红砂岩破坏过程声发射震源演化规律及其主频特征

龚 囱，包 涵，王文杰，钟 文，许永斌，赵 奎，曾 鹏

(1.江西理工大学 资源与环境学院，江西 赣州 341000；2.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083)

对岩石工程进行监测预报是金属矿山地下开采亟需解决的共性技术难题。工程实践表明：岩石在破坏过程中具有声发射现象。通过研究某个或几个声发射参数时间系列特征与岩石应力、应变的关系，如声发射事件率、声发射分形维数、声发射值的变化特征，曾在一定时间内是预测岩石破坏的主要方法。由于该类方法所得结果在一定程度上受统计方法、分档间隔大小等因素影响，并且主要通过某声发射参数时间系列的增大或减小来预测岩石的破坏。因此，该类方法总体属定性分析方法。目前，基于声发射主频特征的岩石破坏预测方法已成为研究的热点，并且在一定程度上促进了岩石破坏预测方法由定性分析向定量分析的转变。LU等认为煤-岩发生岩爆时声发射频带具有变宽的趋势。纪洪广等研究发现花岗岩临近破坏时存在声发射主频段增多的现象。JIANG等认为大理岩张拉破坏前低频信号迅速增大。近年来，声发射震源定位技术得到了快速的发展。吴顺川等从应力波消噪、速度模型与定位方法等方面分析了震源定位的影响因素。杨道学等提出了基于粒子群算法的未知波速震源定位方法。在震源定位的基础上，OHSTU将矩张量引入岩石声发射的研究，并将震源分为剪切型震源、张拉型震源与混合型震源。随后，张鹏海、RODRIGUEZ、MCLASKEY等分析了不同类型声发射震源特征。以上研究表明：声发射震源定位技术与基于矩张量分析的震源类型辨识方法，不仅搭建了岩石宏观破裂面几何特征与声发射震源分布、宏观破坏方式与声发射震源类型之间的联系，而且可为研究不同类型震源对应的声发射参数特征提供了条件。

岩石声发射现象实质是微裂纹持续演化的结果。BIENIAWSKI基于室内研究提出了起裂应力与损伤应力等概念，从而为定性研究微裂纹演化特征与应力的关系奠定了基础。由于岩石破坏过程中声发射震源时空演化规律与微裂纹演化活动接近。因此，建立声发射震源时空演化规律与加载应力的关系，对于探索岩石破坏细观机理具有重要理论价值。同时，对岩石破坏进行预测是声发射技术的重要应用之一。然而，监测所得的声发射数据常具有“海量”、离散的特征。因此，在一定程度上降低了相关预测方法的时效性与精确性。何满潮等研究认为声发射频率成分的复杂性与微破裂模式有关，在一定程度上预示着不同类型的声发射震源可能具有不同的主频特征。因此，研究岩石破坏过程中不同类型声发射震源主频特征，对完善岩石破坏预测方法具有重要的意义。

笔者对红砂岩进行了单轴压缩条件下声发射震源定位试验，以矩张量分析方法为主要研究手段，分析了剪切型、张拉型与混合型震源演化规律及其与起裂应力、损伤应力的关系，提出了起裂应力与损伤应力估算方法。在此基础上，分析得到了红砂岩破坏过程中震源主频范围，研究认为相对于张拉型与混合型震源，剪切型震源在微裂纹非稳定发展阶段具有独有的主频特征，并且该特征可作为红砂岩在单轴压缩条件下破坏的前兆特征。研究成果可为探寻岩石破坏细观机理与不同荷载条件下岩石破坏前兆特征的研究提供参考。

1 声发射震源定位试验

1.1 试验仪器与设备

单轴压缩条件下红砂岩破坏过程声发射震源定位试验，由英国生产GDS VIS 400 HPTAS三轴流变仪与美国生产的PCI-2声发射系统完成。其中，GDS-VIS三轴流变仪机架刚度100 kN/mm，最大行程100 mm，分辨率±1/10 000，最大轴向荷载400 kN，荷载精度±0.03%。PCI-2声发射系统具有8个通道，配工作频段为125～750 kHz的Nano30型传感器。主要仪器设备如图1所示。

图1 主要仪器设备

1.2 试件制备

试验所需的红砂岩取至赣州通天岩地区。根据GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》，岩块经钻取、切割与打磨后，制备得到直径为50 mm、高度为100 mm的标准圆柱体试件。其中，试件端面不平行度与直径误差分别控制在0.05 mm与0.3 mm之内，并且试件端面垂直于试件轴线，其误差小于0.25°。标准红砂岩试件，如图2所示。

