单轴压缩及劈裂条件下岩石的声发射特性试验研究

向天元,谢学斌,周瀚

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)



单轴压缩及劈裂条件下岩石的声发射特性试验研究

向天元,谢学斌,周瀚

(中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 410083)

利用INSTRON电液伺服万能试验机和PCI-2型多通道声发射测试系统，对取自盘龙铅锌矿的围岩、未风化矿体和微风化矿体制成的试件分别进行单轴压缩和劈裂试验。研究结果表明：单轴压缩时，围岩和未风化矿体的声发射能率分别集中在弹性阶段中后期和弹性阶段，进入塑性阶段后两者的声发射能率均明显减少；微风化矿体在受压全过程声发射能率丰富；未风化矿体和微风化矿体的声发射累计数和能量分别最低、最高。劈裂加载时，3种岩样的声发射能率在时序上的变化规律与其应力在时序上的变化规律相一致，声发射能率能反映岩石在受拉状态下内部损伤的演化趋势；围岩和微风化矿体的声发射累计数和能量分别最高、最低。单轴压缩下岩样的能量高于声发射累计数，而劈裂时岩样的能量与声发射累计数大致相同；单轴压缩下岩样的声发射累计数和能量远远比劈裂时高。

岩石；单轴压缩；劈裂；声发射

声发射是指材料在受到外荷载作用时内部贮存的应变能快速释放产生弹性波的现象。声发射作为一种动态检验方法，可以连续、实时地监测脆性材料在荷载作用下内部的损伤演化，被广泛用于研究脆性材料的失稳破裂演化过程[1-2]。近年来，越来越多的研究者开展了不同的试验方法和试样种类的岩石声发射室内实验研究，如单轴及单轴加卸载试验[3-6]、三轴及三轴卸围压试验[7-9]和疲劳试验[10-11]等。在矿山工程中，岩石承受的最小主应力大于其抗拉强度时将发生拉伸破坏，如巷道顶板冒落就与拉应力密切相关，给矿山安全生产造成严重威胁，因此许多研究者展开了不同岩石在直接拉伸和间接拉伸条件下岩石的声发射特征研究[12-15]，揭示了岩石在拉应力状态下的破坏机制和声发射特性。目前，国内关于不同岩石的声发射特性研究很多，但将已风化岩石和未风化岩石作对比研究的试验还较少。为研究盘龙铅锌矿不同性质的矿岩的声发射特性，对取自矿区的围岩、未风化矿体及微风化矿体进行单轴压缩和劈裂试验，分析探讨3种岩样在不同加载条件下的声发射活动规律及微观破裂机制，为进一步研究和揭示井下动力灾害演化过程及灾害发生机制提供判断依据。

1　试验方案及内容

1.1试样制备

试验岩样取自盘龙铅锌矿，分为围岩、未风化矿体及微风化矿体3组，其中围岩组取自采场顶、底板的白云岩，未风化矿体组取自采场的新鲜铅锌矿矿体，微风化矿体组取自在采场存放时间约1～2 a的铅锌矿体。3组岩样各有6个试样，6个试样中的3个单轴压缩试样为50 mm× 50 mm×100 mm的标准长方体，3个受拉试样为Φ50 mm×50 mm的标准圆柱体。围岩组的平均密度为2.85 g/cm3，未风化矿体组的平均密度为4.33 g/cm3，微风化矿体组的平均密度为3.01 g/cm3，未风化矿体组的含矿率大于微风化矿体组。试件两端面不平整度误差小于0.05 mm，沿高度方向两对边长度误差小于0.3 mm，符合工程岩体试验方法标准。

1.2试验设备

单轴压缩试验的加载系统采用中南大学的INSTRON—1346电液伺服万能试验机，试验时加载速度为0.08 mm/min。劈裂试验的加载系统采用中南大学的INSTRON—1342电液伺服万能试验机，试验时加载速度为1.0～1.5 mm/min。声发射测试系统均为美国物理声学公司(PAC)生产的PCI—2型多通道声发射测试系统。声发射测试系统门槛值和前置放大增益均设为40 dB，采样频率为1～3 kHz。声发射传感器为R6α型谐振式高灵敏度传感器。试验时位移、荷载及声发射采集系统同步进行，以保证单轴压缩、劈裂试验分别与声发射试验在时间上严格对应。试验装置实物图如图1所示。

