劉希靈，劉清林，杜 坤，李夕兵，謝 秦

中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410083

隨著礦產(chǎn)資源開(kāi)采活動(dòng)日漸趨向深部，礦產(chǎn)開(kāi)采過(guò)程中巖體的穩(wěn)定性也越來(lái)越受到人們的關(guān)注，而巖石破裂狀況監(jiān)測(cè)是巖體穩(wěn)定性評(píng)估的最重要手段，對(duì)于巖石的破裂狀況監(jiān)測(cè)需要對(duì)斷裂機(jī)理有深入的認(rèn)識(shí).通常情況下，巖石材料在受力后，會(huì)產(chǎn)生張拉、直剪和扭剪三種破裂模式[1]，而Ⅰ型張拉破壞是巖石破裂的主要類型，這在很多學(xué)者的研究中得到了共識(shí)[2-5].因此，對(duì)于巖石張拉破壞特性的研究不僅有助于深入認(rèn)識(shí)巖石的斷裂機(jī)理[6-7]，還可以為工程現(xiàn)場(chǎng)巖體的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)提供理論依據(jù).很多學(xué)者對(duì)巖石的張拉破裂特性開(kāi)展了研究[8-10]，而聲發(fā)射技術(shù)作為一種有效的破裂監(jiān)測(cè)手段，常被用來(lái)作為一種輔助手段對(duì)巖石的斷裂特性進(jìn)行研究，并且大量的研究表明，地震前震序列的機(jī)制可以通過(guò)室內(nèi)巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中觀察到的微破裂活動(dòng)得到再現(xiàn)[11-15].

在巖石破裂的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)中，Aggelis等[16]通過(guò)分析聲發(fā)射信號(hào)的RA(振幅與上升時(shí)間比值)與AF(平均頻率) 參數(shù)，研究了大理巖試樣在三點(diǎn)彎曲破壞下的破裂機(jī)制；Nejati等[17]基于RA 與AF值指標(biāo)，研究了巴西劈裂試驗(yàn)過(guò)程中加載速率對(duì)破裂機(jī)制的影響；劉希靈等[18]通過(guò)開(kāi)展花崗巖和大理巖巴西圓盤聲發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)合掃描電鏡進(jìn)行破裂面微觀形貌分析，探討了劈裂荷載下巖石聲發(fā)射特性與微觀破裂機(jī)制的關(guān)系；Xie等[19]采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)裝置和INSTRON1346伺服試驗(yàn)機(jī)在純I型加載條件下對(duì)巴西圓盤(CSTBD)直穿裂縫頁(yè)巖試樣進(jìn)行了測(cè)試，基于聲發(fā)射信號(hào)的分析結(jié)果，探討了頁(yè)巖斷裂韌性和裂紋擴(kuò)展速度隨加載速率變化的斷裂機(jī)理.Du等[20]通過(guò)巴西間接拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲巖石試驗(yàn)，研究了巖石斷裂過(guò)程中的聲發(fā)射特征和裂紋類型，試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和能量特征參數(shù)的變化趨勢(shì)，巖石破裂過(guò)程表現(xiàn)出明顯的分段變化特征，并存在明顯的增長(zhǎng)期，巖石的聲發(fā)射特征與巖石破裂過(guò)程中產(chǎn)生的微裂紋類型密切相關(guān).同時(shí)，也有學(xué)者開(kāi)展了不同應(yīng)變率下巖石破裂的聲發(fā)射特性研究，通過(guò)分析聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)得到隨著應(yīng)變率的升高，巖樣中拉伸破裂占比增加[21-22].以往學(xué)者所做的巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)多采用常規(guī)機(jī)械加載方式，在這些實(shí)驗(yàn)研究中聲發(fā)射作為一種有效的分析巖石斷裂機(jī)理的手段，常被用來(lái)檢測(cè)裂紋從萌生到擴(kuò)展再到宏觀破裂產(chǎn)生的彈性波信號(hào)，進(jìn)而通過(guò)揭示巖石破裂損傷機(jī)理.