图2 红砂岩试件

1.3 试验过程与参数设置

单轴压缩条件下红砂岩破坏过程声发射震源定位试验，加载方式采用力控制，加载速率为0.02 kN/s。试件轴向与径向变形分别由行程传感器与LVDT位移传感器采集，其中LVDT位移传感器布置于试件中部。为保证声发射震源定位精度与震源类型辨识对传感器数量的要求。本次试验共对称布置8个Nano30传感器。其中，距试件上端面4个，距试件下端面4个。声发射传感器布置，如图3所示。图中，，，为试件母线，并且与所构平面与与所构平面垂直。图中数字1，2，3，…，8为声发射传感器编号。为降低端部效应对声发射震源定位的影响，选择凡士林为减摩剂。在试件帽与垫片、垫片与试件之间均匀涂抹厚度约为2 mm的凡士林。

图3 声发射传感器布置

试验前，采用RSM-RCT(B)声波测井仪对试件进行波速测试，以便为声发射震源定位精度校核与震源空间坐标计算提供依据。其中，声发射震源定位精度校核由断铅试验完成。试验中，声发射门槛值设置为30 dB，前置增益40 dB，采样频率2 MSPS，采样长度为2 000，预触发为256。

1.4 基本物理力学参数

笔者对4个天然状态下红砂岩试件(Z-1～4)进行了单轴压缩条件下的声发射震源定位试验。由于试验加载方式采用应力控制，当加载应力达到峰值应力时，试件瞬时破坏。因此，图4应力-应变曲线未体现试件破坏后阶段变形特征。根据GB/T 50266—99《工程岩体试验方法标准》，取试件应力-应变曲线直线段的斜率作为岩石的平均弹性模量，相应的泊松比由对应于直线段横向应变增量与轴向应变增量的比值求得。测试结果表明：红砂岩平均单轴抗压强度约60.35 MPa，平均弹性模量6.65 GPa，平均泊松比0.25，平均纵波波速2 248 m/s。各试件测试结果，见表1。

图4 应力-应变曲线

表1 红砂岩基本物理力学参数

2 震源定位与类型辨识

2.1 震源定位方法

声发射震源定位的实质是求解震源产生时间及其对应位置的过程。笔者采用下山单纯形法对声发射震源进行定位。该算法首先需设置一个初始迭代四面体。而后，将四面体4个顶点(′0,′0,′0)分别作为震源坐标(=1,2,3,4)，并计算各传感器对应的到时残差：

=-c-′

(1)

式中，为各传感器拾取到声发射波形的到达时间；′为震源(′0,′0,′0)产生时间；c为震源(′0,′0,′0)到各传感器的传播时间，可由式(2)计算得到。

(2)

式中，，，为传感器坐标；为岩石纵波波速。

随后，剔除残差最大的顶点，并对初始四面体进行拉伸、对称等操作，补充一个新顶点从而构建一个新的四面体。重复以上过程，将震源(′0,′0,′0)坐标值代入目标函数式(3)：

(3)

式中,为传感器数量。

最后，当目标函数满足迭代终止条件时，取四面体顶点中残差最小点为最佳逼近解。

选择单纯性算法进行声发射震源定位，需选择合适的初始迭代值。笔者首先采用最小二乘法得到了震源的大致空间坐标。在此基础上，以最小二乘法所得震源为球心以1 cm为半径，在球面上随机选取,,,作为初始迭代点。具体计算步骤参见文献[17]。

表2给出了断铅试验结果，从表2可以看出，震源定位坐标与实际断铅点坐标误差总体误差在1～3 mm，满足声发射震源定位要求。

表2 断铅试验结果

2.2 震源类型辨识

根据矩张量分析方法对一个声发射震源类型进行辨识，首先最少需提取6个传感器所采集的波形文件，并在此基础上分别计算得到P波对应的初动振幅，以及震源与传感器的距离和方向余弦。而后，按式(4)对矩张量进行求解：

(4)

其中，为传感器灵感度相关系数，可通过断铅方式进行标定；Ref(,)为传感位置坐标处的反射系数，通常取2；为待求矩张量分量，=1,2,3，=1,2,3。随后，对矩张量3个特征值进行归一化处理，并对式(5)进行求解：

