朱香港，梁進(jìn)樂(lè)，高飛雁，熊國(guó)雄，梅甫定

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.大冶有色金屬有限責(zé)任公司，湖北 黃石 435101)

聲發(fā)射(acoustic emission，AE)是指材料在受到外界荷載作用下，其內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量以瞬態(tài)彈性波的形式快速釋放并伴有聲響的一種普遍物理現(xiàn)象[1]。聲發(fā)射現(xiàn)象的提出吸引了大量學(xué)者的研究，國(guó)內(nèi)外研究表明：在巖石聲發(fā)射試驗(yàn)中，巖石內(nèi)部狀態(tài)變化的微弱信號(hào)可以通過(guò)每一個(gè)聲發(fā)射事件被捕捉，因此對(duì)其進(jìn)行收集、處理和分析，便可以推斷和評(píng)估巖石內(nèi)部微裂紋的發(fā)展演化歷程，在此基礎(chǔ)上，可獲取巖石失穩(wěn)破壞的前兆信息[1-3]。

為保障地下工程的作業(yè)安全，對(duì)巖石失穩(wěn)破壞進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)警十分必要，而精準(zhǔn)捕捉巖石失穩(wěn)破壞的前兆信息對(duì)預(yù)測(cè)預(yù)警精度影響較大。眾多學(xué)者開(kāi)展了大量的巖石聲發(fā)射特征研究，其中，針對(duì)加載應(yīng)力峰值強(qiáng)度前聲發(fā)射特征參數(shù)變化規(guī)律和b值變化特征研究較多，針對(duì)聲發(fā)射特征參數(shù)和b值之間的聯(lián)合判別則少有研究。李庶林等[4]通過(guò)巖石單軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并非所有的巖石都具有典型的Kaiser效應(yīng)特征點(diǎn)；尹賢剛等[5]通過(guò)室內(nèi)巖石加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射平靜期分形維數(shù)的下降能預(yù)示巖石即將失穩(wěn)破壞；張黎明等[6]開(kāi)展大理巖常規(guī)三軸加荷破壞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射頻率和b值的變化特征與圍壓有關(guān)；李小軍等[7]研究了不同巖性巖樣在變形過(guò)程中聲發(fā)射波形和b值，發(fā)現(xiàn)巖體動(dòng)力失穩(wěn)破壞機(jī)理的復(fù)雜性。

聲發(fā)射b值的概念源于地震學(xué)研究，“G-R關(guān)系式”的提出使得b值的概念得到廣泛應(yīng)用[8]。由于聲發(fā)射b值的變化特征能夠較好地反映各類巖石內(nèi)部微裂縫的演化特征，且聲發(fā)射b值峰值后的突降也可作為巖石發(fā)生宏觀失穩(wěn)破壞的前兆之一[9-10]，因此，對(duì)巖石聲發(fā)射b值特性的研究已成為判斷巖石受載失穩(wěn)破壞特性的重要手段之一[11-14]。

基于此，本文提出了一種巖石失穩(wěn)破壞的聯(lián)合判別依據(jù)，即采用電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)花崗閃長(zhǎng)斑巖試樣開(kāi)展單軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)，研究其失穩(wěn)破壞過(guò)程中聲發(fā)射特性與前兆信息，對(duì)比現(xiàn)有研究成果，進(jìn)一步完善巖石聲發(fā)射b值特性的研究，試圖探尋一個(gè)較為準(zhǔn)確的巖石失穩(wěn)破壞臨界值，進(jìn)行巖體的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)研究，為巖體失穩(wěn)破壞監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 巖石聲發(fā)射試驗(yàn)

1.1 巖樣制備

花崗閃長(zhǎng)斑巖巖芯取自于湖北省大冶市銅綠山礦-605 m中段，加工為高100 mm，直徑50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，如圖1所示。制樣過(guò)程依據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)，加工精度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

單軸加載試驗(yàn)采用以電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)為主，全信息聲發(fā)射儀檢測(cè)系統(tǒng)為輔，實(shí)時(shí)捕捉巖樣受載失穩(wěn)破壞過(guò)程的聲發(fā)射信息。應(yīng)力和聲發(fā)射同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖2所示，共進(jìn)行三組試驗(yàn)，每組包含4個(gè)試樣。

