岩石破坏过程中声发射波形参数的变化规律

周永伟， 张鹏海， 赵永川， 熊少雄， 刘 刚， 秦 涛

(1.辽宁有色勘察研究院， 沈阳 110002； 2.东北大学 资源与土木工程学院， 沈阳 110819; 3.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室， 哈尔滨 150022)

岩石破坏过程中声发射波形参数的变化规律

周永伟1， 张鹏海2， 赵永川2， 熊少雄2， 刘 刚3， 秦 涛3

(1.辽宁有色勘察研究院， 沈阳 110002； 2.东北大学 资源与土木工程学院， 沈阳 110819; 3.黑龙江科技大学 黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室， 哈尔滨 150022)

为揭示岩石破坏机制，通过蚀变花岗片麻岩单轴压缩声发射实验，分析岩石破裂过程中平均频率及上升角度倒数的变化规律，并依据其分布特征研究裂纹的破裂类型、拉伸与剪切裂纹所占比例的变化情况。结果表明：平均频率在岩石受力过程中出现上升-下降-波动的变化趋势，而上升角度倒数在岩石受力过程中出现小幅波动-突增-波动的变化趋势。平均频率明显下降及上升角度倒数的突增可作为岩石处于较高应力水平的标志。剪切裂纹所占的比例随着应力的增加呈先降低再升高的趋势。在岩石破坏前，剪切裂纹的比例出现突增，最高可超过50%。该研究可为岩石破坏前兆的判断提供可靠依据。

蚀变花岗片麻岩； 破裂； 声发射； 平均频率； 上升角度倒数

岩石破坏的实质是其内部微裂纹萌生、扩展直至形成宏观断裂面的过程。声发射是一种裂纹萌生、扩展的伴生现象。通过对声发射信号的采集及分析可以帮助了解岩石内裂纹的数量、位置、尺度及类型[1-3]。岩石中的裂纹一般可分为拉伸、剪切及混合三种类型。矩张量分析是一种较常用的裂纹类型区分手段，其中简化格林函数法(SiGMA)是一种十分有效的矩张量分析方法[4-5]，该方法不仅可以区分裂纹类型，还可以获得裂纹的倾向、倾角，因此，被许多学者应用于岩石破裂机制的研究中[6-7]。一些学者还利用波的初动极性对裂纹类型进行区分，比如拉伸裂纹产生的声发射波的初动应该是压缩的，考虑初动极性识别的误差，一般将压缩比例大于75%的声发射源归类为拉伸裂纹。以上两种方法均以定位声发射源为前提，考虑到岩石受载过程中大多数破裂并不能被定位[8-9]，所以利用该方法区分裂纹类型显然舍弃了大量声发射数据。

为充分利用采集的声发射数据，可用声发射波形参数来区分裂纹类型[10]。一些类岩石材料的声发射实验表明[11]，拉伸型裂纹对应的平均频率较高、上升角度倒数较低，而剪切型裂纹对应的平均频率较低、上升角度倒数较高。因此，平均频率及上升角度倒数可用于区分裂纹类型。目前，关于平均频率及上升角度倒数用于区分岩石材料裂纹类型的研究还少有报道。针对该问题，文中进行了蚀变花岗片麻岩的声发射实验，分析声发射波形参数平均频率、上升角度倒数的变化规律以及裂纹的破裂类型，以期揭示岩石破坏前的声发射前兆现象及破坏机制。

1 声发射实验

将从河北省遵化市石人沟铁矿取回的蚀变花岗片麻岩大块岩石加工成尺寸为φ50 mm×100 mm的圆柱体试件。加载方式为0.003 mm/s的单轴位移加载。试件编号、强度如表1所示。

实验设备包括TAW-2000 kN微机控制电液伺服压力机及SH-II型声发射监测系统。声发射监测系统参数设置如下：前置增益40 dB；采样频率1 MHz；预触发256；门槛值45 dB。八个声发射传感器均匀布设于距试件上下断面20 mm的试件表面。

表1 试件的力学参数

2 声发射波形参数与变化规律

2.1声发射波形参数

图1 声发射波形参数

2.2变化规律

实验岩石试件存在多纵向裂纹(Sy2)、人字型(Sy4)和局部(Sy5)三种破坏模式，如图2所示。

a 多纵向裂纹破坏，Sy2

b 人字型破坏，Sy4

c 局部破坏，Sy5

试件平均频率及上升角度倒数随时间变化曲线的绘制采用滑动窗口法，窗口长为100个声发射波形，滑动距离同样为100个声发射波形，计算结果对应的时间为窗口中最后一个声发射波形的撞击时刻。