(5)

其中，为剪切成分；为拉应力成分；为流体静力学中的拉应力成分；，，分别为最大、中间与最小特征值。最后，根据优势判别方法，按式(6)将震源分为张拉型震源、混合型震源与剪切型震源：

(6)

笔者以震源定位试验结果为基础，对满足类型辨识条件的震源及其对应的波形文件进行了分别提取。在此基础上，编制了基于赤池信息准则(AIC)的P波到时Δ与初动振幅拾取程序。其中，P波到时Δ为AIC函数最小点所对应的时间，初动振幅对应于P波到时Δ之后幅值第1个极值点，如图5所示。作为示例，表3给出了某震源P波到时与初动振幅计算结果。

表3 P波到时与初动振幅计算结果

图5 P波到时与初动振幅拾取

而后，按式(4)对矩张量进行求解，求解结果见式(7)。

(7)

经归一化后的特征值为[-0351 0014 1597]。最后，按式(6)对该震源类型进行辨识。计算结果表明：的相对比例为22.865%，的相对比例为50.833%，的相对比例为26.302%。因此，该震源类型辨识结果为张拉型震源。

3 试验结果

3.1 声发射事件率与振幅特征

岩石破坏过程中所产生的声发射现象是微裂纹持续演化的外在表现。根据岩石变形特征，可将应力-应变曲线近似直线段定义为弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)之前定义为微孔隙压密阶段(Ⅰ)。由于试验加载方式采用力控制，当加载应力达到峰值应力时，试件便瞬时破坏表现出一定的脆性，无破裂后阶段。因此，定义弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)之后，峰值应力之前为微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)。为保障试验数据的可比性，根据各试件变形特征，笔者将各试件应力-应变曲线近似直线段的斜率在65.0～69.0内，定义为弹性变形至微裂纹稳定发展阶段。其中，试件Z-1,Z-2,Z-3,Z-4的应力-应变近似直线段斜率分别为65.0,66.5,65.5与68.9。

图6,7为典型试件破坏过程声发射事件率与振幅曲线。从图6，7可以看出：在微孔隙压密阶段(Ⅰ)初期，由微孔隙逐渐被压密实所引起的声发射现象相对明显，表现为声发射事件率与振幅相对较大。随着加载应力的增大，多数微孔隙已被压密，声发射现象不明显，声发射事件率与振幅处于较低水平。在弹性至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，声发射事件率随着加载应力的增大而增长，大幅值的声发射事件增多。在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，声发射事件率显著增大，试件破坏时声发射振幅出现最大值。

图6 声发射事件率曲线

图7 声发射振幅曲线

3.2 震源演化规律

图8为各试件不同类型声发射震源空间分布。从图8可知：在单轴压缩条件下红砂岩破坏过程中的声发射震源主要分布于试件的端部，总体与试件宏观破坏面的位置一致。图9显示Z-1试件震源数相对丰富，为1 136个，Z-2，Z-3与Z-4试件震源数总体相当，分别为634，511，444个。其中，4个试件均表现为剪切型震源占比最大，分别为70.51%，67.41%，68.30%，66.89%。其次，为张拉型震源占比分别为18.13%，20.98%，18.79%，21.69%。混合型震源占比最小为分别为11.36%，10.88%，12.92%，11.42%。以上统计结果表明：虽然各试件声发射震源数存在一定的差异，但不同类型震源百分比具有较高的一致性。

图8 声发射震源空间分布

图9 不同类型震源百分比

图10显示在微孔隙压密阶段(Ⅰ)初期剪切型震源、张拉型震源与混合型震源均有不同程度的显现，该特征在一定程度上取决于各试件初始微孔隙、微裂隙状态。在弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，随着加载应力的增大，剪切震源数均存在一快速增长点。Z-1，Z-2，Z-3，Z-4试件震剪切震源快速增长对应的应力分别为30.8，39.6，24.7，41.8 MPa。

图10 震源数-应变曲线

然而，对于张拉型与混合型震源而言，除Z-1试件外，其余试件震源累积曲线近似“水平”，无明显快速增长点。在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，震源仍以剪切型震源为主体，但除Z-1试件外，累计张拉型与混合型震源数均几乎“同步”进入相对“快速”增长期。其中，Z-2，Z-3与Z-4试件张拉型与混合型震源步入“快速”增长对应的应力分别为52.5，50.7与55.3 MPa。

