单轴压缩条件下白云质灰岩声发射特性

王文丽，王 春，周宗红

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，昆明650051；2.中南大学资源与安全工程学院，长沙410083；3.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093）

单轴压缩条件下白云质灰岩声发射特性

王文丽1，王 春2，3，周宗红3

（1.中国有色金属工业昆明勘察设计研究院，昆明650051；2.中南大学资源与安全工程学院，长沙410083；3.昆明理工大学国土资源工程学院，昆明650093）

采用完整性、均匀性都较好的白云质灰岩进行单轴压缩声发射试验，试验采用型号为TAW-2000B的数字控制式电液伺服试验机进行加载，采用型号为SDAES的数字声发射检测仪采集声发射信号。研究分析试验后的声发射数据，其结果表明，加载初期AE振铃计数值保持在200～300，然后减小处于稳定期，最后骤然增加出现最大值；AE能量计数值经历稳定阶段后突然增大；AE事件计数率加载初期出现突变现象，接着处于稳定期，加载后期突增并在应力达到岩石单轴抗压强度的80%～90%时出现最大值；岩石的损伤破坏过程中的声发射现象处于不同的状态，说明声发射技术可以用来监测岩石的损伤破坏。

白云质灰岩；声发射；单轴压缩；振铃计数；能量计数

20世纪30年代末期，Obert和Duvall发现岩石受到外部载荷作用时产生声发射现象［1］。随着后来的研究，声发射技术应用到了矿山开采、岩爆监测、岩石损伤探测等领域［2-5］。二里河铅锌矿［6］、新塘铜矿大凹子矿段［7］、雷家寨铜多金属矿［8］、滇滩水城萤石矿［9］、瓦厂铁铜矿［10］等矿山的开采都伴随着岩石的损伤破坏、采空区塌陷、矿柱失稳等潜在问题。铜坑矿92＃矿体裂隙矿岩巷道支护［11］、高应力动态冲击荷载下岩石本构关系的研究［12］等也会伴随岩石损伤破坏。声发射技术的应用为上述问题的解决提供了大量的参考依据。

关于单轴压缩条件下岩石声发射特性，国内外学者进行了大量的研究。陈宇龙、徐腾飞、潘懿等［13-17］进行了大量的单轴压缩条件下的岩石声发射特性的研究，总结分析了声发射事件计数、能量计数、振铃计数、幅度等信号参数的变化规律，为声发射技术应用到岩石损伤破坏探测领域提供了理论依据。

1 单轴压缩声发射试验

1.1 岩样制备

为研究单轴压缩条件下白云质灰岩声发射特性，选取白云质灰岩料石，然后经过钻取岩芯、切割、打磨三个步骤加工成符合岩石力学测试要求的岩样。单轴压缩声发射试验选用的岩样为完整性、均匀性都较好的岩样。根据试验要求，岩样加工成圆柱形，岩样长径比为2︰1，长度100mm，直径50mm。岩样打磨后，两端面的不平行度小于0.02 mm，圆周和端面的不垂直度确保要小于0.02mm。

1.2 试验设备

单轴压缩声发射试验选用型号为TAW-2000B的长春市朝阳试验仪器有限公司开发的数字控制式电液伺服试验机进行加载。该岩石试验机的主要组成部分包括电控箱、控制柜、自平衡压力室、系统油源、门框式刚性主机等，其实物图见图1。

单轴压缩声发射试验整个过程中岩样产生的声发射信号通过SDAES数字声发射检测仪采集，其由北京声华科技有限公司研制。SDAES声发射检测系统由传感器、前置放大器、声发射采集卡及计算机四个主要部分组成，其实物图见图2。

图1 单轴压缩试验系统实物图Fig.1 Picture of uniaxial compression test system

1.3 试验原理

速度入口条件应用于入口。两个相的速度和浓度是给定的值。在出口处施加大气压力的压力出口条件。壁粗糙度设定为0.02 mm，液相使用无滑移边界条件，粒子使用Johnson和Jackson部分滑移边界条件，并将镜面反射系数和颗粒-壁面恢复系数分别设置为0.05和0.97。[7]具体参数设置见表2。

