基于声发射技术的岩石破坏模式分析研究

邢鹏飞，袁 杰，吴亚华，周 煌

(核工业井巷建设集团有限公司，浙江 湖州 313002)

0 引 言

随着浅部资源的日益枯竭，开采深部矿产资源是我国必然面临的一个重大历史性课题。工程越往深部探索，“三高一扰动”的赋存复杂环境问题更加凸显，高地应力成为深部地下工程灾害频发的主要原因[1-2]。在研究地质灾害发生机制中，声发射检测技术AE得到了广泛的运用。声发射检测技术是无损伤破裂检测和破裂分析的非破坏分析评价技术手段，是通过检测裂纹形成所释放的弹性应力波实现破裂分析和评价[3- 6]。开挖岩体受高地应力的作用，岩石形成的剪切型裂纹、张拉型裂纹和拉-剪复合型裂纹释放的弹性应力波各有其特性差异。因此，通过声发射检测技术检测采集的信号特征，可以有效分辨出岩石破坏过程中的裂纹类型，进而判别出岩石破坏主要模式。

研究者通过声发射信号各类参数，研究岩石破裂类型与声发射特征的关系，主要声发射特征参数有上升时间、持续时间、能量、幅度、振铃计数等[7-10]。Aggelis等[11-12]结合室内试验得出，岩石剪切试验所产生的声发射信号波长要比拉伸试验更长，信号频率更低。刘希林等[13]研究岩石在单轴压缩与巴西劈裂试验下声发射信号频率特性发现，单轴压缩试验下，峰值频率主要集中在100 kHz以下；巴西劈裂试验下，声发射信号频率主要集中在100～200 kHz。Wang等[3]对红砂岩基于一系列三点弯曲试验和剪切破坏试验，分析研究不同破坏模式下声发射信号特征的发现，剪切破坏的累积声发射能量明显高于拉伸破坏的累积声发射能量。何满朝、宫宇新等[14-15]对北山花岗岩进行岩爆试验，同时采集试验过程中声发射信号，利用AF值和RA值判别不同加载速率下岩石岩爆破坏所产生的裂纹类型。李漾等[16]对不同层理煤样进行了单轴压缩试验，分析研究煤样受压过程中RA-AF特征与裂纹扩展的关系。李庶林等[17]对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验发现，声发射特征随着岩样破坏形式的不同而不同。

通过声发射峰值频率和AF-RA分布特征可以有效分辨岩石破坏过程中裂纹类型，进而判别出岩石受力破坏主要模式。在岩石单轴压缩试验中，岩石峰值强度前变形通常划分为4个阶段，即孔隙裂隙压密阶段(Ⅰ)、弹性变形阶段(Ⅱ)、裂纹稳定发展阶段(Ⅲ)和裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)。已往研究中，针对岩石单轴压缩试验下各变形阶段裂纹扩张主要类型研究相对还少。为此，本文选用了3类不同岩性的岩石作为试验研究对象，结合声发射检测技术，分析岩石单轴压缩试验过程中峰值强度前各变形阶段裂纹扩张的主要类型。

1 试验设计

1.1 试样准备

为保证研究所得结果的普适性，本次试验选取黄砂岩、细粒大理岩和细粒花岗岩3种不同岩性岩石作为研究对象，制成直径50 mm、高100 mm的圆柱体。各类岩样各准备3块，其中，黄砂岩取自四川自贡，大理岩取自湖南耒阳，花岗岩取自云南大理。为保准试验结果的精准，对岩样端面及表面进行加工打磨，确保端面不平整度小于0.1 mm，表面光滑，且两端面与轴向垂直。试样见图1。

图1 试验岩样

1.2 试验设备

试验采用中南大学高等研究中心MTS-322压力系统和PCI-2声发射检测分析系统。压力机最大轴向载荷可达500 kN，能记录试验过程中轴向载荷、轴向应变和轴向位移等参数；PCI-2声发射检测分析系统能够同步记录试验过程中AE峰值频率、AE上升时间、AE幅值等基本参数。试验设备见图2。

