穿、能量釋放，在590.15 s時(shí)試樣應(yīng)力達(dá)到133.8 MPa，達(dá)到了試樣抗壓強(qiáng)度的99%。此階段的聲發(fā)射事件數(shù)最多，達(dá)到29 039次，占聲發(fā)射事件總量的30.3%，聲發(fā)射事件率為340.24次/s，裂紋快速擴(kuò)展階段聲發(fā)射事件率是裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段聲發(fā)射事件率的1.94倍，聲發(fā)射能量顯著增大。從D點(diǎn)繼續(xù)加載直至巖石破壞為巖石失穩(wěn)破壞階段，在此階段試樣發(fā)生多次應(yīng)力降，試樣變形也以巖石裂隙的錯(cuò)位滑移為主。此階段聲發(fā)射事件數(shù)為3 087次，占聲發(fā)射事件總量的3.2%，聲發(fā)射事件率為415.98次/s，在各階段中最大，在該階段初期的591.562 s時(shí)有一次最大的應(yīng)力降發(fā)生，應(yīng)力降達(dá)到了0.8 MPa，而在590.201 s時(shí)產(chǎn)生了最大能量的聲發(fā)射信號(hào)，通過定位程序計(jì)算聲發(fā)射源的坐標(biāo)為(-0.43，110.15，-30.43)，能量為4.7×10-8J，同時(shí)在590.201 s時(shí)14#發(fā)射傳感器崩落，經(jīng)觀察是由于該處表面巖石發(fā)生劈裂所致；在593.016和596.185 s也產(chǎn)生了高能量的聲發(fā)射信號(hào)，通過定位程序計(jì)算聲發(fā)射源的坐標(biāo)分別為(-6.04，52.46，-7.18)和(-6.52，125.04，20.52)，能量分別為2.3×10-8和1.7×10-8J，隨后巖石完全破壞，發(fā)生巖爆現(xiàn)象并伴隨劇烈聲響。

在巖石變形破壞過程中，巖石失穩(wěn)破壞階段的聲發(fā)射事件率最大，達(dá)到415.98次/s，裂紋快速擴(kuò)展階段聲發(fā)射事件率次之，為340.24次/s，裂紋壓密階段和裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段聲發(fā)射事件率基本相等，分別為174.91和175.44次/s，線彈性變形階段聲發(fā)射事件率最小，僅為93.37次/s。顯然，聲發(fā)射事件率和聲發(fā)射能量并結(jié)合應(yīng)力可作為巖石加載過程5個(gè)發(fā)展階段的判斷因素，也是判斷正長(zhǎng)花崗巖破壞前兆的重要指標(biāo)，從巖石的線彈性變形至失穩(wěn)破壞的各階段的轉(zhuǎn)換過程中，聲發(fā)射事件率都會(huì)快速增長(zhǎng)，當(dāng)聲發(fā)射事件率達(dá)到最大值、聲發(fā)射能量也突然增大時(shí)，可認(rèn)為進(jìn)入了巖石失穩(wěn)破壞階段，巖石有發(fā)生破壞的危險(xiǎn)，需對(duì)其采取防治措施。

從正長(zhǎng)花崗巖試樣破裂進(jìn)程的各階段來看，在初始裂紋壓密階段，聲發(fā)射事件數(shù)快速上升，聲發(fā)射能量相對(duì)較低；在線彈性變形階段，聲發(fā)射事件率相對(duì)較小，聲發(fā)射能量也相對(duì)較低；進(jìn)入裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段后，巖石內(nèi)部裂紋開始發(fā)展，此階段聲發(fā)射事件數(shù)雖然與巖石裂紋壓密階段的聲發(fā)射事件數(shù)相差不大，但聲發(fā)射能量卻大于巖石裂紋壓密階段；進(jìn)入裂紋快速擴(kuò)展階段和巖石失穩(wěn)破壞階段后，聲發(fā)射事件數(shù)急劇增多，聲發(fā)射能量也急劇增大，但在正長(zhǎng)花崗巖試樣應(yīng)力達(dá)到抗壓強(qiáng)度的97%時(shí)，聲發(fā)射能量突然降低，出現(xiàn)一段聲發(fā)射“平靜期”，隨后聲發(fā)射事件數(shù)和聲發(fā)射能量快速增大，在臨近破壞時(shí)出現(xiàn)聲發(fā)射事件能量峰值。

3.2 聲發(fā)射定位

圖9為單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖試樣破壞圖；圖10為單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖試樣變形破裂過程中不同時(shí)間段的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)定位結(jié)果(3D視圖)。

圖9 單軸壓縮下正長(zhǎng)花崗巖破壞圖

注：聲發(fā)射傳感器編號(hào)(從下到上)為左13#、14#、15#、16#;前1#、2#、3#、4#;右5#、6#、7#、8#;后9#、10#、11#、12#