岩石的声发射现象是指岩石受到外界荷载的作用时，内部新旧裂纹萌发、扩展、贯通等，从而使岩石发生弹性、塑性变形，当外界压力超过岩石能承受的极限时，岩石内部存储的能量便以弹性波的形式释放出来的现象。研究单轴压缩条件下岩石声发射的数量、大小、频率等参数，可以进一步了解岩石变形破坏的过程。单轴压缩过程中通过粘贴在岩石试件上的声发射换能器将声发射信号转换成电信号，传送到前置放大器放大，放大后的信号再传送到声发射信号处理器，形成声发射事件、振铃、能量等参数，然后输送给计算机存储，其原理示意图见图3。

图2 声发射监测系统实物图Fig.2 Picture of AE monitoring system

图3 单轴压缩声发射试验原理示意图Fig.3 Sketch map of the AE test principle under uniaxial compression

1.4 试验方案及步骤

1）试验方案：单轴压缩声发射试验的目的是测定压缩过程中岩石的声发射现象，用来研究岩石的变形破坏情况。试验采用负荷加载的方式进行加载，加载速率设定为0.5MPa/s。试验分为两组进行，每组准备3个岩样，试验前测定岩样的物理参数，具体的试验方案见表1。

表1 单轴压缩声发射试验方案Table 1 Testing program of AE test under uniaxial compression

2）试验步骤：单轴压缩声发射试验在进行负荷加载的同时启动声发射测试系统。试验主要分6个步骤进行。

（1）准备长度100mm、直径50mm的白云质灰岩岩样。

（2）检测应变片并将其沿轴向、径向各粘贴一片在岩样侧面。

（3）连接、调试SDAES数字声发射检测仪系统。

（4）检测试验系统是否连接完好。

（5）同时启动声发射系统和加载系统进行试验。

（6）储存试验采集的数据。

2 试验结果及分析

2.1 AE振铃计数特性

图4为单轴压缩声发射试验中A1、B2、B3岩样的振铃计数—应力—时间关系。从图4中可以得出，加载初期AE振铃计数突增，但总数值为200～300，说明此时岩样处于压密阶段，岩石处于弹性变形阶段，内部裂纹变化相对稳定。随着荷载的不断增加，AE振铃计数保持一段时间近似恒定，说明岩石处于致密过程，能承受静载荷。但施加荷载达到白云质灰岩抗压强度的80%～90%时，AE振铃计数骤然增加，最大值出现，说明岩石内部裂纹开始贯通，宏观破坏即将形成。最后静载荷施加到一定值时，岩样突然破裂，岩样破碎呈条状。

2.2 AE能量计数特性

单轴压缩声发射试验中的AE能量计数可以用来反映声发射事件的强度。图5为AE能量计数—应力—时间关系图。图中A1岩样0～35s时，AE能量计数增加较快，说明此时岩样产生的声发射强度越来越强。35～90s时，AE能量计数值较小，且变化范围较窄，说明岩样此时间段处于稳定状态。90～100s时，AE能量计数值骤然增大，说明岩样发生了宏观破坏。B2、B3岩样只在加载的后期出现AE能量计数值增大现象，其它时间段都相对稳定，说明B2、B3岩样内部的微裂纹不同于A1岩样，从而造成试验中产生不同的现象。

图4 AE振铃计数-应力-时间关系Fig.4 Relationship of AE ring count-stress-time

图5 AE能量计数-应力-时间关系Fig.5 Relationship of AE energy count-stress-time

从A1、B2、B3岩样AE能量计数—应力—时间关系的变化情况可以得出，岩石加载的初期产生的声发射强度较小，说明岩石内部微裂纹处于压密阶段，岩石产生的是弹性变形，无新裂纹产生。但随着应力的增加，岩样内部存储的能量越来越多，导致产生的声发射强度逐渐增大。

2.3 AE事件计数率特性

通过对单轴压缩条件下岩石声发射试验采集的数据进行分析，绘制了AE事件计数率—应力—时间曲线，见图6。图6中，AE事件计数率—应力—时间关系可以分为三个主要阶段进行分析，加载初期、加载中期、加载后期，对应的应力分别为岩石单轴抗压强度的5%～15%、20%～60%、70%～90%。

图6 AE事件计数率-应力-时间关系Fig.6 Relationship of AE events count rate-stress-time

1）加载初期：产生少量的声发射事件，声发射活动突变现象明显。究其原因是，在较低的静载荷下，岩石内部的微裂纹逐渐闭合，闭合的过程中会导致完整性极差的微裂面发生破坏，产生不同强度的声发射。