图2 试验系统

1.3 试验方案

对3类岩石进行单轴压缩试验，载荷施加方式为位移加载，加载速率设定为0.12 mm/min。同时，对每个试样布置2个声发射传感器，传感器布置于岩样中心处，且2个传感器保持几何对称。声发射放大器门槛调至40 dB，信号门槛设置为45 dB，采样率设置为5 MHz。每次传感器安装时涂抹凡士林作为耦合剂，同时用胶带对其进行固定，确保传感器与岩样表面接触紧密。每组试验前，对岩样进行断铅试验以确保每个传感器的灵敏性。此外，压力机系统和声发射检测分析系统同步开始和结束，确保声发射信号接收和轴向载荷在时间上的同步性。

2 试验结果分析

2.1 基本力学特性

根据国际岩石力学学会推荐测试方法[18]，对3种岩石进行单轴压缩试验，单轴抗压强度计算公式如下

(1)

式中，σc为单轴抗压强度；S为受力承载面面积。

对岩样进行基本物理参数测定，包括声波纵波波速P、密度ρ、泊松比μ。3种岩样基本物理力学参数均值见表1。应力-应变曲线见图3。3类岩石单轴抗压强度相差较大，强度大小依次为细粒花岗岩>细粒大理岩>黄砂岩。

图3 岩石的应力-应变关系

表1 岩样基本物理力学参数

2.2 岩石破坏模式分析

岩石的破坏形态反映岩石受力过程中的应力分布状态，在单轴压缩荷载作用下，岩石常见的破坏形式有“X”状共轭斜面剪切破坏、单斜面剪切破坏、拉伸破坏(劈裂破坏)3种[19]。前2种破坏形式是由于破坏面上的剪切应力超过其抗剪强度引起的，可视为剪切破坏；后1种破坏类型是径向拉应力超过岩石抗拉强度引起的。单轴压缩试验下岩石破坏形式见图4。图4中，P为轴向压力。

图4 单轴压缩试验下岩石破坏形式

根据岩样宏观破坏裂纹，描绘出岩样破坏形式，见图5。从图5可知，黄砂岩破坏形式为“X”状共轭斜面剪切破坏；细粒大理岩破坏形式形成压缩椎型剪切破坏；细粒花岗岩则呈现出与端面垂直的拉伸型破坏形式。因此，由宏观破坏形式判定可知，黄砂岩、细粒大理岩和细粒花岗岩主要破坏形式分别为剪切破坏、剪切破坏和拉伸破坏。

图5 试样破坏

2.3 岩石声发射特性分析

为探究岩石在单轴压缩试验条件下各变形阶段裂纹扩展形式，利用声发射特征参数进行分析判别。本文所讨论的声发射特征参数包括峰值频率、平均频率(Average frequency，简称AF)和RA(上升时间与幅值之比)。图6为声发射波形中各参数的实际意义。峰值强度前变形4个阶段声发射数据划分原则见图7。图7中，区域Ⅰ为孔隙裂隙压密阶段、区域Ⅱ为弹性变形阶段、Ⅲ为裂纹稳定发展阶段、Ⅳ为裂纹非稳定发展阶段。2个传感器之间信号数据基本一致，且本文所用数据为较为全面的1组。

图6 声发射系统波形信号参数

图7 岩石声发射特性分析阶段划分原则

2.3.1AF-RA值特性

根据试验所得的声发射数据绘制AF-RA值密度分布图，各岩石全过程AF-RA值密度分布规律见图8。从图8可知，在整个单轴压缩过程中，黄砂岩和细粒大理岩声发射AF-RA值分布规律较为相似，即AF值主要分布在100 kHz以下，呈现出低AF值、高RA值且向RA轴靠近的分布特点；细粒花岗岩声发射AF-RA值主要分布在100 kHz以上，数据主要集中靠近于AF轴，呈现出高AF值、低RA值的分布特点。根据3种岩石全过程AF-RA值密度分布特征得出，黄砂岩和细粒大理岩主要以剪切破坏形式为主，而细粒花岗岩则以拉伸破坏为主。分析结果与岩石实际的宏观破坏裂纹是一致的，有效证明了AF-RA值分布规律作为岩石受力破坏形式判别依据的可行性。