2.2.1 平均频率

图3为试件Sy2、Sy4和Sy5的平均频率、应力随时间的变化曲线。由图3可知，平均频率在岩石受力过程中出现上升-明显下降-波动的变化趋势。平均频率下降后开始波动的应力水平分别约为0.92σc(Sy2)、0.85σc(Sy4)以及0.98σc(Sy5)，其中σc为峰值应力。

a Sy2

b Sy4

c Sy5

2.2.2 上升角度倒数

图4为试件Sy2、Sy4和Sy5的上升角度倒数、应力随时间的变化曲线。由图4可知，在较低应力下上升角度倒数及其波动幅度均较小。随着应力的升高，上升角度倒数在较高应力下出现突增，突增现象出现的应力水平与平均频率明显下降对应的应力水平相同。

a Sy2

b Sy4

c Sy5

Fig.4Changesofstressandreciprocalofriseanglewithtime

由上述可知，平均频率明显下降及上升角度倒数的突增可作为岩石处于较高应力水平的标志。

对比平均频率及上升角度倒数的变化过程，当岩石进入高应力水平时，两者表现出非常明显的负相关变化关系，即平均频率大幅下降的同时上升角度倒数明显上升。因此，平均频率及上升角度倒数间负相关性的增加也可作为岩石处于高应力水平的标志。

3 裂纹类型的判别

拉破裂对应的平均频率较高、上升角度倒数较低，而剪切破裂对应的平均频率较低、上升角度倒数较高。如图5所示，若以平均频率为纵轴、上升角度倒数为横轴，绘制声发射波形的散点图，可用一过原点的直线将散点分成两部分，直线以上为拉伸型裂纹，而直线以下则为剪切型裂纹。基于矩张量分析的结果，一些学者推荐使用斜率为200∶1的直线来区分混凝土受力过程中产生的裂纹类型[12]。虽然该直线的斜率会受到材料自身性质的影响，但由于混凝土与岩石是性质相近的脆性材料，并且斜率的微小改变仅会影响拉伸及剪切裂纹间的相对比例，而不会对这种相对比例的变化趋势造成影响，因此，文中亦采用斜率为200∶1的直线来区分裂纹类型。

图5 平均频率及上升角度倒数的关系

Fig.5Relationshipbetweenaveragefrequencyandreciprocalofriseangle

绘制试件Sy2、Sy4及Sy5的平均频率及上升角度倒数散点图(图6)。图6中数据点的分布并未形成如图5中所示的两个独立聚集区域，其原因应是岩石破裂过程中存在一些拉-剪混合裂纹，这些裂纹对应的平均频率及上升角度倒数恰好介于拉伸裂纹及剪切裂纹之间，将两个本应独立的区域连接起来。

a Sy2

b Sy4

c Sy5

Fig.6Relationshipbetweenaveragefrequencyandreciprocalofriseangle

将图6中位于直线下方的裂纹归类为剪切裂纹，位于直线上方的归类为拉伸裂纹，利用滑动窗口法可计算剪切裂纹占总裂纹数的比例随时间的变化曲线(图7)，窗口长度及滑动距离均为100个声发射波形，计算结果对应的时间为窗口中最后一个声发射波形的撞击时刻。

a Sy2

b Sy4

c Sy5

如图7所示，剪切裂纹所占的比例k会随着应力的增加表现出先降低再升高的变化趋势。在中等应力水平之前，剪切裂纹所占的比例处于20%左右。随后，随着应力的增加会下降至10%左右。最后，在高应力水平下，剪切裂纹的比例出现突增及大幅波动，剪切裂纹所占的比例最高已超过50%。

4 结 论

(1)平均频率在岩石受力过程中出现上升-下降-波动的变化趋势，上升角度倒数在岩石受力过程中出现小幅波动-突增-波动的变化趋势。平均频率明显下降及上升角度倒数的突增可作为岩石处于较高应力水平的标志。

(2)剪切裂纹所占的比例随应力的增大表现出先降低再升高的变化趋势。在中等应力水平之前，剪切裂纹所占的比例约为20%。随着应力的增大下降至10%左右。在岩石破坏前，剪切裂纹的比例出现突增及大幅波动，最高可超过50%。

[1] Cai M， Kaiser P K， Tasaka Y， et al．Generalized crack initiation and crack damage stress thresholds of brittle rock masses near underground excavations[J]． Int J Rock Mech Min， 2004， 41(5)： 833-847．

[2] 纪洪广, 卢 翔. 常规三轴压缩下花岗岩声发射特征及其主破裂前兆信息研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(4): 694-702.

