基于聲發(fā)射技術的巖石破壞模式分析研究

邢鵬飛，袁 杰，吳亞華，周 煌

(核工業(yè)井巷建設集團有限公司，浙江 湖州 313002)

0 引 言

隨著淺部資源的日益枯竭，開采深部礦產資源是我國必然面臨的一個重大歷史性課題。工程越往深部探索，“三高一擾動”的賦存復雜環(huán)境問題更加凸顯，高地應力成為深部地下工程災害頻發(fā)的主要原因[1-2]。在研究地質災害發(fā)生機制中，聲發(fā)射檢測技術AE得到了廣泛的運用。聲發(fā)射檢測技術是無損傷破裂檢測和破裂分析的非破壞分析評價技術手段，是通過檢測裂紋形成所釋放的彈性應力波實現破裂分析和評價[3- 6]。開挖巖體受高地應力的作用，巖石形成的剪切型裂紋、張拉型裂紋和拉-剪復合型裂紋釋放的彈性應力波各有其特性差異。因此，通過聲發(fā)射檢測技術檢測采集的信號特征，可以有效分辨出巖石破壞過程中的裂紋類型，進而判別出巖石破壞主要模式。

研究者通過聲發(fā)射信號各類參數，研究巖石破裂類型與聲發(fā)射特征的關系，主要聲發(fā)射特征參數有上升時間、持續(xù)時間、能量、幅度、振鈴計數等[7-10]。Aggelis等[11-12]結合室內試驗得出，巖石剪切試驗所產生的聲發(fā)射信號波長要比拉伸試驗更長，信號頻率更低。劉希林等[13]研究巖石在單軸壓縮與巴西劈裂試驗下聲發(fā)射信號頻率特性發(fā)現，單軸壓縮試驗下，峰值頻率主要集中在100 kHz以下；巴西劈裂試驗下，聲發(fā)射信號頻率主要集中在100～200 kHz。Wang等[3]對紅砂巖基于一系列三點彎曲試驗和剪切破壞試驗，分析研究不同破壞模式下聲發(fā)射信號特征的發(fā)現，剪切破壞的累積聲發(fā)射能量明顯高于拉伸破壞的累積聲發(fā)射能量。何滿朝、宮宇新等[14-15]對北山花崗巖進行巖爆試驗，同時采集試驗過程中聲發(fā)射信號，利用AF值和RA值判別不同加載速率下巖石巖爆破壞所產生的裂紋類型。李漾等[16]對不同層理煤樣進行了單軸壓縮試驗，分析研究煤樣受壓過程中RA-AF特征與裂紋擴展的關系。李庶林等[17]對單軸受壓巖石破壞全過程進行聲發(fā)射試驗發(fā)現，聲發(fā)射特征隨著巖樣破壞形式的不同而不同。

通過聲發(fā)射峰值頻率和AF-RA分布特征可以有效分辨巖石破壞過程中裂紋類型，進而判別出巖石受力破壞主要模式。在巖石單軸壓縮試驗中，巖石峰值強度前變形通常劃分為4個階段，即孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)、彈性變形階段(Ⅱ)、裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)和裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)。已往研究中，針對巖石單軸壓縮試驗下各變形階段裂紋擴張主要類型研究相對還少。為此，本文選用了3類不同巖性的巖石作為試驗研究對象，結合聲發(fā)射檢測技術，分析巖石單軸壓縮試驗過程中峰值強度前各變形階段裂紋擴張的主要類型。

1 試驗設計

1.1 試樣準備

為保證研究所得結果的普適性，本次試驗選取黃砂巖、細粒大理巖和細?；◢弾r3種不同巖性巖石作為研究對象，制成直徑50 mm、高100 mm的圓柱體。各類巖樣各準備3塊，其中，黃砂巖取自四川自貢，大理巖取自湖南耒陽，花崗巖取自云南大理。為保準試驗結果的精準，對巖樣端面及表面進行加工打磨，確保端面不平整度小于0.1 mm，表面光滑，且兩端面與軸向垂直。試樣見圖1。

圖1 試驗巖樣

1.2 試驗設備

試驗采用中南大學高等研究中心MTS-322壓力系統(tǒng)和PCI-2聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)。壓力機最大軸向載荷可達500 kN，能記錄試驗過程中軸向載荷、軸向應變和軸向位移等參數；PCI-2聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)能夠同步記錄試驗過程中AE峰值頻率、AE上升時間、AE幅值等基本參數。試驗設備見圖2。

圖2 試驗系統(tǒng)