試驗(yàn)中6塊正長(zhǎng)花崗巖試樣的破壞形式均與圖9中所示的破壞形式相似，當(dāng)破壞發(fā)生時(shí)，試樣突然爆裂，聲音大而沉悶，巖樣內(nèi)部完整性好，在加載過程中主要表現(xiàn)為拉剪破壞，試樣達(dá)到峰值應(yīng)力后立即整體破壞，這些現(xiàn)象與現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的即時(shí)性巖爆特征基本一致[22]。由圖10可看出，正長(zhǎng)花崗巖試樣在變形破裂過程中的聲發(fā)射事件主要集中在試樣的左側(cè)，試樣也是在左側(cè)發(fā)生破裂，在加載初期即裂紋壓密階段聲發(fā)射事件較多，但能量較小，且聲發(fā)射事件主要集中在試樣的左下方；隨著荷載的增加，試樣進(jìn)入線彈性變形階段，在此階段聲發(fā)射事件較少，聲發(fā)射事件源從試樣的左下方逐漸向左上方移動(dòng)，但能量增加不大，試樣右側(cè)聲發(fā)射事件數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于試樣左側(cè)；在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，聲發(fā)射事件數(shù)增多，能量大的聲發(fā)射事件主要集中在試樣的左上方；在裂紋快速擴(kuò)展階段，聲發(fā)射事件數(shù)急劇增多，主要集中在試樣的左上方，聲發(fā)射的能量也顯著增大，在接近巖石失穩(wěn)破壞階段時(shí)，聲發(fā)射事件增加的速率和聲發(fā)射能量均達(dá)到最大值；在巖石失穩(wěn)破壞階段，聲發(fā)射事件數(shù)和能量均減小，但卻大于其他階段。

3.3 聲發(fā)射波形和頻譜特征

圖11為在正長(zhǎng)花崗巖試樣變形破裂過程各階段選取的1#、2#、3#通道典型聲發(fā)射事件的波形和頻譜圖，在聲發(fā)射波形圖中，聲發(fā)射信號(hào)最大幅值為±32 768，對(duì)聲發(fā)射幅值進(jìn)行了歸一化處理，為了清晰地辨析出1#、2#、3#通道聲發(fā)射波形，對(duì)1#和3#通道的波形進(jìn)行了上下平移，而在聲發(fā)射頻譜圖中采用原始數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了處理。

圖11 正長(zhǎng)花崗巖試樣變形破裂過程各階段典型聲發(fā)射事件的波形和頻譜圖(1#、2#、3#通道)

以1#通道聲發(fā)射信號(hào)為例對(duì)圖11進(jìn)行分析，在裂紋壓密階段(圖11(a))，聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域的幅值為0.088 38，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為1.780 0 ms，主頻為67.02 kHz(幅值為80.77)，根據(jù)幅值大于或等于主頻值對(duì)應(yīng)幅值80%的頻率為次主頻判斷，該信號(hào)存在次主頻，次主頻為36.99 kHz(幅值為63.47)和89.36 kHz(幅值為63.20)；在線彈性變形階段(圖11(b))，聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域的幅值為0.065 92，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為1.149 0 ms，該信號(hào)僅存在主頻，主頻為451.20 kHz(幅值為48.04)；在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(圖11(c))，聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域的幅值為0.340 80，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為1.769 7 ms，主頻為98.88 kHz(幅值為448.20)；在裂紋快速擴(kuò)展階段(圖11(d))，波形圖顯示，在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)了兩個(gè)聲發(fā)射事件，其在時(shí)域的幅值分別為0.797 70和0.728 00，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間分別為2.107 7和1.905 0 ms，主頻為39.28 kHz(幅值為1 510)；在巖石失穩(wěn)破壞階段，圖11(e)為花崗巖試樣變形破裂過程最大能量、最大震級(jí)的聲發(fā)射信號(hào)，該聲發(fā)射信號(hào)在巖石最大應(yīng)力降發(fā)生前產(chǎn)生，聲發(fā)射信號(hào)在時(shí)域的幅值為0.796 90，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為18.195 0 ms，主頻為3.80 kHz(幅值為6 061)，次主頻為26.09 kHz(幅值為5 066)，圖11(f)為巖石破壞前的一個(gè)較大聲發(fā)射事件，該信號(hào)在時(shí)域的幅值為0.723 10，信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為1.009 0 ms，主頻為90.09 kHz(幅值為1 275)，次主頻為40.28 kHz(幅值為835.1)。