图8 岩石全过程AF-RA值密度分布规律

依据单轴压缩试验条件下岩石各变形特征，将声发射数据按各变形特征时间节点进行划分，黄砂岩、细粒大理岩和细粒花岗岩各阶段AF-RA值密度分布特征分别见图9、10、11。图9～11中，颜色从深色至浅色表示数据集中程度由低到高。另外，虚线方框为数据集中程度较高区域。依据先前所得结论，当AF-RA值分布为低AF值、高RA值且数据靠近RA轴时，岩石破坏主要以剪切破坏为主；当AF-RA值分布为高AF值、低RA值且数据靠近AF轴时，岩石破坏主要以张拉破坏为主。从图9～11可知：

图9 黄砂岩各阶段AF-RA值密度分布特征

(1)从黄砂岩孔隙裂隙压密阶段(Ⅰ)和弹性变形阶段(Ⅱ)AF-RA值分布特征可以看出，该阶段主要分布在100 kHz以下，且以低AF值、高RA值为主；在裂纹稳定发展阶段(Ⅲ)，AF-RA值则主要以靠近AF轴的高AF值、低RA值的分布特征为主；在裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，AF-RA值和全过程中的AF-RA值分布特征极为相似，即主要分布在100 kHz以下，且为低AF值、高RA值的分布特征。综上，在黄砂岩变形前2个阶段，岩石裂纹扩张主要以剪切型声发射信号为主；而在裂纹稳定发展阶段(Ⅲ)，裂纹形式转变为以张拉裂纹为主；裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，岩石破坏则以剪切裂纹为主。此外，黄砂岩变形前2个阶段声发射信号活跃度不高，声发射信号主要集中发生在岩石裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，且对于整个岩石破坏过程，裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)所形成的裂纹类型引起的声发射信号对岩石整体声发射信号特征起着决定性作用。

(2)细粒大理岩4个阶段岩石AF-RA值都是以靠近RA轴的低AF值、高RA值的分布特征为主，说明细粒大理岩各变形阶段都以剪切型裂纹扩张为主，与岩石整个受力失效过程所释放出的声发射信号特征是相符的。

(3)细粒花岗岩孔隙裂隙压密阶段(Ⅰ)和弹性变形阶段(Ⅱ)AF-RA值分布主要为靠近AF轴的高AF值、低RA值的分布特征，也有少数部分数据集中在靠近RA轴的低AF值、高RA值的区域。裂纹稳定发展阶段(Ⅲ)，AF-RA值分布范围主要在200 kHz以下，其中部分数据集中在100 kHz以下，呈现出高RA值特征；而另一部分集中分布在100 kHz以上，呈现出高AF值特征。裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，AF-RA分布为靠近AF轴的高AF值、低RA值的分布特征，该阶段分布规律与岩石全过程分布规律是高度相似的，与黄砂岩一致。

图10 细粒大理岩各阶段AF-RA值密度分布特征

图11 细粒花岗岩各阶段AF-RA值密度分布特征

根据各阶段AF-RA值分布规律可以发现，黄砂岩和细粒大理岩在前2个变形阶段裂纹发展都以剪切型为主，而细粒花岗岩则是拉-剪复合型裂纹。3类岩石受力破坏过程中，声发射信号主要集中产生在裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，且该阶段裂纹扩张形式与岩石整体声发射信号特征存在着高度相似性。分析发现，岩石裂纹扩张主要发生在裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，且该阶段裂纹扩张形式对岩石最终破坏形式起着决定性作用。

2.3.2 峰值频率特性

根据试验所得的声发射参数数据，绘制峰值频率百分占比饼状图，各岩石全过程峰值频率占比分布规律见图12。从图12可知，峰值频率分布在0～100 kHz的黄砂岩、细粒大理岩和细粒花岗岩占比分别为77.3%、95.5%和20.9%；分布在301～400 kHz的黄砂岩、细粒大理岩和细粒花岗占比分别为6.1%、0和40.5%。根据峰值频率分布规律可以发现，岩石受压全过程中，黄砂岩和细粒大理岩主要以剪切型裂纹破坏形式为主，而细粒花岗岩则以张拉破坏为主且伴有少量的剪切型裂纹破坏，即拉-剪复合型裂纹。所得结论与AF-RA值密度分布规律所得结论是一致。