1.3 試驗方案

對3類巖石進行單軸壓縮試驗，載荷施加方式為位移加載，加載速率設定為0.12 mm/min。同時，對每個試樣布置2個聲發(fā)射傳感器，傳感器布置于巖樣中心處，且2個傳感器保持幾何對稱。聲發(fā)射放大器門檻調至40 dB，信號門檻設置為45 dB，采樣率設置為5 MHz。每次傳感器安裝時涂抹凡士林作為耦合劑，同時用膠帶對其進行固定，確保傳感器與巖樣表面接觸緊密。每組試驗前，對巖樣進行斷鉛試驗以確保每個傳感器的靈敏性。此外，壓力機系統(tǒng)和聲發(fā)射檢測分析系統(tǒng)同步開始和結束，確保聲發(fā)射信號接收和軸向載荷在時間上的同步性。

2 試驗結果分析

2.1 基本力學特性

根據國際巖石力學學會推薦測試方法[18]，對3種巖石進行單軸壓縮試驗，單軸抗壓強度計算公式如下

(1)

式中，σc為單軸抗壓強度；S為受力承載面面積。

對巖樣進行基本物理參數測定，包括聲波縱波波速P、密度ρ、泊松比μ。3種巖樣基本物理力學參數均值見表1。應力-應變曲線見圖3。3類巖石單軸抗壓強度相差較大，強度大小依次為細?；◢弾r>細粒大理巖>黃砂巖。

圖3 巖石的應力-應變關系

表1 巖樣基本物理力學參數

2.2 巖石破壞模式分析

巖石的破壞形態(tài)反映巖石受力過程中的應力分布狀態(tài)，在單軸壓縮荷載作用下，巖石常見的破壞形式有“X”狀共軛斜面剪切破壞、單斜面剪切破壞、拉伸破壞(劈裂破壞)3種[19]。前2種破壞形式是由于破壞面上的剪切應力超過其抗剪強度引起的，可視為剪切破壞；后1種破壞類型是徑向拉應力超過巖石抗拉強度引起的。單軸壓縮試驗下巖石破壞形式見圖4。圖4中，P為軸向壓力。

圖4 單軸壓縮試驗下巖石破壞形式

根據巖樣宏觀破壞裂紋，描繪出巖樣破壞形式，見圖5。從圖5可知，黃砂巖破壞形式為“X”狀共軛斜面剪切破壞；細粒大理巖破壞形式形成壓縮椎型剪切破壞；細?；◢弾r則呈現出與端面垂直的拉伸型破壞形式。因此，由宏觀破壞形式判定可知，黃砂巖、細粒大理巖和細?；◢弾r主要破壞形式分別為剪切破壞、剪切破壞和拉伸破壞。

圖5 試樣破壞

2.3 巖石聲發(fā)射特性分析

為探究巖石在單軸壓縮試驗條件下各變形階段裂紋擴展形式，利用聲發(fā)射特征參數進行分析判別。本文所討論的聲發(fā)射特征參數包括峰值頻率、平均頻率(Average frequency，簡稱AF)和RA(上升時間與幅值之比)。圖6為聲發(fā)射波形中各參數的實際意義。峰值強度前變形4個階段聲發(fā)射數據劃分原則見圖7。圖7中，區(qū)域Ⅰ為孔隙裂隙壓密階段、區(qū)域Ⅱ為彈性變形階段、Ⅲ為裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段、Ⅳ為裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段。2個傳感器之間信號數據基本一致，且本文所用數據為較為全面的1組。

圖6 聲發(fā)射系統(tǒng)波形信號參數

圖7 巖石聲發(fā)射特性分析階段劃分原則

2.3.1AF-RA值特性

根據試驗所得的聲發(fā)射數據繪制AF-RA值密度分布圖，各巖石全過程AF-RA值密度分布規(guī)律見圖8。從圖8可知，在整個單軸壓縮過程中，黃砂巖和細粒大理巖聲發(fā)射AF-RA值分布規(guī)律較為相似，即AF值主要分布在100 kHz以下，呈現出低AF值、高RA值且向RA軸靠近的分布特點；細粒花崗巖聲發(fā)射AF-RA值主要分布在100 kHz以上，數據主要集中靠近于AF軸，呈現出高AF值、低RA值的分布特點。根據3種巖石全過程AF-RA值密度分布特征得出，黃砂巖和細粒大理巖主要以剪切破壞形式為主，而細?；◢弾r則以拉伸破壞為主。分析結果與巖石實際的宏觀破壞裂紋是一致的，有效證明了AF-RA值分布規(guī)律作為巖石受力破壞形式判別依據的可行性。