在常規(guī)的張拉聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，由于加載設(shè)備的影響，傳感器會(huì)收到很多非破裂信號(hào)，如果用定位的方法來(lái)確定破裂信號(hào)，則會(huì)損失很多小幅值的信號(hào)，這對(duì)通過(guò)聲發(fā)射數(shù)據(jù)分析破裂特性會(huì)產(chǎn)生較大的影響.基于此本文設(shè)計(jì)了一種膨脹劑擴(kuò)張的巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)研究巖石在張拉作用下破裂的聲發(fā)射特性.該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的是確保傳感器收集的聲發(fā)射信號(hào)都是由巖石試樣的破裂產(chǎn)生的，而不依賴于定位來(lái)識(shí)別有效的破裂信號(hào).進(jìn)而通過(guò)分析張拉破裂下聲發(fā)射信號(hào)的特征參數(shù)，深入認(rèn)識(shí)張拉破裂產(chǎn)生的彈性波信號(hào)的特征，同時(shí)也為深部開(kāi)采巖體穩(wěn)定性的微震以及聲發(fā)射監(jiān)控提供理論支撐.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)選取花崗巖、大理石、砂巖三種巖石類型各一塊作為研究對(duì)象，均制成為105 mm×105 mm×105 mm 正方體試樣如圖1所示.三種巖石的礦物成分分別是花崗巖含有石英、斜長(zhǎng)石、鉀長(zhǎng)石和少量黑云母，大理石主要含方解石和白云石，砂巖的主要礦物組成是石英，三種巖石不管是在巖石的成因、顆粒組成以及節(jié)理裂隙發(fā)育方面都可以作為研究巖石聲發(fā)射特性的代表巖樣.實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)采用PCI-2采集系統(tǒng)，相關(guān)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1.按照?qǐng)D2粘貼好應(yīng)變片和聲發(fā)射傳感器(壓電式聲發(fā)射傳感器Nano30，帶寬 125 ～ 750 kHz，諧振頻為 140 kHz)并將相應(yīng)設(shè)備與采集系統(tǒng)連接后，在采集系統(tǒng)采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)之前，需要做幾組斷鉛實(shí)驗(yàn)，確保每一個(gè)傳感器都與巖樣表面處于最佳的耦合狀態(tài)，這樣聲發(fā)射傳感器才能在長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中穩(wěn)定接收高質(zhì)量的信號(hào).斷鉛實(shí)驗(yàn)達(dá)到預(yù)期后，在將準(zhǔn)備好的膨脹劑和水?dāng)嚢杈鶆?膨脹劑和水的質(zhì)量比率為5∶1.7)，然后將混合物勻速澆灌到巖石試樣的孔洞中，避免在澆灌膨脹劑和水的混合物時(shí)在孔洞中產(chǎn)生氣泡，然后啟動(dòng)聲發(fā)射和應(yīng)變采集系統(tǒng)開(kāi)始實(shí)驗(yàn).

圖2 膨脹劑擴(kuò)張破裂的聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the rock AE experimental system for expansion fracture

表1 聲發(fā)射采集系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置Table 1 AE instrument parameter setups

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 聲發(fā)射信號(hào)特征參數(shù)的變化規(guī)律

花崗巖、大理巖和紅砂巖巖石試樣的聲發(fā)射參數(shù)幅值、能量、累積計(jì)數(shù)和應(yīng)變數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化曲線如圖3所示.由于花崗巖、大理巖和紅砂巖試樣分別在13000，98000和16000 s以前采集的聲發(fā)射信號(hào)很少，所以圖3是從13000 s，9800 s和16000 s開(kāi)始分別記錄花崗巖，大理巖和紅砂巖的聲發(fā)射參數(shù)和應(yīng)變隨時(shí)間變化的關(guān)系.

