单轴加载作用下花岗闪长斑岩声发射特性与破坏前兆研究

朱香港，梁进乐，高飞雁，熊国雄，梅甫定

(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，湖北 黄石 435101)

声发射(acoustic emission，AE)是指材料在受到外界荷载作用下，其内部储存的能量以瞬态弹性波的形式快速释放并伴有声响的一种普遍物理现象[1]。声发射现象的提出吸引了大量学者的研究，国内外研究表明：在岩石声发射试验中，岩石内部状态变化的微弱信号可以通过每一个声发射事件被捕捉，因此对其进行收集、处理和分析，便可以推断和评估岩石内部微裂纹的发展演化历程，在此基础上，可获取岩石失稳破坏的前兆信息[1-3]。

为保障地下工程的作业安全，对岩石失稳破坏进行预测预警十分必要，而精准捕捉岩石失稳破坏的前兆信息对预测预警精度影响较大。众多学者开展了大量的岩石声发射特征研究，其中，针对加载应力峰值强度前声发射特征参数变化规律和b值变化特征研究较多，针对声发射特征参数和b值之间的联合判别则少有研究。李庶林等[4]通过岩石单轴加载声发射试验发现并非所有的岩石都具有典型的Kaiser效应特征点；尹贤刚等[5]通过室内岩石加载试验发现声发射平静期分形维数的下降能预示岩石即将失稳破坏；张黎明等[6]开展大理岩常规三轴加荷破坏试验，发现声发射频率和b值的变化特征与围压有关；李小军等[7]研究了不同岩性岩样在变形过程中声发射波形和b值，发现岩体动力失稳破坏机理的复杂性。

声发射b值的概念源于地震学研究，“G-R关系式”的提出使得b值的概念得到广泛应用[8]。由于声发射b值的变化特征能够较好地反映各类岩石内部微裂缝的演化特征，且声发射b值峰值后的突降也可作为岩石发生宏观失稳破坏的前兆之一[9-10]，因此，对岩石声发射b值特性的研究已成为判断岩石受载失稳破坏特性的重要手段之一[11-14]。

基于此，本文提出了一种岩石失稳破坏的联合判别依据，即采用电液伺服岩石力学试验系统，对花岗闪长斑岩试样开展单轴加载声发射试验，研究其失稳破坏过程中声发射特性与前兆信息，对比现有研究成果，进一步完善岩石声发射b值特性的研究，试图探寻一个较为准确的岩石失稳破坏临界值，进行岩体的稳定性监测研究，为岩体失稳破坏监测预警技术的应用提供依据。

1 岩石声发射试验

1.1 岩样制备

花岗闪长斑岩岩芯取自于湖北省大冶市铜绿山矿-605 m中段，加工为高100 mm，直径50 mm的标准试件，如图1所示。制样过程依据《工程岩体试验方法标准》(GB/T 50266—2013)，加工精度符合标准要求。

1.2 试验方案设计

单轴加载试验采用以电液伺服岩石力学试验系统为主，全信息声发射仪检测系统为辅，实时捕捉岩样受载失稳破坏过程的声发射信息。应力和声发射同步监测系统示意图如图2所示，共进行三组试验，每组包含4个试样。

图1 花岗闪长斑岩岩芯试件Fig.1 Core specimen of granodiorite porphyry

图2 应力和声发射同步监测系统示意图Fig.2 Schematic diagram of stress and acoustic emission synchronous monitoring system

加载试验采用位移控制加载方式并设置合理的加载速率。声发射监测系统采用4通道信号同步采集，采样频率为10 msps，声发射监测系统的前置增益为60 dB，门槛值设为60 mV以避免外界环境噪声干扰，并采用外部触发启动方式。采用RS-2A型声发射传感器，不锈钢金属外壳与陶瓷检测面保证了信号接收的稳定性。声发射传感器测点布置采用了上下两组沿直径的布置方式，保证基本全面覆盖声波的有效监测范围，确保高效捕捉岩石声发射信号，单轴加载方式下声发射传感器的布置方式如图3所示。