图1　试验装置图Fig.1 Experimental equipments

2　试验结果及分析

2.1单轴压缩试验结果分析

表1为3组岩样在单轴压缩条件下测得的力学参数和声发射参数，其中声发射累计数(ΣN)是指岩样破坏全过程的声发射总计数，声发射累计能量(ΣE)是指岩样破坏全过程的声发射能量计数。从表中可知，围岩组的抗压强度和弹性模量波动范围很小，说明围岩组均匀性较好；未风化矿体组因矿化差异，各试样的抗压强度和弹性模量也相差较大，非均质特征明显；微风化矿体组含矿率虽低，但各试件受风化作用影响程度不同使其抗压强度和弹性模量离散较大，非均质特征很明显。由表1可知，微风化矿体组的声发射累计数和声发射累计能量最高，且该组各试件之间声发射水平相差很大；未风化矿体组虽非均质特征明显，但各试件之间声发射水平相差较小；而围岩组均匀性较好，各试件之间声发射水平相差不大；可见，风化作用对矿岩的声发射特性有很大影响。

反映岩石声发射特征有多个参数，现采用声发射能率(E)进一步分析3组岩样在单轴压缩条件下的声发射特性。图2～4分别为围岩W1-1，未风化矿体K1-1和微风化矿体F1-2的声发射能率-时间-应力曲线(每组岩样选取一个代表性试件进行分析)，从图中可知，3组试样在受压破坏过程中声发射特征存在相同点：1)在受压过程中均有声发射产生，即未出现破坏前的平静期，这说明在单轴压缩过程中岩样内始终有微裂纹产生、扩展；2)声发射能率峰值出现在应力峰值附近，部分试件在临近峰值应力时声发射活动明显下降，这与其他研究者所得结果一致[4,9]。目前，关于岩石破坏前声发射活动突然下降或相对平静的现象还没有统一定论，仍需进行大量的试验来研究和探讨。

表1　单轴压缩下岩样的试验结果

在图2～4中，不同试样的声发射能率-时间-应力曲线也存在不同点。

图2　围岩W1-1单轴压缩能率-时间-应力关系曲线Fig.2 Curves of stress and energy rate with time in uniaxial compression test for sample W1-1

图3　未风化矿体K1-1单轴压缩能率-时间-应力关系曲线Fig.3 Curves of stress and energy rate with time in uniaxial compression test for sample K1-1

图4　微风化矿体F1-2单轴压缩能率-时间-应力关系曲线Fig.4 Curves of stress and energy rate with time in uniaxial compression test for sample F1-2

1)围岩的声发射能率集中在弹性阶段的中后期，突变点较多，部分突变点的能率值接近能率峰值。分析其原因，主要是围岩的均匀性比未风化矿体和微风化矿体好，在加载初期和弹性阶段前期表现出能量很低的声发射，由材料试验机传递的能量被围岩内部慢慢吸收和积累，直至进入弹性阶段中后期，围岩的应力和应变越来越接近峰值，微裂纹的发展进入活跃阶段，其所吸收的能量通过岩石形成宏观破裂面快速释放，此时能听到岩石损伤时发出的巨响。

2)未风化矿体的声发射能率均集中在弹性阶段，突变点少，原因是未风化矿体成分比围岩复杂，均匀性比围岩低，局部单元强度不一，故进入弹性阶段后强度较低的局部就开始有微裂纹产生和扩展，所吸收和积累的能量逐渐释放，声发射能率开始快速增长，但没有像围岩那样突然释放应变能，故能率突变点少。

3)围岩和未风化矿体的声发射能率在弹性阶段后期到达峰值，进入塑性阶段后声发射能率反而下降，标志围岩和未风化矿体破坏的前兆。进入塑性阶段后，围岩和未风化矿体均有宏观裂纹，而声发射信号开始下降，这说明围岩和未风化矿体在弹性后期已有大量微裂纹扩展并贯通，且两者在峰值荷载后均立即失去承载力，表现出脆性破坏特征。