從圖3可以看出，花崗巖、大理巖和紅砂巖分別在 13000 ～ 16025 s、100000 ～ 108929 s和 17250 ～17888 s之間累積計(jì)數(shù)近似呈水平增長(zhǎng).而三種巖石試樣分別在 16025 ～ 17199 s、108927 ～ 08930 s和17888 ～ 17890 s之間發(fā)生了宏觀破裂，累積計(jì)數(shù)快速增長(zhǎng)，能量也達(dá)到了峰值.為了更清楚的說(shuō)明三種巖石宏觀破裂期間累積計(jì)數(shù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)，我們選取了上述三種宏觀破裂發(fā)生時(shí)間段的累積計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行線性擬合，線性擬合的一次項(xiàng)系數(shù)越大，說(shuō)明數(shù)據(jù)增長(zhǎng)趨勢(shì)越快.如表2所示，花崗巖、大理巖、紅砂巖宏觀破裂階段累積計(jì)數(shù)擬合的一次項(xiàng)系數(shù)分別為149.45、104797、20254.花崗巖的擬合曲線一次項(xiàng)系數(shù)遠(yuǎn)小于大理巖和紅砂巖，這說(shuō)明花崗巖的累積計(jì)數(shù)在宏觀破裂過(guò)程中的增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯比紅砂巖、大理巖緩慢，這與三種巖石聲宏觀破裂階段聲發(fā)射信號(hào)能量變化有很大的相關(guān)性.

表2 三種巖石宏觀破裂階段累積計(jì)數(shù)線性擬合一次項(xiàng)系數(shù)Table 2 Linear fitting first-order coefficients of cumulative counts during macroscopic fracture stages of the three rock samples

花崗巖在巖石試樣發(fā)生宏觀破裂時(shí)存在連續(xù)多次能量突增現(xiàn)象，而大理巖和紅砂巖只存在一次能量突增的現(xiàn)象，這說(shuō)明花崗巖的破裂過(guò)程有一定的持續(xù)性.出現(xiàn)這種現(xiàn)象說(shuō)明作為火成巖的花崗巖，其內(nèi)部礦物顆粒較大，組成復(fù)雜，與大理巖和紅砂巖礦物顆粒組成有明顯的區(qū)別，花崗巖在發(fā)生宏觀破裂之前局部(尤其是大礦物顆粒邊界)更容易形成大尺度的破裂，因此花崗巖會(huì)有持續(xù)的能量突增，大理巖和紅砂巖的巖石顆粒較小，在膨脹力作用下在宏觀破裂時(shí)只出現(xiàn)一次能量突增.

此外，在地震活動(dòng)中存在前震、主震和余震[23]，從圖3可以看出，膨脹劑擴(kuò)張的巖石聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)也存在類似于地震事件的現(xiàn)象：在巖石試件宏觀破裂前產(chǎn)生一定數(shù)量的聲發(fā)射事件，巖石試件形成宏觀破裂時(shí)產(chǎn)生大量密集聲發(fā)射事件，巖石試樣發(fā)生宏觀破裂后依然會(huì)有相當(dāng)數(shù)量的聲發(fā)射事件.

圖3 聲發(fā)射特征參數(shù)和應(yīng)變隨時(shí)間變化曲線.(a)花崗巖；(b) 大理巖；(c) 紅砂巖Fig.3 Variation curve of AE parameters and strain over time: (a) granite; (b) marble; (c) red sandstone