圖1 花崗閃長(zhǎng)斑巖巖芯試件Fig.1 Core specimen of granodiorite porphyry

圖2 應(yīng)力和聲發(fā)射同步監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of stress and acoustic emission synchronous monitoring system

加載試驗(yàn)采用位移控制加載方式并設(shè)置合理的加載速率。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用4通道信號(hào)同步采集，采樣頻率為10 msps，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的前置增益為60 dB，門(mén)檻值設(shè)為60 mV以避免外界環(huán)境噪聲干擾，并采用外部觸發(fā)啟動(dòng)方式。采用RS-2A型聲發(fā)射傳感器，不銹鋼金屬外殼與陶瓷檢測(cè)面保證了信號(hào)接收的穩(wěn)定性。聲發(fā)射傳感器測(cè)點(diǎn)布置采用了上下兩組沿直徑的布置方式，保證基本全面覆蓋聲波的有效監(jiān)測(cè)范圍，確保高效捕捉巖石聲發(fā)射信號(hào)，單軸加載方式下聲發(fā)射傳感器的布置方式如圖3所示。

圖3 單軸壓縮試驗(yàn)傳感器布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of sensor arrangementin uniaxial compression test

2 聲發(fā)射特征參數(shù)結(jié)果分析

花崗閃長(zhǎng)斑巖試樣在同一試驗(yàn)環(huán)境下完成單軸壓縮試驗(yàn)，選取巖樣破壞現(xiàn)象突出、聲發(fā)射現(xiàn)象具有典型特征的3個(gè)試樣進(jìn)行分析，并將其分別標(biāo)記為試樣A-1、試樣A-2、試樣A-3。單軸加載失穩(wěn)破壞全過(guò)程中聲發(fā)射特征參數(shù)與時(shí)間的變化關(guān)系曲線分別見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 應(yīng)力與時(shí)間、軸向應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of stress with time and axial strain

由圖4可知，試樣A-1、試樣A-2、試樣A-3受力變形失穩(wěn)破壞的特點(diǎn)大體上相近，單軸加載作用下失穩(wěn)破壞全過(guò)程可分為初始?jí)好?、彈性變形、塑性變形和峰后破?個(gè)階段。

由圖5可知，試樣在進(jìn)行單軸加載試驗(yàn)初期，即初始?jí)好茈A段，巖樣處于低應(yīng)力狀態(tài)，巖石內(nèi)部自然存在的微裂縫受力作用下擠壓摩擦，間斷伴隨有聲發(fā)射事件的產(chǎn)生，但聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率較低。

隨著應(yīng)力的增加，巖樣進(jìn)入彈性變形階段，此時(shí)以彈性變形為主，分析發(fā)現(xiàn)，在Kaiser效應(yīng)特征點(diǎn)之前，巖石內(nèi)部新裂縫不明顯，聲發(fā)射事件數(shù)有所增加但仍處于波動(dòng)變化，聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的穩(wěn)定期。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在彈性變形階段，應(yīng)力、軸向應(yīng)變?cè)隽砍霈F(xiàn)相對(duì)等時(shí)增長(zhǎng)的線性變化特征，此時(shí)時(shí)間效應(yīng)對(duì)巖石力學(xué)試驗(yàn)無(wú)影響。

在持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的彈性變形階段之后，巖樣進(jìn)入塑性變形階段，巖樣發(fā)生塑性變形，其內(nèi)部形態(tài)發(fā)生劇烈變化，伴隨著新裂縫的產(chǎn)生、發(fā)育和擴(kuò)張，新裂縫的衍生和貫穿效應(yīng)致使巖石聲發(fā)射事件大量產(chǎn)生，呈指數(shù)增長(zhǎng)現(xiàn)象。

在加載應(yīng)力達(dá)到峰值強(qiáng)度的80%～90%時(shí)，大多數(shù)巖樣的等應(yīng)力增量間隔時(shí)間明顯增加(圖5)，此時(shí)振鈴計(jì)數(shù)率會(huì)隨時(shí)間呈現(xiàn)大幅度反復(fù)振蕩的非穩(wěn)定期，可以視為巖樣受載作用下失穩(wěn)破壞的前兆信息，巖樣即將產(chǎn)生宏觀破壞[15]。峰值應(yīng)力后，振鈴計(jì)數(shù)率迅速回落至最低點(diǎn)，單次試驗(yàn)結(jié)束。