根据各试件相对坐标编制，以Z-1试件为例，笔者将各震源空间坐标分别向-平面与-平面进行了投影。因此，图11代表了不同类型震源在微裂纹演化不同阶段沿试件半径方向的分布。相应的，图12代表了不同类型震源在微裂纹演化不同阶段沿试件轴线方向的分布。从图11，12可知：在微孔隙压密阶段(Ⅰ)，在沿试件半径方向，震源主要分布于距圆心10～25 mm处，如图11(a)所示；在沿试件轴向方向上，震源主要分布于距试件上、下端面0～25 mm处，如图12(a)所示。这一特征在一定程度上反映了试件原生微孔隙的分布特征。在弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，此时声发射震源“几乎”遍布于试件整个半径方向与轴线方向，并有具有向试件中心发展的趋势，如图11(b)，12(b)所示。在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，在沿半径方向，相对于微孔隙压密阶段(Ⅰ)与弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，震源分布于距圆心0～10 mm的概率增大，如图11(c)所示；在沿试件轴线方向上，声发射震源主要分布于试件中上与中下部，总体距试件下端面20～80 mm，如图12(c)所示。对照图12(c)，8(a)，声发射震源在-平面投影图形态与试件宏观破坏形态，具有一定的相似性。

图12 震源在Y-Z平面投影

对于某个特定的震源，笔者选择P波真实达到时间最小值对应的传感器所采集的绝对能量作为该震源能量的标度。统计结果表明：红砂岩在单轴压缩条件下声发射震源绝对能量总体位于0～30 000 aJ。其中，在微孔隙压密阶段(Ⅰ)，震源绝对能量均值与方差分别为664 aJ与1 588 aJ，如图11(a)与12(a)所示；在弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，震源绝对能量均值与方差分别为610 aJ与2 172 aJ，如图11(b)，12(b)所示；在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，震源绝对能量均值与方差分别为822 aJ与3 465 aJ，如图11(c)，12(c)所示。因此，根据微裂纹演化不同阶段震源能量均值与方差大小，可作如下推断：在微孔隙压密阶段(Ⅰ)由微孔隙被压密颗粒间发生相对滑动所形成的微破裂强度，总体大于弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)由微裂纹萌生、扩展等形成的微破裂强度，但小于微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)由微裂纹贯通、汇集等所形成的微破裂强度。同时，也预示着微破裂强度的复杂性在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)最大，其次为微孔隙压密阶段(Ⅰ)，弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)微破裂强度的复杂性最小。

图11 震源在X-Y平面投影

3.3 不同类型震源主频特征

3.3.1 震源波形文件选择

由基于矩张量理论的声发射震源类型辨识方法可知，对于一个确定的震源其最少对应6个声发射波形文件。试验结果表明：基于相同性能传感器采集得到波形文件，在此基础上计算得到的震源主频也存在一定差异，其原因可能与弹性波的传播路径与衰减特性有关，如图13所示。为便以分析，笔者选择P波实际达到时间最小值对应的波形文件作为主频计算的依据。以表3为例，6号传感器记录的时间为12.359 725 8 s，P波到时为10s，P波实际达到时间为12.359 724 8 s。在6个传感器中，6号传感器记录P波实际达到时间最小。因此，对于该震源选择6号传感器所采集的波形文件进行主频计算。本文震源主频由PCI-2声发射系统提供，经验证该主频值由傅立叶变换计算得到。

图13 波形文件选取示意

3.3.2 混合型震源主频特征

图14给出了各试件破坏过程中混合型震源主频曲线。

从图14可看出：在微孔隙压密阶段(Ⅰ)，混合型震源主频主要分布于0～50，100～150，>250 kHz的高频信号产生的概率相对较小。在弹性至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，250～350 kHz的信号随着加载应力的增大呈现增多的趋势。在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，主频范围主要分布于0～50,100～150与250～350 kHz。

图14 混合型震源主频曲线

3.3.3 张拉型震源主频特征

图15给出了各试件破坏过程中张拉型震源主频曲线。从图15可看出：在微孔隙压密阶段(Ⅰ)，张拉型震源主频主要分布于0～50，100～150 kHz，其中Z-1与Z-2试件250～350 kHz的频信号相对丰富，如图15(a)，(b)所示，但Z-3与Z-4试件该频率范围内的信号缺失，如图15(c)，(d)所示。在弹性至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，张拉型震源主频主要分布于0～50，100～150与250～350 kHz，但Z-1，Z-2与Z-3试件出现了200～250 kHz信号，如图15(a)～(c)所示，主频范围存在增大的现象。在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，张拉型震源主频范围分布于0～50，100～150与250～350 kHz。

