不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

张宁博，齐庆新，欧阳振华，李宏艳，赵善坤，徐子杰,3

(1.煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院，北京 100013;2.煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013;3.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

张宁博1,2，齐庆新1,2，欧阳振华1,2，李宏艳1,2，赵善坤1,2，徐子杰1,2,3

(1.煤炭科学研究总院 矿山安全技术研究分院，北京 100013;2.煤炭科学研究总院 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室，北京 100013;3.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000)

利用TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机和德国VallenAMSY-6声发射信号采集系统，对大理岩在单轴压缩、等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行研究，并用快速傅里叶转换(FFT)对单轴压缩试验全过程的声发射信号、循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的声发射信号频谱特性进行了分析。试验结果表明:单轴压缩试验过程中，声发射主频带主要位于两个区域——低于200 kHz区间和300 kHz附近，并且随着加载应力的增加，主频由低频向高频转移，主频幅值总体呈下降趋势；提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α，并指出单轴压缩过程中次主比呈上升趋势。分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的主频变化不明显，Felicity点的次主比总体大于Kaiser点；采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中“明显增多”的尺度能够观察到明显的Felicity效应。

声发射；频谱分析；循环加卸载；主频；Felicity效应

声发射是指材料或结构在受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象[1]。早在20世纪30年代末期，奥伯特和杜瓦尔就发现受压力作用的岩石具有声发射现象，并把声发射技术应用到矿山矿柱岩体稳定性和岩爆的监测预报中[2-3]。此后，声发射技术在岩土工程和矿山岩体稳定性监测方面得到了推广应用[4]。

声发射可有效地反映岩石变形破坏过程中内部状态的变化。现在，利用先进的声发射检测设备对岩石内部裂纹的产生、扩展和贯通进行实时监测，根据采集到的声发射信号对岩石受力破裂失稳过程进行解释，已经成为研究岩石细观尺度损伤破坏过程的一种重要方法。通常声发射技术采用参数分析法来处理声发射信号，对波形只是简单表述，然而声发射波形中蕴含了大量的信息，可以更全面地反映声发射信号特征。目前，对声发射信号的研究主要集中在参数分析上，对于频谱分析中主频的研究却很少,李楠等[5]对循环加载和分级加载条件下岩石损伤破坏过程中的频谱特性进行了研究，指出岩石在加载过程中的不同阶段，声发射主频、主频带宽度会随着应力变化呈现出一定的规律性；李俊平等[6]研究了水力耦合作用下岩石的声发射特征，认为岩石在加载过程中的声发射频谱特性与渗流作用、岩石强度以及应力因素有关；苗金丽[7]对不同岩性岩石在岩爆试验中声发射频谱结果进行了分析，得出岩性不同，其频谱中不同频段的集中程度以及变化幅度均不同；王恩元等[8]研究了受载煤体声发射的频谱特性及变化规律，认为随着载荷增大，其声发射信号增强，主频带增高；李俊平等[9]认为岩石受载过程中的主频变化受岩石强度及其所受应力的影响；何建平等[10]分析了岩体破裂变形过程与声发射事件时序分布特征之间的关系，指出声发射主频时序参数的突变是临近破坏的征兆。

本文根据不同应力路径下大理岩声发射试验，对采集的声发射波形信号进行快速傅里叶变换(FFT)，探讨单轴压缩过程中主频的变化规律以及循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点声发射信号主频的特性，这是以前研究中很少涉及到的，因此有一定的研究意义。

1 岩石声发射试验

1.1 试验设备

加载系统为TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机，由计算机进行精确控制。声发射测试采用德国Vallen公司生产的AMSY-6声发射信号采集系统，经环境噪音测试，门槛值设为45 dB，探头谐振频率为20～80 kHz，采样频率为10 MHz。采用六通道采集声发射数据。探头位置采用如图1方式布置。每个通道对应一个独立的声发射探头和前置放大器，探头与岩石表面接触处涂上真空封脂，为了消除压头与试件端面摩擦对声发射试验造成的影响，在试件上下端面各加垫一层聚乙烯塑料。试验系统如图2所示。

