大理岩单轴岩爆试验声发射信号特征研究

张俊思，梅甫定，梅志恒，毛 勇，罗卫兵

（1.中国地质大学（武汉）工程学院，湖北 武汉 430074；2.大冶有色金属有限责任公司丰山铜矿，湖北 黄石 435000）

岩爆是突然的岩石破坏，常常有岩石的破碎和从围岩中突出，并伴随着能量的猛烈释放，是一种动态力学现象[1，2]。岩爆作为金属矿山深部开采时遇到的一种严重的地质灾害，严重威胁着井下作业人员和设备的安全。声发射作为外在响应的一种，是材料在受到外部载荷或是内力作用下发生变形、断裂，贮藏的部分能量集中以弹性波方式释放应变能的过程[3]。声发射是伴随受力和变形过程产生的，根据声发射各种参数的强度、数量、频率等特征分析材料变形破坏的过程，可以建立起声发射特性与其变形过程的内在联系。

采用声发射技术的研究可以归为两类，对声发射信号简化的波形特征参数的研究和对声发射信号波形的频谱分析。基于以上研究，本文选取声发射振铃计数、幅值和能量三个特征参数，以丰山铜矿深部大理岩为试验对象，进行单轴岩爆模拟试验，探索深部大理岩岩爆的发生机理，以期对工程实际具有指导意义。

1 试验设计

试验用大理岩岩芯取自湖北大冶丰山铜矿-440m埋深处，平均天然密度为2.656g/cm3，饱和密度为2.662g/cm3。遵循《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266-2013)要求，经打磨加工成50×100mm标准圆柱形试件，用于试验。

试验过程中，加载系统选用MTS 815电液伺服测试系统，监测系统选用PCI-Ⅱ型声发射监测系统。四个声发射传感器布置在试件两侧，距离端部1cm左右，传感器探头均匀涂抹耦合剂，并用绝缘胶带紧密固定。试验开始时，加载系统同声发射监测系统同步开启。

本试验采取位移控制单轴一次性加载方式，加载至试件发生整体破裂后停止，加载速率0.0020mm/s。为有效降低环境噪音对试验数据的影响，声发射监测系统门槛值设为55dB。据此方法进行多组试验，并发现试件破裂时均出现碎岩弹射，伴有炸裂声响的轻微岩爆现象出现，从加载后破坏的试件中选取具有典型岩爆现象的两试件P-1、P-3展开研究。

2 声发射振铃计数和幅值分析

通过对AE信号处理，获得试件P-1、P-3 AE波形的幅值、振铃计数的变化规律如图1、图2所示。

观察发现AE信号振铃计数的峰值与AE信号幅值的凸起相对应。在压密阶段，由于试样内部裂隙在受压后闭合而产生较多AE信号。在试件P-1中，压密阶段加载用时占破坏全过程的19%。说明原生微裂隙、空隙在外界作用下压实闭合消耗的时间较短，但是AE活动比较活跃。在裂隙被压密后，AE振铃计数出现了短暂的相对平静期，但是AE幅值仍然比较活跃。在180s～220s左右，AE振铃计数出现了一段密集的活动，此时，幅值出现了一次高潮。随后，振铃计数和幅值再次进入平静期。在330s及以后，振铃计数和幅值再次活跃起来，说明此时裂纹开始贯通、连接，最终形成宏观裂纹，直至试件被破坏。

图1 P-1时间-应力-振铃计数-幅值

图2 P-3时间-应力-振铃计数-幅值

与试件P-1相比，试件P-3在整个加载过程中，振铃计数的活动规律与试件P-1基本相同，但是幅值一直表现出中高强度。在压密阶段出现一些高幅值的撞击，随后幅值强度降低，进一步说明在压密阶段的高幅值声发射信号主要是试样内部微裂纹、孔隙等细观结构在外界载荷作用下压密所致。在试件破裂前，P-3和P-1的幅值均表现出急剧增加的趋势，在时间上分别为330s及以后、320s及以后，大量高强度的幅值的聚集说明试件内部裂纹开始扩展、贯通，试件即将破裂。