图15 张拉型震源主频曲线

3.3.4 剪切型震源主频特征

图16给出了各试件破坏过程中剪切型震源主频曲线。从图16可看出：在微孔隙压密阶段(Ⅰ)，主频主要分布于0～50，100～150 kHz。同时，Z-1与Z-2试件250～350 kHz信号相对明显，如图16(a)，(b)所示，但Z-3与Z-4试件在该频率范围的信号较少，如图16(c)，(d)所示。在弹性至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，主频主要分布于0～50，100～150与250～350 kHz，但主频位于50～100，150～200 kHz频信号均有不同程度的出现，主频的范围增大。例如，Z-3试件150～200 kHz相对丰富，如图16(c)所示。Z-1与Z-2试件50～100 kHz信号相对明显，如图16(a)，(b)所示。在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，主频范围分布于0～50，100～150与200～350 kHz。与混合型、张拉型震源不同的是：在这一过程中出现了一定数量200～250 kHz信号，如图16所示。

图16 剪切型震源主频曲线

4 讨 论

4.1 不同类型震源演化规律与特征应力关系

试验结果表明：在单轴压缩条件下红砂岩破坏过程中，剪切型震源数快速增长始于弹性至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，但张拉型震源与混合型震源数快速增长始于微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)。这一结果与王春来等、何云松对砂岩与花岗岩的研究结果具有相似性，具体表现为砂岩在单轴压缩条件下剪切型震源数快速增长对应的起始应力小于张拉型震源与混合型震源，但在巴西劈试验中花岗岩张拉型震源数快速增长对应的起始应力小于剪切型震源与混合型震源。以上说明，岩石破坏过程中不同类型的声发射震源演化规律不仅与岩性、试验方式等有关，而且与加载应力大小有关。

起裂应力是裂纹稳定扩展的起始点，其值为岩石峰值应力的40%～70%。损伤应力是裂纹非稳定扩展的起始点，其值为岩石峰值应力的70%～90%。ZHAO等与DIEDERICHS研究表明可将累计声发射事件数曲线第1个偏离线性段的起始点对应的应力作为起裂应力，达到损伤应力后累计声发射参数曲线呈快速增加，可将声发射事件曲线两线性段延长线交点对应的应力作为损伤应力。

笔者将单个声发射震源作为一个声发射事件，以总震源数来确定起裂应力与损伤应力。具体确定方法如下：

(1)绘制应力-应变曲线，根据时间关系，绘制累计震源数曲线，并将其叠加于应力-应变曲线之上。

(2)将应力-应变曲线划分为微孔隙压密阶段(Ⅰ)、弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)与微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)。

(3)在弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，作累计震源曲线近似直线，取第1个偏离直线的点为点。过作应力坐标轴平行线交应力-应变曲线于′，取′点对应的应力为起裂应力。

(4)在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，作累计震源曲线近似直线，交直线于点。过作应力坐标轴平行线交应力-应变曲线于′，取′点对应的应力为损伤应力。

起裂应力与损伤应力确定方法如图17所示。

图17 起裂应力与损伤应力确定示意

图18显示除Z-1试件损伤应力异常外，其余试件所确定的起裂应力与损伤应力大小均处于正常范围。其中，Z-2,Z-3与Z-4起裂应力分别约为40.5，25.8与38.0 MPa，损伤应力分别约为52.4，49.1与56.9 MPa。

图18 累计震源数曲线

表4显示剪切型震源快速增长起始应力与起裂应力，张拉型与混合型震源“快速”增长起始应力与损伤应力具有良好的对应关系。因此，可作如下分析：在单轴压缩条件下当加载应力大于起裂应力小于损伤应力时，由微裂纹萌生所产生的剪切型震源快速增长，红砂岩在细观尺度上以“剪切破坏”为主，并且在一定程度上可将剪切震源快速对应的起始应力作为红砂岩的起裂应力。当加载应力大于损伤应力时，微裂纹处于非稳定扩展、贯通阶段。在此过程中，红砂岩在细观尺度上仍以“剪切破坏”为主，但张拉型与混合型震源相对“快速”增长。在一定程度上可将张拉型与混合型震源“快速”增长起始应力作为红砂岩的损伤应力。同时，在一定程度上也预示着震源类型的复杂程度与岩石破坏过程中微裂纹所处状态有关。在弹性变形至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，微裂纹的孕育、萌生等以单一类型震源为主体，而在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，剪切型、张拉型与混合型震源将得到充分的发展并最终导致岩石的破坏。