圖8 巖石全過程AF-RA值密度分布規(guī)律

依據單軸壓縮試驗條件下巖石各變形特征，將聲發(fā)射數據按各變形特征時間節(jié)點進行劃分，黃砂巖、細粒大理巖和細?；◢弾r各階段AF-RA值密度分布特征分別見圖9、10、11。圖9～11中，顏色從深色至淺色表示數據集中程度由低到高。另外，虛線方框為數據集中程度較高區(qū)域。依據先前所得結論，當AF-RA值分布為低AF值、高RA值且數據靠近RA軸時，巖石破壞主要以剪切破壞為主；當AF-RA值分布為高AF值、低RA值且數據靠近AF軸時，巖石破壞主要以張拉破壞為主。從圖9～11可知：

圖9 黃砂巖各階段AF-RA值密度分布特征

(1)從黃砂巖孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)和彈性變形階段(Ⅱ)AF-RA值分布特征可以看出，該階段主要分布在100 kHz以下，且以低AF值、高RA值為主；在裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)，AF-RA值則主要以靠近AF軸的高AF值、低RA值的分布特征為主；在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，AF-RA值和全過程中的AF-RA值分布特征極為相似，即主要分布在100 kHz以下，且為低AF值、高RA值的分布特征。綜上，在黃砂巖變形前2個階段，巖石裂紋擴張主要以剪切型聲發(fā)射信號為主；而在裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)，裂紋形式轉變?yōu)橐詮埨鸭y為主；裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，巖石破壞則以剪切裂紋為主。此外，黃砂巖變形前2個階段聲發(fā)射信號活躍度不高，聲發(fā)射信號主要集中發(fā)生在巖石裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，且對于整個巖石破壞過程，裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)所形成的裂紋類型引起的聲發(fā)射信號對巖石整體聲發(fā)射信號特征起著決定性作用。

(2)細粒大理巖4個階段巖石AF-RA值都是以靠近RA軸的低AF值、高RA值的分布特征為主，說明細粒大理巖各變形階段都以剪切型裂紋擴張為主，與巖石整個受力失效過程所釋放出的聲發(fā)射信號特征是相符的。

(3)細粒花崗巖孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)和彈性變形階段(Ⅱ)AF-RA值分布主要為靠近AF軸的高AF值、低RA值的分布特征，也有少數部分數據集中在靠近RA軸的低AF值、高RA值的區(qū)域。裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)，AF-RA值分布范圍主要在200 kHz以下，其中部分數據集中在100 kHz以下，呈現出高RA值特征；而另一部分集中分布在100 kHz以上，呈現出高AF值特征。裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，AF-RA分布為靠近AF軸的高AF值、低RA值的分布特征，該階段分布規(guī)律與巖石全過程分布規(guī)律是高度相似的，與黃砂巖一致。

圖10 細粒大理巖各階段AF-RA值密度分布特征

圖11 細?；◢弾r各階段AF-RA值密度分布特征

根據各階段AF-RA值分布規(guī)律可以發(fā)現，黃砂巖和細粒大理巖在前2個變形階段裂紋發(fā)展都以剪切型為主，而細?；◢弾r則是拉-剪復合型裂紋。3類巖石受力破壞過程中，聲發(fā)射信號主要集中產生在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，且該階段裂紋擴張形式與巖石整體聲發(fā)射信號特征存在著高度相似性。分析發(fā)現，巖石裂紋擴張主要發(fā)生在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，且該階段裂紋擴張形式對巖石最終破壞形式起著決定性作用。

2.3.2 峰值頻率特性

根據試驗所得的聲發(fā)射參數數據，繪制峰值頻率百分占比餅狀圖，各巖石全過程峰值頻率占比分布規(guī)律見圖12。從圖12可知，峰值頻率分布在0～100 kHz的黃砂巖、細粒大理巖和細?；◢弾r占比分別為77.3%、95.5%和20.9%；分布在301～400 kHz的黃砂巖、細粒大理巖和細粒花崗占比分別為6.1%、0和40.5%。根據峰值頻率分布規(guī)律可以發(fā)現，巖石受壓全過程中，黃砂巖和細粒大理巖主要以剪切型裂紋破壞形式為主，而細?；◢弾r則以張拉破壞為主且伴有少量的剪切型裂紋破壞，即拉-剪復合型裂紋。所得結論與AF-RA值密度分布規(guī)律所得結論是一致。

