深部片麻岩破坏全过程声发射时频域信号特征及前兆预警研究

邵陆航，康志强，辛东夫，张晨，姚旭龙

(1.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063210；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063210)

0 引 言

近年来，我国浅部矿产资源由于开采而日益枯竭，深部开采将成为常态[1-3]。随着开采深度增加，矿山突发性事故也日益增多，这将严重威胁着矿山及工作人员的财产和生命安全。因此，在岩石破裂导致灾害发生前进行预报预警已成为保障安全生产的重要前提。L.D.W.I.Obert[4]最早发现岩石破裂损坏过程中声发射信号有不同的特征，并将其应用于岩石破裂及岩体稳定性研究，为岩石的破坏失稳研究提供了新方法。

国内外学者基于岩石破裂失稳过程所产生的不同声发射信号特征，对岩石破裂失稳前兆特征进行了大量研究，并取得了一定的研究成果。张艳博等[5]通过单轴压缩试验，对饱水花岗岩破坏过程声发射频谱特征进行研究，指出饱水花岗岩破坏过程声发射各个主频带数量呈现“3→6→3”即先增大后减小的规律；付斌等[6]通过单轴循环加卸载试验，对大理岩破坏声发射特征进行研究，指出整个循环加载过程中声发射b值呈现V型变化趋势，岩石临近破坏前声发射b值会出现大幅度波动变化特征；丛宇等[7]、纪洪广等[8]通过常规三轴压缩试验，对不同应力路径下大理岩声发射破坏前兆特征进行研究，指出声发射振铃计数率变化与岩石破裂有密切关系，不同围压下振铃计数在岩石破裂前会呈现不同特征；曾鹏等[9]对粗砂岩变形破坏声发射高低2个频段占比随时间变化进行重点分析，指出粗砂岩在临界破坏前，高低2个频段频率会分别出现最大值和最小值的特征；王春来等[10]、何满潮等[11]、张艳博等[12]对岩爆试验过程中声发射信号特征进行分析，为预测岩爆发生提供了重要理论依据。

综上所述，学者们将声发射作为研究手段，对岩石破裂失稳进行了大量研究，但这些研究大都是基于单一时域信号特征或单一频域信号进行研究的。本文选取金厂峪金矿埋深640 m巷道围岩——片麻岩作为研究对象，在前人研究的基础上，将声发射和时频域结合起来，以时间为主线，研究岩石受载全过程应力-时间-声发射时频域参数变化特征，综合分析岩石受载全过程时频域信号特征、频谱特征，探寻岩石破裂前兆信号，以期为矿山安全生产提供重要理论依据。

1 试 验

1.1 试验设备

试验系统由加载系统和声发射系统组成，加载和声发射系统设备如图1所示。各系统主要采用的试验仪器具体如下。

图1 试验设备装置

(1)加载系统：加载设备为TAW-3000电液伺服岩石三轴压力机，开展单轴压缩试验。该试验设备精度高、性能稳定。

(2)声发射监测系统：采用美国(PAC)物理声学公司生产的PCI-2型多通道声发射监测设备进行岩石损伤破坏全过程声发射振铃计数、能率及波形的采集。

1.2 片麻岩试件制备

根据工程岩体试验方法标准(GBT 50266-2013)制备标准岩石试件。片麻岩试件尺寸为φ50 mm×100 mm，试件编号为KY-1，KY-2，KY-3，KY-4，KY-5，试件符合工程岩体试验方法标准要求。

1.3 试验过程

采用0.12 mm/min等位移加载方式进行单轴压缩声发射特性试验，其中，预加荷载设定为2 kN。布置4个声发射传感器(信号接收探头)，两两对称分布，信号前置增益为40 dB，采样门槛为45 dB，采样点数2 048个，采样频率为1 MHz。传感器与试件接触面涂抹凡士林，增加接触面耦合性，为消除电流干扰,声发射主机连接地线。试验过程中保证压力机和声发射装置同时同步启动运行，以保证监测数据的准确性。

1.4 片麻岩试件单轴压缩应力-应变曲线分析

通过对5组试件KY-1，KY-2，KY-3，KY-4，KY-5进行试验，得到片麻岩试件应力-应变曲线，如图2所示，基本力学参数如表1所示。

图2 片麻岩试件轴向应力-应变曲线

表1 片麻岩试件力学参数测定结果

由5组片麻岩试件抗压试验结果可知，深部片麻岩单轴抗压强度约为111.54 MPa，当荷载大于片麻岩抗压强度时，片麻岩产生突发式破坏现象。各试件应力强度曲线呈现出明显的峰值后迅速降低现象。