2.2 聲發(fā)射信號(hào)的頻率特征

信號(hào)中心頻率是聲發(fā)射信號(hào)能譜圖對(duì)應(yīng)的質(zhì)心頻率，聲發(fā)射事件的高頻成分占比較高時(shí)中心頻率較高，反之中心頻率較低，中心頻率能表示聲發(fā)射事件的頻率成分分布特征.對(duì)于巖石這種多晶體、各向異性材料來(lái)說(shuō)，其破裂模式與礦物顆粒的組成以及礦物晶體的性質(zhì)密切相關(guān)，結(jié)構(gòu)體(層理、夾層、弱面等)和礦物顆粒之間的耦合(膠結(jié)物、填充物或空隙)決定了巖石宏觀破裂的形態(tài)，而晶體的性質(zhì)決定了巖石內(nèi)部微裂紋發(fā)展的方式.不同類型的破裂就會(huì)產(chǎn)生不同特征的聲發(fā)射信號(hào)，而頻率則是表征彈性波震源特性的一個(gè)重要參數(shù).對(duì)于巖石聲發(fā)射而言，不同類型的震源產(chǎn)生不同尺度的破裂，不同尺度的破裂則產(chǎn)生不同頻率的信號(hào).聲發(fā)射信號(hào)頻率與破裂尺度的關(guān)系在眾多研究中都有提及[24-27]，結(jié)果都表明巖石在不同加載階段聲發(fā)射信號(hào)頻率有明顯的變化，這與不同加載階段的破裂尺度有很大的關(guān)系，信號(hào)頻率的變化特征甚至可以作為判斷宏觀破壞發(fā)生的前兆信息.

圖4顯示了三種巖石聲發(fā)射信號(hào)中心頻率隨膨脹劑作用時(shí)間的變化特征，整體上來(lái)看，在加載后期出現(xiàn)較多中心頻率較低的聲發(fā)射信號(hào)，這說(shuō)明加載后期大尺度破裂增加，但由于巖樣是沿著預(yù)定面破裂，這種頻率降低的變化并不明顯.為了進(jìn)一步顯示各巖樣不同頻率成分的顯著性，我們繪制了如圖5所示的各頻段聲發(fā)射信號(hào)的分布圖.從圖5可以看出，花崗巖中心頻率主要分布在100 ～300 kHz，大理巖中心頻率主要分布在200 ～ 400 kHz，紅砂巖中心頻率主要分布在200～500 kHz.因此，花崗巖較低頻率事件占比較多，大理巖較高頻率事件占比較多，紅砂巖高頻的事件占比最多.此外，花崗巖、大理巖和紅砂巖300～500 kHz頻段的事件占比分別在20%，30%和60%左右，紅砂巖高頻事件占比最高，大理巖次之，花崗巖高頻事件占比最低.這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因在于：如圖6所示[28]，花崗巖內(nèi)部礦物顆粒較大，不同大小的礦物顆粒膠結(jié)復(fù)雜，大尺度的礦物顆粒交界面破裂就會(huì)產(chǎn)生低頻率的信號(hào)；而大理巖礦物顆粒較小且均一，這會(huì)產(chǎn)生較多小尺度破裂，高頻信號(hào)占比會(huì)增加；進(jìn)一步，紅砂巖礦物顆粒在三種巖石試樣中最小、最均勻，因此高頻信號(hào)占比也最多.

圖4 三種巖石中心頻率的時(shí)域分布散點(diǎn)圖.(a) 花崗巖；(b) 大理巖；(c) 紅砂巖Fig.4 Scatter diagram of the centroid frequency in the time domain of the three rock samples: (a) granite; (b) marble; (c) red sandstone

圖5 三種巖石不同中心頻率頻段聲發(fā)射事件占比分布圖.(a) 花崗巖；(b) 大理巖；(c) 紅砂巖Fig.5 Distribution of AE events in different centroid frequency intervals of the three stones: (a) granite; (b) marble; (c) red sandstone

圖6 三種巖石微觀結(jié)構(gòu)圖.(a)花崗巖；(b)大理巖；(c)紅砂巖Fig.6 Microstructure of rocks in the transparent refractive index experiment: (a) granite; (b) marble; (c) red sandstone

2.3 聲發(fā)射信號(hào)RA-AF值分布特征

在巖石、混凝土材料室內(nèi)聲發(fā)射試驗(yàn)中，RA值(上升時(shí)間/幅值)可以作為實(shí)驗(yàn)試樣破裂類型評(píng)判的指標(biāo)參數(shù)，常與平均頻率AF值(計(jì)數(shù)/持續(xù)時(shí)間)一起分析巖石或混凝土材料的破裂模式.高AF值低RA值對(duì)應(yīng)拉伸破裂，而高RA值低AF值對(duì)應(yīng)著剪切破裂[18,20,22].