图12 岩石全过程峰值频率分布规律

依据单轴压缩试验条件下岩石各变形特征，将声发射数据按各变形特征时间节点进行划分，黄砂岩、细粒大理岩和细粒花岗岩各阶段峰值频率分布特征分别见图13、14、15。将声发射峰值频率大小划分为4个层级，每个层级对应1种填充形式，分别为网格形、横条形、竖条形和斜线形，其中网格形代表分布在0～100 kHz的峰值频率数据，横条形代表分布在101～200 kHz的峰值频率数据，竖条形代表分布在201～300 kHz的峰值频率数据，斜线形代表分布在301～400 kHz的峰值频率数据。峰值频率主要分布在0～100 kHz时，岩石主要以剪切型破坏形式为主；峰值频率主要分布在301～400 kHz时，岩石主要以张拉型破坏形式为主。从图13～15可知：

图13 黄砂岩分阶段峰值频率分布特征

(1)黄砂岩变形阶段从孔隙裂隙压密阶段(Ⅰ)至裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，分布在0～100 kHz峰值频率占比依次为56.9%、88.4%、75.8%和46.1%；分布在30～400 kHz峰值频率占比依次为8.7%、5.2%、9%和9.1%。各阶段峰值频率分布在0～100 kHz占比都超过45.0%，且分布在301～400 kHz各阶段峰值频率不超过10.0%。因此，黄砂岩各阶段都以剪切型裂纹破坏形式为主。但与AF-RA值密度规律不同的是，裂纹稳定发展阶段(Ⅲ)由AF-RA值分布规律被认定为以拉伸裂纹为主。

图14 细粒大理岩分阶段峰值频率分布特征

图15 细粒花岗岩分阶段峰值频率分布特征

(2)细粒大理岩峰值频率分布较为集中，从孔隙裂隙压密阶段(Ⅰ)至裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，分布在0～100 kHz峰值频率占比依次为94.7%、98.0%、98.6%和96.1%；而分布在301～400 kHz峰值频率几乎为0。因此，细粒大理岩各阶段都以剪切型裂纹扩张为主，而拉伸型裂纹几乎不存在。所得结果与AF-RA值密度分布规律所得结果基本一致。

(3)细粒花岗岩变形阶段从孔隙裂隙压密阶段(Ⅰ)至裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)，分布在0～100 kHz峰值频率占比依次为7.4%、17.9%、30%和21.7%；分布在301～400 kHz峰值频率占比依次为43.8%、45.1%、33.1%和40.3%。可以发现，各阶段分布在301～400 kHz峰值频率占比在30%～50%之间，而分布在0～100 kHz峰值频率占比在0～30%之间。因此，在各个阶段中，裂纹扩张以拉伸型裂纹为主，且随着应力越往峰值强度接近，剪切型裂纹数量也随之增加。特别地，在裂纹稳定发展阶段(Ⅲ)中，301～400 kHz峰值频率占比仅比301～400 kHz峰值频率占比多3.1%，说明这一阶段剪切型裂纹和拉伸型裂纹数量相差不大，即呈现为拉-剪复合型裂纹。

综上，3类岩石各阶段由峰值频率占比所得裂纹扩张形式与AF-RA值密度分布规律所得结果基本一致，说明采用声发射参数峰值频率与AF-RA值密度分布规律可以有效判别岩石主要破坏形式。

3 结 语

本文通过对黄砂岩、细粒大理岩和细粒花岗岩进行单轴压缩试验，结合声发射技术对岩石峰值强度前各变形阶段进行裂纹扩张形式分析，得出以下结论：

(1)证实了声发射信号参数峰值频率与AF-RA值密度分布规律用于判别岩石各阶段破坏形式的有效性与一致性，且各阶段裂纹扩张形式与整体全过程裂纹扩张形式基本一致。

(2)黄砂岩和细粒大理岩峰值频率分布在0～100 kHz占比分别都超过45%和90%，各变形阶段裂纹发展都以剪切型为主，与岩石破坏实际宏观裂纹一致；而细粒花岗岩则是随着应力的增大，裂纹从以拉伸裂纹为主转变为拉-剪复合型裂纹。

(3)岩石在裂纹非稳定发展阶段(Ⅳ)所呈现出的声发射信号参数规律与整体声发射信号参数规律高度相似，且对岩石破坏整体过程中所产生的声发射信号特征起着决定性作用。