图3 单轴压缩试验传感器布置示意图Fig.3 Schematic diagram of sensor arrangementin uniaxial compression test

2 声发射特征参数结果分析

花岗闪长斑岩试样在同一试验环境下完成单轴压缩试验，选取岩样破坏现象突出、声发射现象具有典型特征的3个试样进行分析，并将其分别标记为试样A-1、试样A-2、试样A-3。单轴加载失稳破坏全过程中声发射特征参数与时间的变化关系曲线分别见图4和图5。

图4 应力与时间、轴向应变关系曲线Fig.4 Relation curve of stress with time and axial strain

由图4可知，试样A-1、试样A-2、试样A-3受力变形失稳破坏的特点大体上相近，单轴加载作用下失稳破坏全过程可分为初始压密、弹性变形、塑性变形和峰后破坏4个阶段。

由图5可知，试样在进行单轴加载试验初期，即初始压密阶段，岩样处于低应力状态，岩石内部自然存在的微裂缝受力作用下挤压摩擦，间断伴随有声发射事件的产生，但声发射振铃计数率较低。

随着应力的增加，岩样进入弹性变形阶段，此时以弹性变形为主，分析发现，在Kaiser效应特征点之前，岩石内部新裂缝不明显，声发射事件数有所增加但仍处于波动变化，声发射现象出现了持续时间较长的稳定期。进一步发现，在弹性变形阶段，应力、轴向应变增量出现相对等时增长的线性变化特征，此时时间效应对岩石力学试验无影响。

在持续时间较长的弹性变形阶段之后，岩样进入塑性变形阶段，岩样发生塑性变形，其内部形态发生剧烈变化，伴随着新裂缝的产生、发育和扩张，新裂缝的衍生和贯穿效应致使岩石声发射事件大量产生，呈指数增长现象。

在加载应力达到峰值强度的80%～90%时，大多数岩样的等应力增量间隔时间明显增加(图5)，此时振铃计数率会随时间呈现大幅度反复振荡的非稳定期，可以视为岩样受载作用下失稳破坏的前兆信息，岩样即将产生宏观破坏[15]。峰值应力后，振铃计数率迅速回落至最低点，单次试验结束。

图5 不同试样应力、振铃计数率与时间关系曲线Fig.5 Relation curve of stress,ringing count rate andtime of different samples

3 声发射b值特征

3.1 声发射b值定义和计算方法

关于岩石声发射b值的定义，早在1941年研究世界地震活动性时，便率先解释了地震频度随震级呈指数减少的规律，即著名的“G-R关系式”，见式(1)。

lgN=a-bM

(1)

式中：M为地震震级；N为相应的地震次数；a和b为常数，b描述了震源尺度分布的比例，b值的概念由此提出。

在计算岩石声发射b值时，“G-R关系式”中的震级由幅值代替，计算公式见式(2)。

lgN=a-b(AdB/20)

(2)

式中，AdB为声发射事件的最大振幅。

在岩石声发射试验中，b值描述了岩体内部裂纹扩展尺度的比例。为了简化函数之间关系，用ML来表示AdB/20，见式(3)。

lgN=a-b×ML

(3)

式中，N为相应的声发射事件振幅值的事件率。

以“G-R关系式”为参考，利用式(3)对岩石声发射b值进行研究。在计算b值时采用最小二乘法，利用MATLAB软件工具，开展岩样受载失稳破坏全过程中声发射b值的演变规律研究。

3.2 单轴加载条件下花岗闪长斑岩声发射b值总体分析

试样A-1、试样A-2、试样A-3的声发射振幅与频度关系见图6，分别对3组数据进行拟合，其声发射b值和拟合度R2统计表见表1。由图6和表1可知，3个典型试样的声发射振幅与频度分布均表现出良好的线性关系。

图6 声发射振幅与频度关系图Fig.6 Relationship between acoustic emissionamplitude and frequency

表1 声发射b值和拟合度R2统计表Table 1 Statistical table of acoustic emission b value andfitting degree R2