圖5 不同試樣應(yīng)力、振鈴計(jì)數(shù)率與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of stress,ringing count rate andtime of different samples

3 聲發(fā)射b值特征

3.1 聲發(fā)射b值定義和計(jì)算方法

關(guān)于巖石聲發(fā)射b值的定義，早在1941年研究世界地震活動(dòng)性時(shí)，便率先解釋了地震頻度隨震級(jí)呈指數(shù)減少的規(guī)律，即著名的“G-R關(guān)系式”，見(jiàn)式(1)。

lgN=a-bM

(1)

式中：M為地震震級(jí)；N為相應(yīng)的地震次數(shù)；a和b為常數(shù)，b描述了震源尺度分布的比例，b值的概念由此提出。

在計(jì)算巖石聲發(fā)射b值時(shí)，“G-R關(guān)系式”中的震級(jí)由幅值代替，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

lgN=a-b(AdB/20)

(2)

式中，AdB為聲發(fā)射事件的最大振幅。

在巖石聲發(fā)射試驗(yàn)中，b值描述了巖體內(nèi)部裂紋擴(kuò)展尺度的比例。為了簡(jiǎn)化函數(shù)之間關(guān)系，用ML來(lái)表示AdB/20，見(jiàn)式(3)。

lgN=a-b×ML

(3)

式中，N為相應(yīng)的聲發(fā)射事件振幅值的事件率。

以“G-R關(guān)系式”為參考，利用式(3)對(duì)巖石聲發(fā)射b值進(jìn)行研究。在計(jì)算b值時(shí)采用最小二乘法，利用MATLAB軟件工具，開(kāi)展巖樣受載失穩(wěn)破壞全過(guò)程中聲發(fā)射b值的演變規(guī)律研究。

3.2 單軸加載條件下花崗閃長(zhǎng)斑巖聲發(fā)射b值總體分析

試樣A-1、試樣A-2、試樣A-3的聲發(fā)射振幅與頻度關(guān)系見(jiàn)圖6，分別對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，其聲發(fā)射b值和擬合度R2統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。由圖6和表1可知，3個(gè)典型試樣的聲發(fā)射振幅與頻度分布均表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系。

圖6 聲發(fā)射振幅與頻度關(guān)系圖Fig.6 Relationship between acoustic emissionamplitude and frequency

表1 聲發(fā)射b值和擬合度R2統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of acoustic emission b value andfitting degree R2

在典型的常規(guī)單軸加載方式下，3個(gè)典型試樣聲發(fā)射幅值分布情況如圖7所示。所謂幅值事件率，即信號(hào)強(qiáng)度最大且絕對(duì)值相同的聲發(fā)射事件出現(xiàn)的頻次，也可用振幅的頻度來(lái)表示。由圖7可知，單軸加載作用下聲發(fā)射信號(hào)的幅值事件率隨幅值的增大呈遞減趨勢(shì)，但整體不構(gòu)成線性變化關(guān)系。

圖7 聲發(fā)射幅值分布情況圖Fig.7 Distribution of acoustic emission amplitude

聲發(fā)射大幅值信號(hào)是指信號(hào)強(qiáng)度最大絕對(duì)值大于或等于90 dB的聲發(fā)射事件。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，隨著加載速率的增大，聲發(fā)射大幅值信號(hào)所占比例明顯增加，從試樣A-1的6.81%上升至試樣A-3的22.54%，表明巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化劇烈強(qiáng)度的提升，即巖石試樣在受載作用下，增大加載速率將導(dǎo)致其內(nèi)部新裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展和貫穿活動(dòng)增多，聲發(fā)射現(xiàn)象活動(dòng)性增強(qiáng)。

3.3 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率與b值關(guān)系分析

現(xiàn)有研究表明，聲發(fā)射b值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，在一定程度上能夠反映出在常規(guī)的巖石力學(xué)試驗(yàn)中巖體內(nèi)部承壓狀態(tài)，同時(shí)可推斷其內(nèi)部形態(tài)的微觀變化和巖體失穩(wěn)破壞機(jī)理，具有一定的物理力學(xué)意義。振鈴計(jì)數(shù)率則反映出聲發(fā)射的活動(dòng)頻度，常用于評(píng)價(jià)聲發(fā)射源的活動(dòng)性?；诖?，本文借助MATLAB軟件工具，采用最小二乘法對(duì)單軸加載作用下的花崗閃長(zhǎng)斑巖試樣受載變形破壞全過(guò)程的聲發(fā)射b值進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到了其隨時(shí)間的變化規(guī)律。選取合適的采樣窗口和步長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 聲發(fā)射b值計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculation results of acoustic emission b value