3 归一化处理分析

3.1 线性函数归一化方法

设样本数据值域为[Min,Max]，则线性函数归一化表达式为：

式中：x、y 分别为转换前、后的值；Max、Min 分别为样本的最大值和最小值。

线性函数归一化具有以下性质：①样本的大小关系保持不变；②样本的相对距离保持不变。采用线性函数归一化处理岩爆过程中监测到的各物理量，在同一尺度下观察个物理量的变化规律，能够较迅速、有效的识别岩爆发生前兆。

3.2 归一化结果分析

由于AE信号各个参量的物理值值域和量纲都不一样，不利于快速的分析出各个参量的突变点出现的先后顺序，也影响各参量之间的关联性分析。因此，笔者选取AE信号的幅值、振铃计数和能量三个特征参数进行归一化处理，综合分析同一尺度下各个参量的变化规律，为岩爆的预警研究提供综合依据。

图3 P-1应力及AE参数归一化值变化

本文采取线性函数归一化处理方法，对AE全波形信号后处理获得振铃、能量和幅值参数变化规律，这里采用岩石破坏时的AE累计数量Na对AE数N进行归一化处理。既归一化比率为：n=N/Na。

AE特征参数的归一化比率变化如图3、图4所示。在初始加载阶段虽然产生少量AE信号，但相比后期岩石破裂的振铃计数数量和对应的幅值及能量极少，说明在压密阶段，AE各特征参数的归一化比率均很小。随后，在三种累计曲线中，AE幅值累计曲线首先开始增大，试件P-1和P-3中时间点分别为80s和170s，此时对应着裂纹的萌生。之后，AE能量累计曲线和AE振铃计数累计曲线开始增大，从中可以发现，AE幅值累计曲线能够快反映裂纹的产生，这一特征可以作为岩爆预警的依据。

观察曲线后可以发现AE振铃计数累计曲线和AE能量累计曲线都呈台阶式增长，图4中P-1累计振铃计数曲线和累计能量曲线表现的尤为突出，一共出现两次台阶，此时曲线接近垂直状态，可以直接反映岩石的宏观破裂。在岩石整个加载过程中，AE累计能量增长曲线和AE累计振铃计数增长曲线的总是相互伴随，同步增加。从中可以说明，振铃计数的记录是伴随着能量的释放，即高振铃计数高能量。

观察AE幅值累计增长曲线，发现在试件破裂前，曲线的增长会有一个“临界点”，分别在试件P-1和P-3的270s、260s左右。这一点可作为岩石弹性变形阶段和裂纹稳定发展阶段的分界点，在“临界点”前岩石处于弹性变形阶段，幅值累计曲线斜率较小。此后，随着载荷的不断增加，曲线斜率逐渐增大，裂纹开始稳定扩展，直至试件被破坏。这一“临界点”可以作为岩爆发生的前兆特征点，为岩爆预警提供理论依据。

4 结论

（1）通过实验发现试件的声发射振铃计数和幅值活动规律基本吻合，但声发射振铃计数在试件破坏前具有明显的相对平静期，这可以为工程实际中的岩爆预警提供理论依据。

（2）试件在压密阶段，由于岩石内部原有裂隙、空洞被压实，振铃计数和幅值的数量明显增加，但信号强度不高。随着试样内部微裂纹的不断扩展、萌生，产生大量的高幅值、高振铃计数的声发射信号。

（3）在幅值、振铃计数和能量三种累计曲线中，幅值累计增长曲线最快开始增大，对裂纹的响应时间最短。AE累计能量增长曲线和AE累计振铃计数增长曲线的总是相互伴随，同步增加。幅值累计增长曲线的初始增长点和曲线增长的“临界点”均可以作为岩爆发生的前兆特征点，为工程实际中此类灾害的发生提供防范指导。