在典型的常规单轴加载方式下，3个典型试样声发射幅值分布情况如图7所示。所谓幅值事件率，即信号强度最大且绝对值相同的声发射事件出现的频次，也可用振幅的频度来表示。由图7可知，单轴加载作用下声发射信号的幅值事件率随幅值的增大呈递减趋势，但整体不构成线性变化关系。

图7 声发射幅值分布情况图Fig.7 Distribution of acoustic emission amplitude

声发射大幅值信号是指信号强度最大绝对值大于或等于90 dB的声发射事件。通过对比发现，随着加载速率的增大，声发射大幅值信号所占比例明显增加，从试样A-1的6.81%上升至试样A-3的22.54%，表明岩石内部结构演化剧烈强度的提升，即岩石试样在受载作用下，增大加载速率将导致其内部新裂缝的产生、发展和贯穿活动增多，声发射现象活动性增强。

3.3 声发射振铃计数率与b值关系分析

现有研究表明，声发射b值随时间的变化趋势，在一定程度上能够反映出在常规的岩石力学试验中岩体内部承压状态，同时可推断其内部形态的微观变化和岩体失稳破坏机理，具有一定的物理力学意义。振铃计数率则反映出声发射的活动频度，常用于评价声发射源的活动性。基于此，本文借助MATLAB软件工具，采用最小二乘法对单轴加载作用下的花岗闪长斑岩试样受载变形破坏全过程的声发射b值进行计算，进而得到了其随时间的变化规律。选取合适的采样窗口和步长进行计算，计算结果如图8所示。

图8 声发射b值计算结果Fig.8 Calculation results of acoustic emission b value

试样的应力、b值、振铃计数率与时间变化关系曲线见图9，由图9可知，振铃计数率与b值的整体变化趋势具有高度相似性。在Kaiser效应特征点之前，声发射b值缓慢上升，此时相对应的声发射活动性较低。值得一提的是，振铃计数率与b值几乎同步变化至峰值水平。

图9 不同试样应力、b值、振铃计数率与时间变化关系曲线Fig.9 Variation curve of stress,b value,ring count rate and time of different samples

通常将声发射b值峰值之后较短时间段内的直线式下降现象称之为“断崖式”回落。而声发射b值“断崖式”回落过程中出现的稳定波动点称之为“波动中值”。由上述分析可知，“断崖式”回落过程中都会经历一个“波动中值”现象，且“波动中值”的最低点对应的加载应力集中在应力峰值强度的80%～90%范围内，此后，振铃计数率与b值会在较短时间内出现明显的波动回落现象，可以视为岩样受载作用下失稳破坏的前兆信息，岩样即将产生宏观破坏。

岩石声发射振铃计数率与b值的对比分析方法在前人研究中尚未提及。因此，可以将声发射b值与振铃计数率进行联合分析，将“波动中值”作为岩样受载作用下失稳破坏的前兆，实现对岩体承载状态的精准监测预警，防止岩爆或冲击地压事故发生，本研究成果为岩体变形破坏预测预警提供理论依据，在实际生产过程中具有一定的参考价值。

湖北大冶铜绿山铜铁矿立足矿山现有开采条件，结合矿山生产现场实际现状，正在开展应用型研究，合理布设地压监测网，对开采区域实行重点监测，开展原岩应力测量、岩体二次应力测量、变形位移测量和岩体声发射监测等，形成一套完整的矿山地压监测系统，对监测采集数据进行实时分析，结合前人研究成果和上述岩体失稳破坏的前兆判据，建立多因素指数体系，及时准确掌握采空区周边围岩变化情况及井下地压变化情况，完善矿山地压安全监测，预测岩体的稳定性，避免灾害事故发生，确保井下安全生产。

4 结 论

1) 通过对花岗闪长斑岩试样进行单轴加载破坏声发射试验发现，振铃计数率与b值的整体变化趋势具有高度相似性，均能反映岩石承载作用下其内部新裂缝的产生、发育、贯穿直至失稳破坏的变化规律。

2) 当加载应力达其峰值强度的80%～90%时，振铃计数率进入大幅度反复振荡的非稳定期，此时声发射b值的峰后“断崖式”回落中也出现“波动中值”，此现象可作为岩石失稳破坏前的判据。