試樣的應(yīng)力、b值、振鈴計(jì)數(shù)率與時(shí)間變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖9，由圖9可知，振鈴計(jì)數(shù)率與b值的整體變化趨勢(shì)具有高度相似性。在Kaiser效應(yīng)特征點(diǎn)之前，聲發(fā)射b值緩慢上升，此時(shí)相對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射活動(dòng)性較低。值得一提的是，振鈴計(jì)數(shù)率與b值幾乎同步變化至峰值水平。

圖9 不同試樣應(yīng)力、b值、振鈴計(jì)數(shù)率與時(shí)間變化關(guān)系曲線Fig.9 Variation curve of stress,b value,ring count rate and time of different samples

通常將聲發(fā)射b值峰值之后較短時(shí)間段內(nèi)的直線式下降現(xiàn)象稱之為“斷崖式”回落。而聲發(fā)射b值“斷崖式”回落過(guò)程中出現(xiàn)的穩(wěn)定波動(dòng)點(diǎn)稱之為“波動(dòng)中值”。由上述分析可知，“斷崖式”回落過(guò)程中都會(huì)經(jīng)歷一個(gè)“波動(dòng)中值”現(xiàn)象，且“波動(dòng)中值”的最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的加載應(yīng)力集中在應(yīng)力峰值強(qiáng)度的80%～90%范圍內(nèi)，此后，振鈴計(jì)數(shù)率與b值會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)明顯的波動(dòng)回落現(xiàn)象，可以視為巖樣受載作用下失穩(wěn)破壞的前兆信息，巖樣即將產(chǎn)生宏觀破壞。

巖石聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率與b值的對(duì)比分析方法在前人研究中尚未提及。因此，可以將聲發(fā)射b值與振鈴計(jì)數(shù)率進(jìn)行聯(lián)合分析，將“波動(dòng)中值”作為巖樣受載作用下失穩(wěn)破壞的前兆，實(shí)現(xiàn)對(duì)巖體承載狀態(tài)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)預(yù)警，防止巖爆或沖擊地壓事故發(fā)生，本研究成果為巖體變形破壞預(yù)測(cè)預(yù)警提供理論依據(jù)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中具有一定的參考價(jià)值。

湖北大冶銅綠山銅鐵礦立足礦山現(xiàn)有開(kāi)采條件，結(jié)合礦山生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際現(xiàn)狀，正在開(kāi)展應(yīng)用型研究，合理布設(shè)地壓監(jiān)測(cè)網(wǎng)，對(duì)開(kāi)采區(qū)域?qū)嵭兄攸c(diǎn)監(jiān)測(cè)，開(kāi)展原巖應(yīng)力測(cè)量、巖體二次應(yīng)力測(cè)量、變形位移測(cè)量和巖體聲發(fā)射監(jiān)測(cè)等，形成一套完整的礦山地壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)監(jiān)測(cè)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，結(jié)合前人研究成果和上述巖體失穩(wěn)破壞的前兆判據(jù)，建立多因素指數(shù)體系，及時(shí)準(zhǔn)確掌握采空區(qū)周邊圍巖變化情況及井下地壓變化情況，完善礦山地壓安全監(jiān)測(cè)，預(yù)測(cè)巖體的穩(wěn)定性，避免災(zāi)害事故發(fā)生，確保井下安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 論

1) 通過(guò)對(duì)花崗閃長(zhǎng)斑巖試樣進(jìn)行單軸加載破壞聲發(fā)射試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，振鈴計(jì)數(shù)率與b值的整體變化趨勢(shì)具有高度相似性，均能反映巖石承載作用下其內(nèi)部新裂縫的產(chǎn)生、發(fā)育、貫穿直至失穩(wěn)破壞的變化規(guī)律。

2) 當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)其峰值強(qiáng)度的80%～90%時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)率進(jìn)入大幅度反復(fù)振蕩的非穩(wěn)定期，此時(shí)聲發(fā)射b值的峰后“斷崖式”回落中也出現(xiàn)“波動(dòng)中值”，此現(xiàn)象可作為巖石失穩(wěn)破壞前的判據(jù)。