2）加载中期：声发射活动相对较少，其原因是岩石承受的荷载未达到岩石的屈服强度，岩石主要处于弹性变形阶段，岩石内部微裂纹处在休眠状态，但仍会有些已经闭合的微裂纹表面间会产生滑移现象，产生少量的声发射事件。

3）加载后期：声发射活动活跃，当应力为岩石单轴抗压强度的80%～90%时，产生大量的声发射事件。其原因为随着应力的不断增加，岩石试样内部开始形成新的裂纹，试样同时也出现扩容现象，岩石发生了宏观破坏。

3 结论

通过单轴压缩声发射试验研究白云质灰岩在单轴压缩条件下的声发射特性，试验结束后认真分析数据，得出如下结论。

1）加载初期AE振铃计数值在200～300，接着保持恒定，最后当岩石处于宏观破坏阶段时AE振铃计数值骤然增加，最大值出现。

2）岩石加载的初期，内部微裂纹处于压密阶段，产生的声发射强度小，随岩石内部储存能量不断加大，AE能量计数值经历休眠阶段后突然增大，说明加载后期声发射现象活跃。

3）通过声发射计数率总结，加载初期有少量的声发射事件产生，并出现突变现象；加载中期声发射现象处于休眠状态；加载后期声发射活动活跃，尤其应力达到岩石单轴抗压强度的80%～90%时，产生大量的声发射事件，说明此时岩石处于宏观破坏状态。

［1］袁振明，马羽宽，何泽云.声发射技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，1985.

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［3］腾山邦久.声发射（AE）技术的应用［M］.北京：冶金工业出版社，1997.

［4］王 春.会泽铅锌矿白云质灰岩力学特性试验研究［D］.昆明：昆明理工大学，2013.

［5］何文秀，赵其华，张海泉.三轴压缩条件下玄武岩变形破坏与声发射特征［J］.甘肃水利水电技术，2015，51（5）：26-29.

［6］赵林海，王 春，王文丽，等.房柱法在二里河铅锌矿的典型应用［J］.金属矿山，2013（12）：20-22.

［7］王文丽，王 春.新塘铜矿大凹子矿段采矿方法方案探讨［J］.矿冶，2013，22（2）：29-32.

［8］王文丽，王 春.雷家寨铜多金属矿采矿方法选择探讨［J］.有色金属（矿山部分），2013，65（3）：29-32.

［9］王文丽.分层崩落采矿法在滇滩水城萤石矿的应用［J］.金属矿山，2013（4）：40-42.

［10］王 春，周宗红.分层崩落采矿法在瓦厂铁铜矿的应用［J］.矿冶，2013，22（1）：33-36.

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The acoustic emission characteristics of dolomitic limestone under uniaxial compression

WANG Wenli1，WANG Chun2，3，ZHOU Zonghong3
（1.Kunming Prospecting Design Institute of China Nonferrous Metals Industry，Kunming 650051，China；2.School of Resources and Safety Engineering，Central South University，Changsha 410083，China；3.Faculty of Land Resource Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming 650093，China）

Acoustic emission test under uniaxial compression is done on dolomitic limestone with well integrity and homogeneity.TAW-2000B digital controlled electro-hydraulic servo testing machine is used for loading，and SDAES digital acoustic emission detector is used for collecting acoustic emission signal.The results show that AE ring count is maintained at 200～300，and then decreased in stability，finally had a sudden increase to the maximum；AE energy count suddenly increases after a period of stability；the sudden change of AE events count rate is observed during the initiation of loading，then AE events count is in the plateau，finally it has a sudden increase in the maximum when the stress get up to 80%～90%of the uniaxial compressive strength of rock.The acoustic emission phenomenon has different states when the rock is in different damage process.The phenomenon shows that acoustic emission technique can be used to monitor the rock damage.

dolomitic limestone；acoustic emission；uniaxial compression；ring-down count；energy count

TD315

Α

1671-4172（2015）06-0049-04

王文丽（1972-），女，工程师，采矿工程专业，主要从事采矿工程设计工作。

10.3969/j.issn.1671-4172.2015.06.010