4)微风化矿体的声发射能率在加载初期明显高于围岩和未风化矿体，进入弹性阶段后，声发射能率继续增长，但增长幅度有限，有少量的突变点，突变点的能率值不高；进入塑性阶段后，微风化矿体的能率突变点明显增多，且突变点的能率值大部分接近能率峰值；与围岩和未风化矿体不同的是，峰值应力后，微风化矿体表现出一定的“延性”，其承载力缓慢下降，声发射活动也逐渐减少。分析原因，主要是微风化矿体受风化影响，内部原生裂纹较多且结构单元强度分布不均，一开始声发射信号就比围岩和未风化矿体丰富。进入弹性阶段后，微风化矿体内的微裂纹持续产生和扩展，声发射活动十分活跃。进入塑性阶段后，微风化矿体声发射能率持续增长直至峰值，这点与围岩和未风化矿体不同，这与该岩样的内部结构有关。岩样在加载完毕后十分破碎，表面呈片状剥落，中部有横向胶结层，破坏后试件沿该胶结横断面裂开，其破坏形态如图5所示。在塑性阶段横向的胶结层使微风化矿体中的微裂纹只能局部贯通，形成大小不一的碎块，各碎块之间相互挤压摩擦使微裂纹进一步发展，岩石更为破碎，声发射信号也继续产生。到达峰值强度后，微风化矿体各碎块相互滑移、剥落，声发射信号减少，岩石承载力逐渐下降。

图5　微风化矿体F1-2破坏形态Fig.5 Failure mode of sample F1-2

2.2劈裂试验结果分析

表2为围岩、未风化矿体和微风化矿体在劈裂条件下的试验结果，从岩样的抗拉强度来看围岩的离散性比其他两组岩样小，表明围岩的均质性比未风化矿体和微风化矿体好，这点与单轴压缩情况相同。从声发射累计数和能量来看，围岩W3-3和未风化矿体K3-1明显比其他试件高，这与2个试件的破坏形态有关。图6中从左至右依次为围岩W3-3，未风化矿体K3-1和微风化矿体F3-1劈裂破坏形态图，从图中可看出，围岩W3-3劈裂破坏后有2条宏观裂缝，未风化矿体K3-1劈裂破坏后裂缝呈“S”型，而其他试件劈裂破坏形态与微风化矿体F3-1一样，均只有1条径向直线形裂缝，这说明围岩W3-3和未风化矿体K3-1的破裂面面积明显大于其他试件，而宏观破裂面的产生过程中伴随声发射，因此围岩W3-3和矿体K3-1的声发射累计数和能量明显高于其他试件，而其他试件的声发射累计数和能量相差相对较小，这使围岩组的平均声发射累计数和能量最高，微风化矿体的平均声发射累计数和能量最低。

为进一步了解3组岩样在劈裂试验下的声发射特性，对3组岩样的声发射能率进行分析。图7～9分别是围岩W3-2，未风化矿体K3-1和微风化矿体F3-1的声发射能率-时间-应力曲线(每种岩样选取一个代表性试件进行分析)，从图中可见：3种岩样在劈裂条件下有相同的声发射特征：在劈裂加载全过程中声发射能率随应力的增加而增长，能率-时间曲线和应力-时间曲线比较接近，能率与应力同时到达峰值，即破坏时能率最大。

表2　劈裂条件下岩样的试验结果

图6　围岩W3-3、未风化矿体K3-1和微风化矿体F3-1劈裂破坏形态Fig.6 Failure modes of sample W3-3,sample K3-1 and sample F3-1

图7　围岩W3-2劈裂能率-时间-应力曲线Fig.7 Curves of stress and energy rate with time in Brazilian test for sample W3-2

图8　未风化矿体K3-1劈裂能率-时间-应力曲线Fig.8 Curves of stress and energy rate with time in Brazilian test for sample K3-1

从图7～9发现，应力随时间的变化规律与能率随时间的变化规律是一致的。围岩W3-2应力随时间增长的速度较均匀，在加载后期增长速度才加快，其能率在加载前半段随时间增长的速度亦较均匀，随后增长速度有小幅波动，继续加载，能率增长速度也加快。未风化矿体K3-1和微风化矿体F3-1在加载初期应力随时间增长十分缓慢，随荷载的增加，应力随时间的增长速度明显增大；未风化矿体K3-1在加载初期的能率增长幅度很小，加载至应力增长速度加快的时间点时其能率增长幅度也明显增大，在加载后期应力-时间曲线上出现的凸起点几乎同时出现在能率-时间曲线上；微风化矿体的能率在加载初期增长幅度与其应力相一致，在应力增长速度加快的时间点增长幅度也明显增大。