[3] 许 江， 李树春， 唐晓军， 等． 单轴压缩下岩石声发射定位实验的影响因素分析[J]． 岩石力学与工程学报， 2008， 27(4)： 765-772．

[4] Ohtsu M． Simplified moment tensor analysis and unified decomposition of AE source: application in situ hydrofracturing test[J]． J Geophys Res， 1991， 96(B4)： 6211-6221.

[5] Zhou J R, Yang T H, Zhang P H, et al. Formation process and mechanism of seepage channels around grout curtain from microseismic monitoring: a case study of Zhangmatun iron mine, China[J]. Engineering Geology, 2017, 226： 301-315.

[6] Liu J P， Li Y H， Xu S D． Estimation of cracking and damage mechanisms of rock specimens with precut holes by moment tensor analysis of acoustic emission[J]． International Journal of Fracture， 2014, 188(1)： 1-8．

[7] 徐世达， 李元辉， 刘建坡， 等． 基于矩张量分析的花岗岩破裂声发射特征实验[J]． 东北大学学报(自然科学版)， 2014， 35(3)： 433-437．

[8] Lockner D． The role of acoustic emission in the study of rock fracture[J]. lnt J Rock Mech Min Sci & Geomech Abstr， 1993， 30(7)： 883-899．

[9] 李庶林, 林朝阳, 毛建喜, 等. 单轴多级循环加载岩石声发射分形特性试验研究[J]. 工程力学, 2015, 32(9): 92-99.

[10] 张鹏海. 基于声发射时序特征的岩石破裂前兆规律研究[D]. 沈阳： 东北大学, 2015.

[11] Aggelis D G， Soulioti D V， Sapouridis N， et al．Acoustic emission characterization of the fracture process in fibre reinforced concrete[J]. Construction & Building Materials， 2011， 25(11)： 4126-4131．

[12] Ohno K, Ohtsu M. Crack classification in concrete based on acoustic emission[J]. Construction & Building Materials, 2010, 24(12): 2339-2346.

(编校王 冬)

Underlyinglawbehindacousticemissionwaveformparametersduringrockfractureprocess

ZhouYongwei1,ZhangPenghai2,ZhaoYongchuan2,XiongShaoxiong2,LiuGang3,QinTao3

(1.Liaoning Nonferrous Geological Exploration Research Institute, Shenyang 110002, China; 2.School of Resources & Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China； 3.Heilongjiang Ground Pressure & Gas Control in Deep Mining Key Lab, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper introduces an effort to investigate the acoustic emission(AE) precursors of rock failure. The research effort consists of performing AE tests on altered granite gneiss under the condition of uniaxial compression; analyzing the change laws underlying the average frequency and the reciprocal of rise angle during the rock failure process, using sliding window method; determining the crack type by the average frequency and the reciprocal of rise angle; and ultimately identifying the change law behind the proportion of tensile and shear cracks. The study demonstrates that the process of rock force sees an average frequency varying from rise and fall to fluctuation, accompanied by a tendency to slightly fluctuate, drastically ascend, and fluctuate in the reciprocal of rise angle; the drastic decrease of the average frequency and the drastic increase of reciprocal of rise angle can be indicative of rocks in s high stress level; with the increase of stress comes an initial increase and a subsequent decrease in the proportion of shear cracks; and the rock failure is preceded by a sharp increase in the proportion of shear cracks, an increase of more than 50%. The combined analysis of the average frequency, reciprocal of rise angle, and fracture type can provide a reliable basis for judging rock failure precursor.

altered granite gneiss; failure; acoustic emission; average frequency; reciprocal of rise angle

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.06.005

TU452

2095-7262(2017)06-0597-05

A

2017-10-12

国家自然科学基金项目(51604062)；东北大学博士后科研基金项目(20170313); 黑龙江省自然科学基金项目(E2015031)

周永伟(1986-)，男，山东省潍坊人，工程师，硕士，研究方向:岩土工程管理与研究，E-mail:370149477@qq.com。