不同受力状态下岩石破坏过程次声信号特征

2018-12-10孙从露任世聪

地球科学与环境学报 2018年6期

徐洪，孙从露，任世聪

(1.重庆地质矿产研究院重庆市地质灾害自动化监测工程技术研究中心，重庆 400042；2.重庆地质矿产研究院外生成矿与矿山环境重庆市重点实验室，重庆 400042)

0 引言

岩石在破坏过程中通常伴有声发射现象，目前前人已有大量的相关研究成果，并利用这一特性在矿山灾害监测预警[1-5]、地应力测量[6-7]及岩土稳定性监测[8-9]等方面开展了大量的应用实践，展示了其广阔的应用前景。就现有成果来看，当前对岩石声发射无论是理论研究还是应用都主要集中在频率为数十千赫兹至数千千赫兹的高频信号段。由于该类声波信号频率较高，波长很短，在传播过程中能量衰减很快，所以必须在监测点上安装声波接收设备，同时，接收到的信号容易受外部条件干扰，这也使声发射监测岩体破坏受到很大限制[10]。事实上，岩体在破坏过程中不仅有高频的声信号发生，同时还伴有低频的次声信号，这已被以往的试验所证明[11-14]。由于次声信号具有能量衰减慢、跨越障碍能力强及传播距离远等优点，所以可实现非接触监测。这种监测方法一方面大大简化了监测程序，另一方面可弥补当前声发射监测的不足，在灾害监测尤其是远程监测方面较现有的监测方法具有更大的优势。

关于岩石破坏过程中的次声信号，国内外学者在很早以前就有相关的研究和记录，早期的研究工作重点在于验证次声信号是否存在以及如何获取等方面。例如，苏联曾用5万吨压力机对尺寸为0.55 m×0.55 m×0.65 m的混凝土进行单轴压缩试验,在压缩过程中接收到次声信号[11]；李均之等于1982年曾对花岗岩、大理岩等几种岩石做了35次破坏性试验，发现在岩石受力过程中可断续接收到次声信号[11]。近年来，国内学者进一步开展了岩石破裂次声信号特征方面的针对性研究。例如，Zhu等通过室内试验，建立了次声信号声发射与岩石岩性的定性关系[12,15]；魏建平等分析了煤岩单轴压缩过程中次声信号与加载应力的对应关系，并探讨了利用次声信号实现矿井煤岩动力灾害远距离、非接触监测的可行性[13]；徐洪等采用小波分析方法，对砂岩破坏次声信号的能量特征进行了分析，探讨了岩石压缩过程中不同频带能量变化关系，并由此提出利用次声信号能量变化对岩石破坏进行预警的方法[14]。总体来看，目前国内外关于岩石破坏过程中次声信号的研究还处于起步阶段，相关成果并不多，岩石破坏多采用单轴压缩方式。事实上，在实际的工程中，拉伸和剪切往往是岩石受力破坏的主要方式，由于受力机制不同，所以在信号特征方面必然存在一定差异，而对这些差异的分析和研究，对于提升现场监测及预警的准确性具有重要意义。目前，针对不同受力状态下的声发射信号特征，在高频信号段已有相关的对比研究成果[16]，但在次声信号段尚无相关研究报道。为此，本文通过室内试验分别获取了岩石在压缩、剪切和拉伸破坏过程中的次声信号，并对次声信号的波形、功率谱以及时频特征等主要参数进行分析研究，为不同受力状态下的次声信号识别提供依据。

1 试验仪器及设备

本试验在重庆大学山地城镇建设与新技术教育部重点实验室电液伺服岩石三轴试验机上完成，该试验机可开展岩石单轴、三轴等试验，试验加载采用电脑控制，可实现力(应力)、变形(应变)、位移、保载时间、应力路径多级加载等多种加载方式。岩石次声信号的测量采用CASI-ISM-2009次声传感器以及配套的数字记录仪，传感器可量测频带范围为0.000 1～100 Hz，量测精度为368 mV·Pa-1。在试验过程中，首先将次声传感器与记录仪连接，由数字记录仪将传感器电信号转换为数字信号，再传输给电脑控制系统。次声信号采集系统如图1所示。

图1 次声信号采集系统Fig.1 Infrasound Signal Collection System

2 试验过程

2.1 试验试件

试验岩样均为细砂岩，采自重庆市万州区。岩样表面呈灰白色，单轴抗压强度为52～85 MPa，抗拉强度为3.9～7.6 MPa。试验中，岩石压缩破坏采用单轴压缩方法，压缩试件采用标准圆柱体试件，试件直径为50 mm，高度为100 mm，误差为0.2 mm；剪切破坏试验采用楔形剪切方法，试验试件为标准立方体试件，试件尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，允许误差为0.2 mm；拉伸试验采用巴西圆盘劈裂方法，试件直径为50 mm，厚度为25 mm，误差为0.2 mm。为克服单个试件试验过程中的随机性，本次试验分别针对压缩、剪切和拉伸状态各制备4个试件，累计12个试件。