如圖7 (a)，(c)，(e)分別為花崗巖、大理巖和紅砂巖的RA-AF值的散點(diǎn)圖，為了更清楚展現(xiàn)RA-AF 的分布規(guī)律，圖7 (b)，(d)，(f)分別為花崗巖、大理巖和紅砂巖的RA-AF值分布的密度云圖.三種巖石的RA值主要分布在0 ～ 1.9之間，花崗巖AF值主要分布在200 ～ 250 kHz，大理巖和紅砂巖AF值主要分布在50 ～ 100 kHz之間.從圖中可以看出，大部分的聲發(fā)射信號(hào)都是高AF值低RA值，說(shuō)明花崗巖、大理巖和紅砂巖在膨脹力作用下主要發(fā)生張拉破壞.

圖7 三種巖樣RA-AF散點(diǎn)圖和密度云圖.(a)，(c)，(e)分別為花崗巖、大理巖、紅砂巖RA-AF散點(diǎn)圖；(b)，(d)，(f)分別為花崗巖、大理巖、紅砂巖RA-AF密度云圖Fig.7 RA-AF distribution and density cloud diagram of the three kinds rock samples: (a), (c), (e) is RA-AF scatter diagram of granite, marble and red sandstone respectively; (b), (d), (f) is density cloud diagram of granite, marble and red sandstone respectively

2.4 全波形P波初動(dòng)極性分析

在對(duì)聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行P波初動(dòng)極性分析前，需對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從聲發(fā)射事件的數(shù)據(jù)文件中篩選出含有編號(hào)為1 ～ 6號(hào)聲發(fā)射傳感器依次出現(xiàn)的聲發(fā)射事件序列組，再篩選出聲發(fā)射事件組中最晚采集的事件時(shí)間與最早采集事件時(shí)間差值小于12 μs (震源到每?jī)蓚€(gè)聲發(fā)射傳感器距離之差最大值與彈性波波速的比值)的事件組.進(jìn)而提取出這些聲發(fā)射事件組中每個(gè)傳感器的波形數(shù)據(jù)，提取出波形數(shù)據(jù)后，需要拾取各波形的P波到時(shí)數(shù)據(jù).常用的P波到時(shí)拾取方法有STA/LTA[29-30]，PAI-S/K[31]和AIC[32]等方法，然而STA/LTA法雖具有計(jì)算速度快、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，但拾取精度較低，拾取低信噪比信號(hào)的P波初至較為困難.而PAIS/K法和AIC法精度較高，但穩(wěn)定性差，容易受尖刺和尾部信號(hào)的影響.因此，本文采用S/L-K-A法[33]對(duì)每個(gè)聲發(fā)射事件進(jìn)行全波形P波初至拾取，S/LK-A法是STA/LTA，PAI-K和AIC的改進(jìn)方法，其綜合了上述三種拾取方法的優(yōu)點(diǎn)，既有較高的精度，又能穩(wěn)定拾取.

在對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行P波初至拾取后，即可開(kāi)展P波初至極性分析.P波初至極性與巖石破裂類型之間有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們區(qū)分巖石破裂類型的簡(jiǎn)單方法是計(jì)算具有正向P波初動(dòng)和負(fù)向P波初動(dòng)的壓電信號(hào)的比值.如果大多數(shù)傳感器具有正向或負(fù)向的P波初動(dòng)，則分別將這些事件命名為T-型和C-型，否則(-0.25和0.25之間的極性)被命名為S-型[34].P波初至的平均極性可根據(jù)公式(1)計(jì)算而得[35]：