2 声发射时域信号特征分析

2.1 声发射振铃计数及累计振铃计数变化特征

根据岩石应力-时间曲线可将岩石受压全过程划分为4个阶段。由图3可知：片麻岩试件声发射振铃计数率在阶段Ⅰ和Ⅱ呈现较低现象；在阶段Ⅲ开始有明显的上下浮动特征，且相对前两阶段有明显增大；声发射振铃计数率和累计声发射振铃计数在阶段Ⅳ呈现突增现象。通过分析KY-1和KY-3发现，片麻岩破坏前，累计声发射振铃计数曲线斜率比前三阶段明显增大。由KY-1和KY-3综合研究表明，片麻岩破坏前均存在一短暂时期，该时期内片麻岩表现出声发射振铃计数率突增、累计声发射振铃计数曲线斜率增大的前兆信号特征，说明岩石材料破裂扩展加剧，即将发生失稳破坏。故可将岩石破裂前声发射振铃计数突增期(累计振铃计数曲线斜率增大)作为岩石破裂前兆信号。

图3 片麻岩应力-(累计)振铃计数-时间关系曲线

2.2 声发射能率及累计能量变化特征分析

岩石在外力作用下会产生变形，当荷载大于岩石自身承载极限时则会产生破坏，其实质则为能量之间的相互转化。岩石受压吸收能量，岩石破裂则对外释放能量。采用声发射监测手段可对岩石变形破坏全过程释放的能量进行统计，因此，通过声发射分析岩石破裂过程能量变化特征，对于研究岩石的失稳破坏具有重要价值。本文以岩石变形破坏时间为主轴，绘制片麻岩破裂全过程声发射能率、累计声发射能量及应力随时间的变化关系曲线，如图4所示。

图4 片麻岩应力-(累计)声发射能率-时间关系曲线

由图4分析可知，片麻岩受压破坏全过程能量释放过程可分为“平静期”“缓慢增长期”“快速增长期”“活跃期”4个阶段。以KY-1为例进行分析，平静期：能率近乎为0，累计能量占4.6%，此阶段为片麻岩受压初始阶段，其内部微裂隙受压闭合，试件主要以吸收能量为主。缓慢增长区：该阶段片麻岩内部原生裂隙受压完全闭合，片麻岩受压吸收大量能量，以弹性应变能形式存储在其内部，对外释放能量相对较少，通过声发射能量计算，占比为4.8%，呈现出较小的能量释放，说明此阶段片麻岩内部伴随有少量裂纹破裂。快速增长期：此阶段片麻岩经历前两个阶段受压,存储了大量的能量，片麻岩处于高应力状态，其内部开始产生大量裂隙结构。前两个阶段吸收的能量开始释放，通过声发射能量计算分析，声发射能率在数量级上较前两个阶段高出几个，累计能率曲线斜率增大，累计能量在45 s时占比达到了5.6%，表明片麻岩内部裂纹开始破裂扩展释放能量。活跃期：此阶段片麻岩声发射能率呈现突增现象，能率峰值极高，裂隙快速发育扩展，预示片麻岩即将失稳破坏。累计能率曲线斜率直线式增长，尤以KY-1明显，峰值应力前短暂时间能量达到最大，累计能量达85.2%。片麻岩完全失稳破坏，并快速释放大量能量，该特征可作为片麻岩失稳破坏的前兆预警信息。

3 声发射频域信号特征分析

3.1 声发射主频信号提取

岩石破裂过程中会释放大量的能量，释放的能量以弹性波的形式表现出来。文献[14]研究指出，与时域参数相比，频域特征往往具有本征性、唯一性的特点，能够更好地反映岩石破坏机理。因此，分析岩石破坏释放的波形信号可以更好地研究岩石的破裂演化机理。

声发射信号作为一种非平稳信号，利用快速傅里叶变换(FFT)可将波形信号由时域转化至频域，声发射频域转化原理为[15]

(1)

式中：x(t)为原信号时间域的表达；X(f)为原信号频域表达。

本文以KY-1第30个声发射波形为例说明，声发射信号傅里叶变化波形示意图如图5所示。利用MATLAB软件对片麻岩试件破坏全过程各时刻声发射波形信号进行批量处理，得出主频分布，如图6所示。

图5 声发射信号频谱图

图6 主频分布图

3.2 声发射主频频带划分

岩石破坏全过程会产生大量的波形信号，试件KY-1共产生15 324个波形信号，试件KY-3共产生15 868个波形信号。将采集的波形信号通过快速傅里叶变换，提取主频值，得到片麻岩试件KY-1和KY-3受压全过程中声发射主频随时间变化关系，绘制主频随时间变化曲线，如图7所示。

图7 片麻岩破裂全过程声发射主频、应力随时间变化关系曲线

由图7可知，片麻岩单轴压缩破坏全过程声发射信号主频值分布在0～200 kHz内，主频值呈现出明显的频段分布特征。根据主频值密集程度划分为5个频带，如表2所示。定义0～40 kHz为低频频带，>40～80 kHz为中低频频带，>80～130 kHz为中频频带，>130～160 kHz为中高频频带，>160～200 kHz为高频频带。由图7分析可知，片麻岩试件声发射主频主要分布在频带Ⅰ、频带Ⅲ及频带Ⅴ，其中频带Ⅱ和频带Ⅳ有零星分布。