图2 环境噪声波形和频谱Fig.2 Waveform and Spectrogram of Ambient Noise

2.2 试验方案

试验过程严格按照《岩石物理力学性质试验规程》(DZ/T 0276—2015)[17]进行操作。试验过程中，为保证获得完整的全过程应力曲线，加载采用位移控制模式，根据加载方式的不同，采用不同的初始控制速率。其中，压缩试验初始控制速率为0.6 mm·min-1。试验中，试验机根据岩石加载过程中的变形速率及应力发展状况，自动调节后续加载速率，从而实现试验机与岩石变形的协同发展。次声信号数据采集采用非接触方式，在整个试验过程中，试件表面不安装任何探测设备，次声传感器与加载系统相距约1.5 m，传感器增益控制为100倍，数据采集频率为1 024 Hz。次声信号数据采集与加载试验同步开始，同步结束。

2.3 环境噪声分析及滤波处理

为了获得准确的岩石破坏次声信号，必须对环境噪声进行滤波处理，因而在数据分析前进行环境噪声分析是必要的。本试验中对环境次声信号的采集是在不加荷载的条件下开启试验系统的所有设备，并在设备运行稳定后利用次声信号采集系统采集数据，次声信号采集系统设置与试验过程中保持一致，环境噪声数据采集时间为20 s。

从环境噪声波形及傅里叶变换后的频谱图(图2)可以看出，环境噪声频率主要集中在50、68、85、100 Hz附近，小于20 Hz的次声信号相当少，因而可采用低通滤波器对信号进行滤波处理。通过比较，本文采用Butterworth低通滤波器进行滤波，考虑岩石破坏次声信号的特征，滤波器通带宽度设置为10 Hz，阻带宽度为20 Hz，通带最大衰减为0.5 dB，阻带最小衰减为40 dB，滤波后的波形如图3所示。从图3可以看出，环境噪声次声信号波形较为平稳，声压多集中在(-1～1)×10-4Pa之间，无明显的幅值突变，最大声压小于1.5×10-4Pa。因此，在后续分析中，将信号声压大于1.5×10-4Pa的脉冲信号视为岩石破坏过程中的有效次声信号。

图4 不同受力状态下次声信号时域波形与应力变化联合曲线Fig.4 Time Domain Waveform and Joint Curves with Stress Change of Infrasound Signal Under Different Stress States

图3 滤波后的环境噪声波形Fig.3 Waveform of Ambient Noise After Filter

3 结果分析与讨论

3.1 波形特征

根据试验结果，将记录仪采集的信号电压值转换为声压值，并以时间为横坐标绘制不同受力状态下次声信号时域波形图与应力变化联合曲线，如图4所示。

图5 次声信号脉冲类型Fig.5 Pulse Forms of Infrasound Signal

为进一步分析次声信号的细化特征，单独提取波形图中的有效次声信号进行分析(图5)。有效次声信号具有以下特征：首先，从信号的组成和持续时间上看，一个完整次声信号包含多个信号周期，信号持续时间1～2 s；其次，从信号的集中程度来看，大致可划分为两种类型，一是单个信号随机出现，相邻信号间间隔大于一个完整信号持续时间，二是多个信号连续出现，信号间隔小于一个完整信号持续时间。为分析方便，本文对上述两种情况分别定义为单发型脉冲信号和连续型脉冲信号。

结合图4、5可以看出，不同受力状态下，不同类型信号出现的时间和频率有所差异。在压缩和剪切状态下，连续型脉冲信号主要出现在岩石变形破坏的中期和中后期，而单发型脉冲信号则更具随机性，在岩石变形破坏的各个阶段均有可能出现。在拉伸状态下，连续型脉冲信号则多出现在岩石变形破坏的初期，且数量较少，而在岩石变形的中期甚至临近破坏前，则主要以单发型脉冲信号为主。