图1 声发射探头布置方式Fig.1 The arrangement method of AE sensors

图2 大理岩声发射试验系统Fig.2 Experimental equipment of AE test of marbles

1.2 试验样品及试验内容

所采用的岩石为大理岩方形试件，尺寸50 mm×50 mm×100 mm，不平行度等几何精度要求均满足国家标准[11]。试验试样分为3组，其中单轴压缩试验4个，等幅循环加卸载试验3个，分级循环加卸载试验3个。

1.3 试验测试方案

单轴压缩试验采用轴向位移加载方式，加载速度为0.12 mm/min，直至试件压坏；等幅循环加卸载试验的循环峰值为单轴压缩试验所得平均单轴抗压强度的60%，加卸载方式均为0.12 mm/min的位移加载，卸载下限负荷为5 kN，循环次数为3，最终加载至试件破坏；分级循环加卸载试验采用0.12 mm/min的速度进行加载，第1级峰值负荷为200 kN，以后逐级增加25 kN，卸载下限负荷均为5 kN，循环次数为10。

2 试验结果与分析

声发射信号处理方法有参数分析法和频谱分析法，综合上述两种方法对试验系统所采集到的声发射信号进行处理，以期更好地描述岩石加载过程中的声发射特性。其中，快速傅里叶变换(FFT)是一种已被广泛应用的谱分析方法，它能较好地反映信号的全局频谱特征。因此本文采用快速傅里叶变换研究岩石受载破裂过程中声发射信号的频谱随着载荷变化的演化规律。

2.1 单轴压缩过程中大理岩声发射特征

由图3～5可知，加载初期的压密阶段，岩石内部存在的原生微裂隙、微孔洞在应力的作用下，裂隙面之间发生闭合、错动并伴有摩擦的产生，此阶段新生裂隙产生较少，裂纹扩展不明显，较高幅值集中的频带，即主频主要分布在低频频段(小于100 kHz)，此时的主频幅值较大，主频主要集中在50 kHz左右，主频带宽度不会超过200 kHz，次主频出现的现象不明显。岩石在弹性阶段伴随着大量新裂纹的产生，声发射信号的高频成分增加，导致主频带向高频移动，次主频现象明显，大量次主频分布在300 kHz附近。随着应力增加，岩石进入塑性阶段，该阶段裂纹的产生以及扩展、贯通达到高峰，此时弹性阶段的次主频变成主频，包含高频成分的信号大量产生，同时该阶段的主频幅值达比较低，且在岩石失稳前又出现增高的趋势。岩石失稳前，即图4，5中的C—D阶段，该阶段特点是声发射信号均大于100 dB，超出了探头0～99 dB的检测范围，因此在曲线图上显示为空白区域。李廷芥等[12]指出，岩石破坏前声发射信号会出现反常现象。该反常现象在循环加卸载试验中也有类似情况，即岩石破裂前的一段时间内，会产生大量高幅值(超过100 dB)的声发射信号。该现象是否在其他岩石破坏前发生以及是否可以作为岩石破坏前兆对岩石破裂进行预判仍需进一步试验研究。

图3 单轴压缩过程各阶段幅频特性曲线Fig.3 Amplitude-versus-frequency curve in different stages of uniaxial compression

图4 单轴压缩过程中应力、主频与时间的曲线Fig.4 Curves of stress，main frequency and time under uniaxial compression

图5 单轴压缩过程中应力、主频幅值与时间的曲线Fig.5 Curves of stress，main frequency amplitude and time under uniaxial compression

为了更好地反映加载过程中主频和次主频之间的关系以及声发射波形信号的变化规律，提出一个新的反映声发射波形信号的指标——次主比α，它是指频谱分析中次主频与主频的比值，即

式中，f1为对声发射信号进行频谱分析所得的主频；f2为次主频。

图6，7分别为单轴压缩过程中的次主比α和300 kHz附近点成为主频的次数与总次数的比值β随时间变化曲线。可以看出，次主比α和β均随着时间总体呈上升趋势，异常凸起点的出现是由于该点处能量释放率比较高，裂纹扩展速率比较快，或者产生大的贯通裂纹。在图7中，弹塑性阶段β值居高不下，而在压密阶段和弹性阶段β值很小或几乎为0，因此β值的升高可以说明岩石受力进入了弹塑性阶段或塑性阶段。