圖12 巖石全過程峰值頻率分布規(guī)律

依據單軸壓縮試驗條件下巖石各變形特征，將聲發(fā)射數據按各變形特征時間節(jié)點進行劃分，黃砂巖、細粒大理巖和細?；◢弾r各階段峰值頻率分布特征分別見圖13、14、15。將聲發(fā)射峰值頻率大小劃分為4個層級，每個層級對應1種填充形式，分別為網格形、橫條形、豎條形和斜線形，其中網格形代表分布在0～100 kHz的峰值頻率數據，橫條形代表分布在101～200 kHz的峰值頻率數據，豎條形代表分布在201～300 kHz的峰值頻率數據，斜線形代表分布在301～400 kHz的峰值頻率數據。峰值頻率主要分布在0～100 kHz時，巖石主要以剪切型破壞形式為主；峰值頻率主要分布在301～400 kHz時，巖石主要以張拉型破壞形式為主。從圖13～15可知：

圖13 黃砂巖分階段峰值頻率分布特征

(1)黃砂巖變形階段從孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)至裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，分布在0～100 kHz峰值頻率占比依次為56.9%、88.4%、75.8%和46.1%；分布在30～400 kHz峰值頻率占比依次為8.7%、5.2%、9%和9.1%。各階段峰值頻率分布在0～100 kHz占比都超過45.0%，且分布在301～400 kHz各階段峰值頻率不超過10.0%。因此，黃砂巖各階段都以剪切型裂紋破壞形式為主。但與AF-RA值密度規(guī)律不同的是，裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)由AF-RA值分布規(guī)律被認定為以拉伸裂紋為主。

圖14 細粒大理巖分階段峰值頻率分布特征

圖15 細?；◢弾r分階段峰值頻率分布特征

(2)細粒大理巖峰值頻率分布較為集中，從孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)至裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，分布在0～100 kHz峰值頻率占比依次為94.7%、98.0%、98.6%和96.1%；而分布在301～400 kHz峰值頻率幾乎為0。因此，細粒大理巖各階段都以剪切型裂紋擴張為主，而拉伸型裂紋幾乎不存在。所得結果與AF-RA值密度分布規(guī)律所得結果基本一致。

(3)細?；◢弾r變形階段從孔隙裂隙壓密階段(Ⅰ)至裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)，分布在0～100 kHz峰值頻率占比依次為7.4%、17.9%、30%和21.7%；分布在301～400 kHz峰值頻率占比依次為43.8%、45.1%、33.1%和40.3%?？梢园l(fā)現，各階段分布在301～400 kHz峰值頻率占比在30%～50%之間，而分布在0～100 kHz峰值頻率占比在0～30%之間。因此，在各個階段中，裂紋擴張以拉伸型裂紋為主，且隨著應力越往峰值強度接近，剪切型裂紋數量也隨之增加。特別地，在裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅲ)中，301～400 kHz峰值頻率占比僅比301～400 kHz峰值頻率占比多3.1%，說明這一階段剪切型裂紋和拉伸型裂紋數量相差不大，即呈現為拉-剪復合型裂紋。

綜上，3類巖石各階段由峰值頻率占比所得裂紋擴張形式與AF-RA值密度分布規(guī)律所得結果基本一致，說明采用聲發(fā)射參數峰值頻率與AF-RA值密度分布規(guī)律可以有效判別巖石主要破壞形式。

3 結 語

本文通過對黃砂巖、細粒大理巖和細粒花崗巖進行單軸壓縮試驗，結合聲發(fā)射技術對巖石峰值強度前各變形階段進行裂紋擴張形式分析，得出以下結論：

(1)證實了聲發(fā)射信號參數峰值頻率與AF-RA值密度分布規(guī)律用于判別巖石各階段破壞形式的有效性與一致性，且各階段裂紋擴張形式與整體全過程裂紋擴張形式基本一致。

(2)黃砂巖和細粒大理巖峰值頻率分布在0～100 kHz占比分別都超過45%和90%，各變形階段裂紋發(fā)展都以剪切型為主，與巖石破壞實際宏觀裂紋一致；而細?；◢弾r則是隨著應力的增大，裂紋從以拉伸裂紋為主轉變?yōu)槔?剪復合型裂紋。

(3)巖石在裂紋非穩(wěn)定發(fā)展階段(Ⅳ)所呈現出的聲發(fā)射信號參數規(guī)律與整體聲發(fā)射信號參數規(guī)律高度相似，且對巖石破壞整體過程中所產生的聲發(fā)射信號特征起著決定性作用。