表4 震源快速增长应力与特征应力关系

4.2 岩石破坏声发射主频前兆特征

已有的研究表明：岩石破坏过程中存在多主频特征，临近破坏时多数岩石主频呈现减小的趋势，并且主频数值与破裂尺度大小有关。图14～图16显示单轴压缩条件下红砂岩破坏过程中震源主频总位于0～50,100～150与250～350 kHz。其中，0～50,100～150 kHz贯穿于整个破坏过程，而250～350 kHz主要存在于弹性至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)与微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)。这一结果与侯志强等研究认为由晶间滑移引起的摩擦型声发射主频较小，由新裂隙扩张引起的破裂型声发射主频较高，由宏观裂隙扩张与摩擦的混合型声发射主频频带较宽，高频与低频信号共存的观点基本一致。同时，结合声发射振幅特征，在一定程度上预示着在微孔隙压密初期与微裂纹非稳定发展阶段微破裂尺度相对较大，弹性至微裂纹稳定发展阶段微破坏尺度相对较小。

何满朝等研究认为岩石破坏过程中声发射频率成分的复杂性与微破裂模式有关。笔者采用矩张量分析法将声发射震源分为剪切型、张拉型与混合型震源3类。试验结果表明相对于混合型震源而言，剪

切型与张拉型震源高频频带更宽，如图15(a)～(c)与图16所示。更为重要的是：在微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)，只有剪切型震源存在主频为200～250 kHz的信号，如图16所示。因此，该特征可作为单轴压缩条件下红砂岩破坏的前兆特征。同时，由于岩石破坏过程中震源主频与岩石类型、细观结构特征以及岩石宏、细观破坏形式有关。因此，通过对比分析剪切型、张拉型与混合型震源对的主频特征，可为其他岩石在不同荷载条件下破坏前兆特征的研究提供参考。

5 结 论

(1)红砂岩在单轴压缩条件下，在微孔隙压密阶段，声发射震源分布远离试件的轴线，主要分布于试件外壁和上、下两端面附近。在弹性至微裂纹稳定发展阶段，声发射震源遍布整个试件，并有具有向试件中心发展的趋势。在微裂纹非稳定发展阶段，声发射震源主要集中于试件中上部与中下部。

(2)岩石破坏过程中声发射震源演化规律与微裂纹状态有关，表现出一定的阶段性。在微孔隙压密阶段，不同类型震源均有不同程度的显现，这一特征与岩石初始微孔隙状态有关。在弹性至微裂纹稳定发展阶段，声发射震源以某单一震源为主体。在微裂纹非稳定发展阶段，不同类型震源将得到充分的发展并最终导致岩石破坏。对于红砂岩而言，在单轴压缩条件下，剪切型震源快速增长始于弹性至微裂纹稳定发展阶段(Ⅱ)，但张拉型与混合型震源“相对”快速增长始于微裂纹非稳定发展阶段(Ⅲ)。

(3)岩石破坏过程中不同类型声发射震源快速增长对应的起始应力，在一定程度上与岩石起裂应力、损伤应力具有对应关系。当加载应力达到岩石起裂应力时，某一类型的声发射震源将首先进入快速增长阶段。当加载应力达到损伤应力时，其余类型声发射震源将步入“相对”快速增长阶段。对于红砂岩而言，在单轴压缩条件下可将累计剪切型震源快速增长对应的起始应力作为红砂岩起裂应力。同时，可将张拉型与混合型震源两者共同快速增长对应的起始应力作为红砂岩损伤应力。

(4)岩石破坏过程中，剪切型、张拉型与混合型震源主频成分可能存在一定的差异。对于红砂岩而言，在单轴压缩条件下剪切型、张拉型与混合型震源主频主要位于0～50，100～150与250～350 kHz。相对而言，剪切型与张拉型震源主频的范围大于混合型震源主频。在微裂纹非稳定发展阶段，只有剪切型震源存在主频为200～250 kHz的信号，该特征可作为单轴压缩条件下红砂岩破坏前兆特征。