图6 单轴压缩过程应力、次主比与时间的曲线Fig.6 Curves of stress，SF(secondary frequency)-by-MF (main frequency)ratio and time under uniaxial compression

图7 单轴压缩过程应力、β与时间的曲线Fig.7 Curves of stress，β and time under uniaxial compression

2.2 等幅循环加卸载过程中大理岩声发射特征

1963年Goodman发现岩石材料中存在Kaiser效应[13]，许多学者在研究中还发现岩石声发射还存在Felicity效应，又称为反Kaiser效应。由图8可知，第2，3个循环中产生的AE数明显少于其他两个循环，其中加载过程产生声发射主要是由于裂隙扩展以及裂隙面的闭合、摩擦。由图8很难看出明显声发射的转折点，即Kaiser点。但是从图9可以看出，当循环应力达到最大值时，相应地能量释放率也取得峰值，Kaiser效应显著。

图8 等幅循环加卸载应力、AE数与时间的曲线Fig.8 Curves of stress，AE counts and time under constant amplitude cyclic loading and unloading

图9 等幅循环加卸载应力、能量释放率与时间的曲线Fig.9 Curves of stress，energy release rate and time under constant amplitude cyclic loading and unloading

为了研究Kaiser点处声发射的特性，在应力峰值点处取其前后2 s内探头接收到的信号进行分析,得到相应Kaiser点的平均主频、主频幅值A1(100 kHz附近)、主频幅值A2(300 kHz附近)和次主比等统计数据见表1。

表1等幅循环加卸载Kaiser点起始时刻及相应统计参数
Table1Thestartingmomentandstatisticalpara-meteratthestartingmomentofKaiserpointunderconstantamplitudecyclicloadingandunloading

时间/s平均主频/kHzA1/mVA2/mV次主比α235～237100 470 07460 01890 3311584～58686 960 07790 02570 3362934～936105 000 04510 01380 3422

由表1可以看出，Kaiser点的平均主频分布在85～105 kHz，主频幅值集中在0.07左右，次主比α相对比较稳定，在0.33～0.34。该值处于单轴压缩过程的次主比-时间曲线(图6)上的A-B段，而等幅循环的峰值应力为单轴抗压强度的64%，对应应力-时间曲线上的弹性阶段，与用次主比判断结果一致。故用次主比判断岩石处于何种应力状态有一定的合理性。

2.3 分级循环加卸载过程中大理岩声发射特征

为了更好地分析循环加卸载过程中的Kaiser效应和Felicity效应，加卸载的循环次数采用了10次。轴向应力的Felicity比能较好地反映材料中原先所受损伤或结构缺陷的严重程度。一般情况下，Felicity比小于1.0意味着损伤的增长，且Felicity比越小，表示原先所受损伤或结构缺陷越严重。陈宇龙等[14]对砂岩的Felicity效应进行了探讨，指出只要声发射“明显增多”的尺度范围设定合理，则对Felicity比的演化趋势没有影响。首次循环加载峰值为72.49，第2次循环加载到72.51时，声发射AE数为27。采用27作为Kaiser效应中“明显增多”的尺度，得到Felicity比随时间变化曲线如图10所示。从图10可以看出，加载初期，Felicity比在1附近基本保持不变，表现出明显的Kaiser效应；加载后期，岩石开始产生塑性破坏，Felicity比开始下降，Felicity效应显著。故采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中“明显增多”的尺度是合理的，且能够观察到明显的Felicity效应。

图10 分级循环加卸载应力、Felicity比与时间的曲线Fig.10 Curves of stress，Felicity ratio and time under tiered cyclic loading and unloading

对分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点等关键点处的频谱进行分析，所得结果如图11～13所示。图中关键点的平均主频主要分布在80～115 kHz，并总体呈略降趋势，且Kaiser点较Felicity点更稳定一些。主频幅值主要介于0.03～0.08 mV之间，并且幅值的变化趋势与主频有一定的相似性。次主比随循环次数的增加呈总体上升趋势，这是由于岩石破坏由弹性阶段逐渐进入塑性阶段，声发射主频由低频向高频转移，导致次主比逐渐增加。从图13可以看出，Felicity点的次主比总体大于Kaiser点。