此外，从次声信号随应力的变化关系来看，在压缩状态下，次声高振幅信号主要出现在试件弹性变形阶段，此阶段次声信号以单发型脉冲信号为主，振幅较小并随机出现。这说明岩石在弹性变形过程中，尽管岩石在弹性变形阶段应力撤出后可以恢复，但实际岩石在受力过程中其内部的损伤已经不可避免。随着岩石由弹性变形进入塑性变形阶段，一方面岩体内部破裂数量增加，另一方面原有破裂开始发展贯通，次声信号发射中高振幅信号密集出现，连续型脉冲信号出现频率显著增加。在剪切状态下，有效次声信号多出现在试件加载的中后期，试件在剪应力达到峰值时开始出现高振幅信号，并持续出现，中间无明显变化的次声信号平静期，在此期间剪应力维持在一定程度，当次声信号出现频率明显减少甚至消失，则预示最终破坏来临。在拉伸状态下，几乎在加载开始便伴随着次声信号的发生，随着加载的持续，中间出现一段次声信号平静期，随后次声信号出现的密度与振幅持续增加，当拉应力达到峰值时，次声信号振幅也基本达到最大，随即试件破坏，应力陡然回落。

3.2 功率分布

功率谱密度函数是描述随机信号统计特征的一个重要参数，能直观展示信号各频率处功率的分布情况。信号的功率谱密度分析本质上是一种能量分析，相比振幅、频谱等分析方法，能量反映的是信号最原始的特征，功率谱密度函数分析剔除了频率分辨率以及振幅叠加等因素的影响，因而可比性更强。在各类国家标准中，通常用功率谱密度来描述信号的频域结果。本文利用功率谱密度函数对次声信号特征进行分析，从而找出不同受力状态下次声信号的特征差异，为次声信号的识别及后续应用提供依据。

单个随机信号的功率谱密度函数称为自功率谱密度函数，是该随机信号自相关函数的傅里叶变换。其表达式[18]为

(1)

式中：S(k)为自功率谱密度函数；k为自功率谱密度函数自变量；r为自相关函数自变量；j为虚数单位；N为信号长度；R(r)为随机信号的自相关函数。

本文采用平均周期图法求取岩石次声信号的自功率谱密度函数。其表达式为

(2)

图6 不同受力状态下次声信号自功率谱曲线Fig.6 Auto-power Spectral Curves of Infrasound Signal Under Different Stress States

自功率谱密度函数的计算在MATLAB软件中编程实现。计算过程中窗函数采用汉宁窗，窗长度取1 024，重叠长度为窗长度的一半，本文分别对不同受力状态下的次声信号进行自功率谱密度函数的计算。自功率谱曲线如图6所示。从图6可以看出，3种不同受力状态下次声信号的自功率谱密度函数具有明显差别。为进一步分析不同受力状态对信号功率谱影响的普遍规律，将不同受力状态下次声信号功率谱特征进行统计，其结果如表1所示。

首先，从功率谱曲线来看，在压缩和剪切两种受力状态下，自功率谱密度函数均表现为单一峰值，而拉伸状态下的自功率谱密度函数则出现双峰甚至多峰现象，上述现象表明在压缩和剪切状态下，岩石次声信号功率分布较为集中，而在拉伸状态下次声信号功率分布较为分散；从试件统计结果来看，以上结论是普遍规律，以功率谱曲线半峰宽来表示次声信号功率集中程度，则压缩试件半峰宽多在3.0 Hz以内，剪切试件半峰宽多在3.0～3.5 Hz之间，比压缩试件半峰宽略大，而拉伸试件的功率谱曲线半峰宽在7.5～9.0 Hz之间，功率集中程度远不如压缩和剪切试件。其次，从次声信号峰值频率区间的分布来看，岩石压缩状态下次声信号峰值频率为6.8～7.5 Hz，剪切状态下为7.8～8.5 Hz，比压缩状态下高约1 Hz，而拉伸状态下次声信号通常有低频和高频两个部分，其中低频部分峰值频率为5.8～6.8 Hz，与压缩状态下峰值频率相近，而高频部分峰值频率在9.7～11.7 Hz之间，比压缩和剪切状态下均高出3 Hz。最后，从次声信号功率谱密度峰值强度来看，岩石压缩状态下功率谱密度峰值强度较剪切状态下略高，而在拉伸状态下功率谱密度峰值强度则明显降低，从现有的结果来看，岩石拉伸状态下次声信号功率谱密度峰值强度约为压缩和剪切状态下的1/8～1/3。

表1 不同受力状态下次声信号功率谱特征Tab.1 Power Spectral Characteristics of Infrasound Signal Under Different Stress States