其中，k為聲發(fā)射傳感器的個(gè)數(shù)，pol是微破裂源的平均極性，Ai為全波形P波初至的幅值，sign( )函數(shù)中當(dāng)Ai為負(fù)，函數(shù)值為-1；Ai為 0，函數(shù)值為 0；Ai為正，函數(shù)值為1.當(dāng)pol∈[-1, -0.25)時(shí)，微破裂屬于張拉破裂源 (T-型)；當(dāng) pol∈[-0.25, 0.25)時(shí)，微破裂為剪切破裂源 (S-型)；當(dāng) pol∈[0.25, 1]時(shí)，微破裂源為坍縮破裂源(C-型).

圖8顯示了通過(guò)上述步驟計(jì)算得到的pol參數(shù)值，從圖中可以看出，pol值主要分布在[-1, -0.25)之間，其中花崗巖的比率為77.71%，大理巖為79.5%，紅砂巖為87.42%，說(shuō)明巖石試樣多發(fā)生T-型破裂.花崗巖和大理巖pol∈[-0.25, 0.25) 的聲發(fā)射事件占比幾乎為零，因此花崗巖和大理巖中很少發(fā)生S-型破裂，而作為沉積巖的紅砂巖pol∈[-0.25, 0.25)的聲發(fā)射事件占比為9.93%左右，存在一定數(shù)量的S-型破裂.花崗巖和大理巖的pol∈(0.25,1] 事件占比分別為22.15% 和20.5%，這說(shuō)明這兩種巖石中C-型破裂也較多.

圖8 三種巖石實(shí)驗(yàn)中T-型、C-型和S-型破裂源聲發(fā)射事件數(shù)所占比率.(a)花崗巖；(b)大理巖；(c)紅砂巖Fig.8 Proportion of T-type, C-type, and S-type AE events in experiments of the three rock samples: (a) granite; (b) marble; (c) red sandstone

圖9顯示了膨脹劑作用下巖樣的受力圖，處于巖石試樣孔洞之間的微元體受到膨脹劑的擠壓和張拉作用力時(shí)，由于巖石材料的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其抗壓強(qiáng)度所以巖石微裂紋主要在張拉力作用下擴(kuò)展，發(fā)生圖9(b)所示的T-型破裂.另一方面，如果在巖樣中存在較多的節(jié)理面，則可能會(huì)產(chǎn)生如圖9(c)所示的區(qū)域微元體受力狀況，節(jié)理面會(huì)在擠壓和張拉力的作用下發(fā)生剪切破裂，從而產(chǎn)生S-型破裂源，這也正是紅砂巖pol∈[-0.25, 0.25)的聲發(fā)射事件占比較多的原因.對(duì)于C-型破裂源來(lái)說(shuō)，如圖9(d)所示，巖石試樣中存在原生裂隙，在擠壓和張拉力作用下不可避免發(fā)生原生裂隙的坍縮閉合，這些坍縮閉合則屬于C-型破裂源.對(duì)于礦物顆粒較大、組成復(fù)雜的花崗巖和大理巖來(lái)說(shuō)，受力后容易在礦物顆粒之間或內(nèi)部的空隙中發(fā)生坍縮閉合，這就導(dǎo)致這兩種巖石中產(chǎn)生較多C-型破裂源.

圖9 (a) 膨脹劑作用下巖石試樣受力示意圖；(b) T-type破裂示意圖；(c) S-type破裂示意圖；(d) C-type破裂示意圖Fig.9 (a) Schematic diagram of the force in the rock sample under the action of the expansion agent; (b) T-type rupture; (c) S-type rupture; (d) C-type rupture