將上述巖樣變形破裂過程各階段的1#通道聲發(fā)射時(shí)域頻域參數(shù)進(jìn)行歸納，列于表1。

綜上所述并結(jié)合表1可知，在裂紋壓密階段，巖石受壓內(nèi)部孔隙和原生裂隙閉合、壓密，該階段典型聲發(fā)射事件主頻較低，但主頻幅值、時(shí)域幅值、信號(hào)持續(xù)時(shí)間均略大于線彈性變形階段的主頻幅值、時(shí)域幅值、信號(hào)持續(xù)時(shí)間；在線彈性變形階段和裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段，頻譜特性復(fù)雜，既有低頻又有高頻，頻譜形狀呈現(xiàn)多峰性質(zhì)，但在線彈性變形階段主頻為451.20 kHz，高頻成分較多，在裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段主頻在低頻，高頻部分含量大幅減少；在裂紋快速擴(kuò)展階段直到最大應(yīng)力降時(shí)，高頻成分進(jìn)一步降低，且聲發(fā)射信號(hào)頻域主要集中在主頻附近；從線彈性變形階段到裂紋快速擴(kuò)展階段，直至巖石失穩(wěn)破壞階段產(chǎn)生最大應(yīng)力降時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的主頻快速降低，高頻成分逐步減少，主頻幅值和時(shí)域幅值均快速增大，信號(hào)持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)；在裂紋快速擴(kuò)展階段和產(chǎn)生最大應(yīng)力降時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)時(shí)域幅值相差不大，但主頻、主頻幅值和信號(hào)持續(xù)時(shí)間卻相差較大，在最大應(yīng)力降時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的主頻幅值和信號(hào)持續(xù)時(shí)間均遠(yuǎn)大于裂紋快速擴(kuò)展階段；在最大應(yīng)力降時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的主頻最低，僅為3.80 kHz，高頻部分含量大幅減少，主頻幅值、時(shí)域幅值和信號(hào)持續(xù)時(shí)間均達(dá)到最大值，巖石發(fā)生劈裂，預(yù)示著宏觀破壞即將發(fā)生。

表1 巖樣變形破裂過程各階段1#通道聲發(fā)射時(shí)域頻域參數(shù)

4 結(jié) 論

(1)聲發(fā)射事件率可作為判斷粗晶正長(zhǎng)花崗巖加載過程5個(gè)階段的重要因素，在粗晶正長(zhǎng)花崗巖變形破壞過程中，巖石失穩(wěn)破壞階段的聲發(fā)射事件率最大，裂紋快速擴(kuò)展階段聲發(fā)射事件率次之，裂紋壓密階段和裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段聲發(fā)射事件率基本相等，線彈性變形階段聲發(fā)射事件率最小。

(2)聲發(fā)射事件率可作為判斷正長(zhǎng)花崗巖破壞前兆的一個(gè)重要指標(biāo)，從線彈性變形到巖石失穩(wěn)破壞的各階段轉(zhuǎn)換過程中，聲發(fā)射事件率均會(huì)快速增大，當(dāng)聲發(fā)射事件率達(dá)到最大值、聲發(fā)射能量也突然增大時(shí)，可以認(rèn)為進(jìn)入了巖石失穩(wěn)破壞階段，巖石有發(fā)生破壞的危險(xiǎn)，需采取防治措施。

(3)在加載初期，聲發(fā)射事件主要集中在試樣一側(cè)下方；隨著荷載的增加，聲發(fā)射事件源從試樣的一側(cè)下方逐漸向上方移動(dòng)；在進(jìn)入裂紋快速擴(kuò)展階段時(shí)，聲發(fā)射事件主要集中在試樣一側(cè)上方；在接近巖石失穩(wěn)破壞階段時(shí)，聲發(fā)射事件增加的速率和聲發(fā)射能量均達(dá)到最大值；在巖石失穩(wěn)破壞階段，試樣達(dá)到峰值應(yīng)力后立即整體破壞。

(4)從線彈性變形階段到裂紋快速擴(kuò)展階段，直至巖石失穩(wěn)破壞階段產(chǎn)生最大應(yīng)力降時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)的主頻快速降低，高頻成分逐步減少，主頻幅值和時(shí)域幅值均快速增大，信號(hào)持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)。最大應(yīng)力降時(shí)聲發(fā)射信號(hào)的主頻最低，主頻幅值、時(shí)域幅值和信號(hào)持續(xù)時(shí)間均達(dá)到最大值，巖石發(fā)生劈裂，預(yù)示著宏觀破壞即將發(fā)生。

(5)聲發(fā)射事件率結(jié)合聲發(fā)射信號(hào)的主頻、主頻幅值、時(shí)域幅值和信號(hào)持續(xù)時(shí)間可作為判斷粗晶正長(zhǎng)花崗巖變形破壞的前兆信息。