注：拉伸试件的半峰宽以较低峰值的一半截取。

3.3 时频特征

次声信号在不同的受力时间段，内部损伤的形式、数量和程度均有不同，相应地应该在次声信号的强度及频率上有所反映。因此，掌握岩石破坏过程中次声信号参数的时频特征，对于岩石破坏的监测和预警具有更为重要的意义。短时傅里叶变换是次声信号时频分析中最为典型的方法，其基本思路是在次声信号傅里叶变换前乘上有限时间的窗函数，并假定非平稳信号在分析窗上的时间间隔内是平稳的，通过窗在时间轴上的滑移使次声信号逐段进入被分析状态，从而得到次声信号的时频特性。本文采用MATLAB自带的短时傅里叶分析函数(Specgram)对岩石破坏过程中的次声信号时频特性进行分析，分析中窗函数选择海明窗，窗长度与采样长度一致，取1 024。不同受力状态下次声信号时频图如图7所示。结果表明，随着岩石在受力作用下破坏程度的增加，次声信号的频率也会发生一定程度的改变，但在不同受力状态下，频率变化的趋势和规律有所不同。

图7 不同受力状态下次声信号时频图Fig.7 Time-frequency Diagrams of Infrasound Signal Under Different Stress States

在压缩状态下，试件加载初期，次声信号以零星的单发型脉冲信号为主，信号幅值较小，该阶段次声信号集中在中心频率附近(通常为7 Hz左右)，频率展布范围小于2 Hz；在试件加载至强度的30%附近，即试件由压缩阶段进入弹性变形阶段，次声信号的出现频率及振幅都明显增大，其频率通常较中心频率高出约1 Hz，分布在2 Hz左右；在试件加载至强度的80%附近，岩石进入塑性变形阶段，次声信号开始以连续型脉冲信号形式出现，此次连续型脉冲信号的出现是岩石内部裂隙开始汇集成核，形成主破裂面的标志，同时也是试件破坏前兆的重要信息。该连续型脉冲信号中心频率仍然在7 Hz左右，信号频率展布范围为2～4 Hz，最大可达8 Hz，说明在塑性变形阶段，次声信号的成分更加复杂。造成上述频率变化的原因在于两个阶段力学机制的不同，在弹性变形阶段次声信号主要由岩石内部单个随机裂隙萌生所导致，而在塑性变形阶段，次声信号密集出现的原因既包含单个随机裂隙萌生，也包含多个裂隙的聚集成核，同时还包含在较大裂隙面上的裂隙面摩擦。因此，塑性变形阶段次声信号的成分较弹性变形阶段复杂，从而在时频图上表现出中心频率更加分散，频率总展布范围扩大。

在剪切状态下，次声信号的时频规律与压缩状态下具有一定程度的相似性，但也存在一些差异，主要体现在以下几个方面：首先，在有效次声信号出现时间上，剪切试件出现的时间比压缩试件更为靠后，通常在试件加载至强度的50%左右，在首次高振幅信号出现后，次声信号几乎无间断连续出现，中间无明显的平静期；其次，从次声信号的频率来看，剪切状态下次声信号中心频率较压缩状态下高出约1 Hz，频率的展布范围也较压缩状态下有明显增大，这与自功率谱密度函数分析结果相对应。

与压缩和剪切状态相比，拉伸试件在次声信号时频特征上则表现出较大差异。首先，从次声信号形式上看，连续型脉冲信号出现在试件加载的初期阶段，同时多数试件未观察到临近破坏前的第二次连续型脉冲信号，以上现象说明试件处于拉伸状态下，内部裂隙的萌生和发展更为迅速，同时相对于压缩和剪切状态，拉伸试件内部裂隙发展更为有序，自初始裂隙萌生后则一直受主破裂面控制而有序发展；其次，从次声信号的频率特征上看，拉伸状态下裂隙萌生过程中的次声信号频率有高、低两个中心，高频在10 Hz附近，低频在6 Hz附近，而随着裂隙的逐步发展，次声信号中心频率有逐步升高的趋势。在对拉伸试件次声信号时频分析过程中发现一个奇怪现象，即在临近破坏前中心频率出现两个截然相反的发展方向，部分试件在受力破坏过程中，中心频率一直保持升高趋势，而另一部分试件在临近破坏前中心频率则出现突然下降的情况(拉伸试件S1、S3)。造成以上差异的原因可能与拉伸试验方法有关，试验中拉伸采用劈裂法，在试验过程中试件在受到拉应力的同时不可避免地也受到轴向压应力，由于原始试件内部物质结构以及原有缺陷等方面的差异，不排除试件临近破坏前受轴向压应力影响而出现次生破裂从而干扰主破裂信号频率的现象。综上所述，随着张拉裂隙的逐步发展，次声信号中心频率逐步升高应该是试件拉伸状态下时频特征的真实反映。