图11 分级循环加卸载应力、主频与时间的曲线Fig.11 Curves of stress，main frequency and time under tiered cyclic loading and unloading

图12 分级循环加卸载应力、主频幅值与时间的曲线Fig.12 Curves of stress，main frequency amplitude and time under tiered cyclic loading and unloading

图13 分级循环加卸载应力、次主比与时间的曲线Fig.13 Curves of stress SF(secondary frequency)-by-MF(main frequency)ratio and time under tiered cyclic loading and unloading

3 结 论

(1)岩石在单轴压缩过程中，随着应力水平的增加，岩石破坏过程中产生的声发射信号的频谱特征显出一定的规律性，声发射信号主频由低频带向高频带转移，次主频现象历经从无到有的变化过程，并最后发展成为主频，且随着岩石所受应力的逐渐增加，主频幅值总体呈下降趋势。此外，岩石失稳前，声发射信号会出现一个高幅值的“异常平静期”。

(2)提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α，并指出单轴压缩过程中次主比随应力增加呈上升趋势，分级循环加卸载过程中Felicity点的次主比总体大于Kaiser点。

(3)岩石等幅循环加卸载过程中Kaiser点的平均主频分布在85～105 kHz，主频幅值集中在0.07 mV左右，次主比α相对比较稳定，在0.33～0.34，与单轴压缩试验过程中的弹性阶段有很好的对应。

(4)采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中“明显增多”的尺度能够观察到明显的Felicity效应。

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Experimentalonacousticemissioncharacteristicsofmarblewithdifferentstresspaths

ZHANG Ning-bo1,2，QI Qing-xin1,2，OUYANG Zhen-hua1,2，LI Hong-yan1,2，ZHAO Shan-kun1,2，XU Zi-jie1,2,3

(1.InstituteofCoalSafetyandTechnology，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China;2.StateKeyLaboratoryofCoalMiningandCleanUtilization,ChinaCoalResearchInstitute,Beijing100013，China;3.SchoolofMechanicsandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China)

Using TAW-2000 servo testing machine and Germany VallenAMSY-6 acoustic emission signal acquisition system,the acoustic emission characteristics of marble under uniaxial compression,constant amplitude cyclic loading and unloading and tiered cyclic loading and unloading were studied.In addition,using Fast Fourier Transformation(FFT),the acoustic emission spectrum characteristics of marble under uniaxial compression and Kaiser points and Felicity points in the process of tiered cyclic loading and unloading were analyzed.Test results show that:Firstly,main frequency locate mainly in two areas,which are the regions less than 200 kHz and near 300 kHz,and the main frequency varies from low frequency to high frequency and the amplitude of main frequency declines on the whole with the increasing stress.Secondly,a new indicator to reflect acoustic emission waveform information,namely SF(secondary frequency)-by-MF(main frequency)ratioα,was put forward and in the process of uniaxial compression test SF(secondary frequency)-by-MF(main frequency)shows ascendant trend.Thirdly,the change of main frequency at Kaiser point and Felicity point is not obvious and the SF(secondary frequency)-by-MF(main frequency)ratio at Felicity point is higher than the one at Kaiser point in the hierarchical cyclic loading and unloading process.At last,by regarding AE(Acoustic Emission)counts at the point of stress in the second cycle whose stress is equal to the peak stress of first cycle as the “significant increased” scale of Kaiser effect,obvious Felicity effect is showed.

acoustic emission;spectrum analysis;cyclic loading and unloading;main frequency;Felicity effect

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0193

国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2010CB226806);国家科技重大专项资助项目(2011ZX05040-002)；国家国际科技合作专项资助项目(2011DFA61790)

张宁博(1989—)，男，河北衡水人，硕士研究生。E-mail:znb444@sina.com

TD315

A

0253-9993(2014)02-0388-06

张宁博，齐庆新，欧阳振华,等.不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究[J].煤炭学报,2014,39(2):388-394.

Zhang Ningbo，Qi Qingxin，Ouyang Zhenhua,et al.Experimental on acoustic emission characteristics of marble with different stress paths[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):388-394.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0193