從聲發(fā)射事件P波初動(dòng)極性分析來(lái)看，花崗巖、大理巖和紅砂巖主要發(fā)生張拉破裂，這與三種巖石RA-AF值的分布特征一致，花崗巖和大理巖除了主要發(fā)生張拉破裂之外還有20%左右的裂紋閉合破裂(C-型破裂)，主要原因如圖6所示花崗巖和大理巖中含有較多空隙；紅砂巖除了張拉破裂之外還產(chǎn)生10%左右的S-型破裂，主要是因?yàn)榧t砂巖是沉積巖，含有大量節(jié)理面.另一方面，上文中分析得到，花崗巖、大理巖和紅砂巖的中心頻率大部分分布在200 ～ 400 kHz之間，紅砂巖還有約15%左右的聲發(fā)射事件中心頻率在400～500 kHz，花崗巖和紅砂巖甚至還有部分聲發(fā)射事件的中心頻率高于500 kHz，可以看出三種巖石試樣破裂時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)都屬于高頻信號(hào).對(duì)于張拉型破裂來(lái)說(shuō)，其產(chǎn)生的彈性波P波成分較顯著，而剪切型破裂產(chǎn)生的彈性波S波成分較顯著.由于P波波速要大于S波，因此，從破裂的最初端傳到最遠(yuǎn)端P波脈沖不會(huì)被大量分離，這就使P波脈沖比S波脈沖更窄[36-37].脈沖窄的彈性波頻率就高，這也是膨脹劑實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生較多高頻聲發(fā)射信號(hào)的主要原因.

3 結(jié)論

(1) 頻率是信號(hào)固有的特性，破裂尺度和頻率有著天然的對(duì)應(yīng)關(guān)系，破裂尺度小的產(chǎn)生的彈性波信號(hào)頻率高，破裂尺度大的產(chǎn)生的彈性波信號(hào)頻率低，因此三種巖石試樣(花崗巖、大理巖、紅砂巖)中巖石顆粒最大的花崗巖破裂過(guò)程中產(chǎn)生中心頻率較低的事件占比最大，大理巖次之，而顆粒最小的紅砂巖破裂過(guò)程中產(chǎn)生的高中心頻率事件占比最大，因此在對(duì)破裂信號(hào)進(jìn)行分析時(shí)，頻率是一個(gè)重要的參數(shù).然而，值得注意的是，聲發(fā)射信號(hào)是傳感器收到的來(lái)自破裂處激發(fā)的信號(hào)，其頻率不僅與破裂的尺度和類型有關(guān)，還與傳感器到破裂震源的距離(距離越遠(yuǎn)，高頻成分衰減越大)和傳感器的諧振頻率有關(guān)，因此，不同實(shí)驗(yàn)條件下聲發(fā)射信號(hào)頻率的對(duì)比需綜合考慮上述因素.

(2) RA-AF值分布和P波初動(dòng)極性，都是具有統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律的巖石聲發(fā)射特征參數(shù)，可以很好的判斷破裂源的特征— —張拉型還是剪切型，本文中實(shí)施的巖石試樣膨脹劑張拉試驗(yàn)采集的聲發(fā)射信號(hào)的低RA值高AF值的分布特征，以及pol參數(shù)多分布在[-1,-0.25)的分布特征說(shuō)明采用RA-AF值分布和P波初動(dòng)極性分析巖石破裂源特征的方法是可行的.然而，這兩種方法都只能基于統(tǒng)計(jì)對(duì)破裂類型進(jìn)行定性的描述，RA-AF值不同破裂類型下的分布區(qū)間并沒(méi)有明確的限定，通過(guò)RA-AF值的分布特征只能定性的說(shuō)明聲發(fā)射信號(hào)的頻率特性，并且由于頻率與破裂尺度和模式緊密相關(guān)，進(jìn)而RA-AF的分布特征也在一定程度上反應(yīng)巖樣破裂尺度和模式的分布特征.而P波初動(dòng)極性分析也是基于不同傳感器收到信號(hào)P波初動(dòng)方向的定性分析，因此，不能依據(jù)這兩種方法推斷單個(gè)震源的破裂模式，單個(gè)震源破裂模式的識(shí)別還需借助諸如矩張量反演等方法開(kāi)展分析.