表2 频带划分表

3.3 声发射主频特征分析

文献[14]研究指出，岩石破坏所释放的不同声发射频率预示着不同的破坏形式。由图7分析可以发现，试件KY-1和试件KY-3破坏全过程频率值分布整体表现出较好的一致性。综合分析可知，岩石破裂声发射主频值主要分布在频带Ⅰ、频带Ⅲ及频带Ⅴ。频带Ⅰ内频率值呈现先增大后减小再增加，最后部分频率缺失的频谱特征。频带Ⅲ内频率值贯穿岩石破坏整个过程，表现出相对均匀的分布特征，岩石破裂前期呈现频率密度迅速增大现象，且频率值呈现明显减小趋势。频带Ⅴ总体呈现先减小后增大的频率密度分布特征，岩石破裂前期频率密度迅速增大，频率值呈现下降趋势。各频段呈现出不同的分布特征，频带Ⅰ和频带Ⅴ跨尺度范围约为40 kHz，频带Ⅴ跨尺度范围约50 kHz。

由片麻岩试件宏观破坏形式可以看到，试件KY-1和试件KY-3均呈现出以张拉劈裂破坏为主的破坏形式，5组片麻岩试件破坏形式如图8所示。试验结果发现，片麻岩破坏主频主要在80～130 kHz内，且贯穿岩石破裂的整个过程，可以认为频带Ⅲ对应片麻岩的主要破坏形式。试验结果表明，单轴压缩下深部片麻岩呈现出以张拉劈裂破坏为主的破坏形式。

图8 片麻岩试件破坏形式

由图7可知，岩石变形破坏全过程中，各个频带均有频值分布。本文以时间为主轴(按试件KY-3试验时间划分)，进行岩石破坏全过程分析：

(1)非线性压密阶段(时间0～93 s)：片麻岩内部微孔隙、微裂隙受压闭合，片麻岩吸收能量，部分微裂隙相互贯通破裂向外释放少量能量。因此，此阶段声发射信号会产生不同频带的频率值。

(2)线弹性阶段(时间>93～200 s)：该时间段内，频带Ⅰ和频带Ⅲ内频率值相对减少，说明片麻岩处于线弹性阶段时，片麻岩吸收大量的能量，其内部新生裂纹极少几乎无新生裂纹破裂扩展。

(3)屈服阶段(时间>200～230 s)：此阶段频带Ⅰ和频带Ⅴ频率密度开始迅速增长，说明岩石内部开始产生大量新生裂纹。

(4)破坏阶段(时间>230～267 s)：该时间段内频带Ⅰ内频率密度开始迅速减小，频带Ⅴ内频率密度开始迅速增加，说明片麻岩内部由屈服阶段产生的新生裂纹开始迅速破裂扩展，片麻岩随时可能产生失稳破坏。可将其作为片麻岩破裂的前兆特征，并且该特征与片麻岩失稳破坏时域前兆特征基本同步，时频域信号具有较强的耦合性。

分析试件KY-1和KY-3可知，片麻岩试件破裂前声发射主频频率密度分布呈现明显的不同特征。片麻岩破坏前期，频带Ⅰ内频率密度呈现明显的减少现象，部分频值出现“缺失”现象；频带Ⅲ和频带Ⅴ频率密度呈现明显的增大趋势，且频带Ⅲ和频带Ⅴ频率信号呈现明显的“下移”现象。故可将片麻岩破裂前低频频带“缺失”和中频、高频频带“下移”现象作为片麻岩破裂前兆信号。

4 结 论

(1)金厂峪金矿埋深640 m深部巷道片麻岩试件单轴抗压强度约为110 MPa，单轴压缩下以张拉劈裂崩落破坏为主、剪切破坏形式为次的复合型失稳破坏。

(2)声发射时域信号在片麻岩破裂全过程不同阶段表现出不同的特征，在片麻岩破裂前声发射振铃计数会呈现“单峰型”突增现象，累计声发射振铃计数增长率持续增大；声发射能率呈现突增现象，能率峰值极高，累计能率曲线斜率近直线式增长。

(3)声发射主频值随时间变化呈现明显的频段分布特征。根据主频值密集程度划分为5个频段，片麻岩试件破坏主频值主要在0～200 kHz内。片麻岩失稳破裂前会产生低频带“缺失”和中高频带“下移”的破裂前兆信号。

(4)片麻岩失稳破坏前，声发射时频域前兆特征基本同时出现，具有较好的耦合性，通过声发射时频域相结合的方法可为研究岩石破裂前兆提供一定的理论基础。

本文是针对金厂峪金矿目前开采矿段巷道围岩进行现场取样和试验研究与分析，此研究方法及研究结果能较好地反映该矿山的片麻岩失稳破裂前兆特征。未来还需要结合其他深部矿山作进一步研究，以期得到普适性的规律。