图9　微风化矿体F3-1劈裂条件下能率-时间-应力关系曲线Fig.9 Curves of stress and energy rate with time in Brazilian test for sample F3-1

由3组岩样的声发射能率和应力随时间的变化规律可知，在劈裂条件下，岩石的声发射能率在时序上的变化能反映岩石内部损伤在时序上的演变规律，这可为现场判断岩石受拉失稳提供依据。

2.32种试验结果对比分析

比较表1和表2可知，3组岩样在单轴压缩下和劈裂下的声发射累计数和能量相差很大，单轴压缩下岩样的声发射累计数和能量明显偏高；而比较图2～4和图7～9可知，岩样在单轴压缩和劈裂条件下的声发射能率峰值均在60 000～70 000之间，相差较小。分析其原因，主要是劈裂试验的加载速度很大，而岩样的抗拉强度远远低于其抗压强度，故单轴压缩加载时间远远大于劈裂加载时间，单轴压缩下岩样产生的损伤也远远比劈裂条件下多并通过声发射累计数和能量表现出来。

从表1来看，单轴压缩下每组岩样的平均声发射累计数比平均能量低；从表2来看，劈裂条件下每组岩样的平均声发射累计数与平均能量大致相同。

3　结论

1)单轴压缩条件下，微风化矿体受风化影响，其声发射累计数和能量最高，声发射活动最剧烈，未风化矿体的声发射累计数和能量最低；劈裂条件下，围岩和微风化矿体的声发射累计数和能量分别最高、最低；3组岩样在单轴压缩下的声发射累计数和能量远远比劈裂条件下高；单轴压缩时每组岩样的平均能量高于其平均声发射累计数，而劈裂条件下每组岩样的平均声发射累计数和平均能量大致相同。

2)单轴压缩条件下，围岩的声发射能率集中在弹性阶段中后期，能率突变点多；未风化矿体的声发射能率集中在弹性阶段；围岩和未风化矿体进入塑性阶段后声发射能率均明显下降，标志岩石破坏的前兆。微风化矿体在加载初期的声发射能率比围岩和未风化矿体高，在弹性阶段声发射活动相对稳定，进入塑性阶段后声发射能率持续增长至峰值，到峰值应力后，微风化矿体表现出一定的“延性”，其承载力缓慢下降，声发射活动逐渐减少。

3)劈裂条件下，围岩、未风化矿体和微风化矿体的声发射能率在时序上的变化规律和其应力在时序上的变化规律一致，声发射能率能反映岩石在受拉状态下内部损伤的演化趋势，现场可采用声发射能率来预测和判断岩石的受拉失稳破坏。

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Experimental study on AE characteristics of rocks under Brazilian and uniaxial compression

XIANG Tianyuan, XIE Xuebin, ZHOU Han

(School of Resources and Safety Engineering，Central South University, Changsha 410083, China)

By virtue of INSTRON electro-hydroulic servo universal testing machine and PCI-2 acoustic emission testing system, uniaxial compressive and Brazilian tests were carried out with 3 different rocks. The results show that in uniaxial compression test AE energy rate of surrounding rock and unweathered orebody are respectively concentrated in the middle-late period of elastic phase and elastic phase, but both significantly decreased in the plastic phase. The AE energy rate of lightly weathered orebody is rich all the time and its’ accumulated AE counts and energy are highest while unweathered orebody’s are lowest in uniaxial compression test. In Brazilian test, the changes over time of AE energy rate are in accordance with the changes of stress, which shows that AE energy rate indicates the change trend of damage inside rock. The accumulated AE counts and energy of rocks under uniaxial compression are much higher than those of rocks under Brazilian splitting.

rock; uniaxial compression; Brazilian splitting; acoustic emission

2015-10-25

国家自然科学基金资助项目(51374246)；湖南省科技划项目(2013FJ6002)

谢学斌(1968-)，男，湖南祁东人，教授，博士，从事岩土工程科技及教学工作；E-mail：xbxie@csu.edu.cn

TU45

A

1672-7029(2016)08-1528-07