岩石声发射特征参数研究现状与展望

张钟毓 牛睿 程广利 任禹鑫

摘 要：针对岩石声发射主要特征参数[b]值与分形维值[D]值，分析了声发射b值与[D]值的研究现状，并在此基础上，探讨了目前岩石声发射特征参数[b]值与[D]值研究中的不足之处，并对岩石声发射特征参数的研究进行展望。

关键词：声发射[b]值;分形维值[D]值;前兆预测

中图分类号：P584文献标识码：A文章编号：1003-5168（2021）01-0141-03

Abstract： According to the main characteristic parameters b value and fractal dimension D value of rock acoustic emission， this paper analyzed the research status of b value and D value of rock acoustic emission， and on this basis， discussed the shortcomings of the current research on b value and D value of rock acoustic emission characteristic parameters， and prospected the research on rock acoustic emission characteristic parameters.

Keywords： AE [b] value;fractal dimension value D value;precursory prediction

材料受力产生变形或断裂时，以弹性波的形式释放出应变能的现象称为声发射（Acoustic Emission，AE）[1]。对于脆性岩石材料，岩石变形破坏过程与其内部微裂纹演化具有一致性。通过声发射技术监测岩石的破坏过程，研究岩石内部微裂纹萌生扩展的演化规律，具有重大的意义。

声发射参数分为基本参数与特征参数。基本参数是声发射仪器直接从岩石变形破坏演化过程中取得的参数，如振铃计数、能量、峰值频率、幅值、事件数等;特征参数是对基本参数进行分析、提取，通过数学方法得出的“衍生式”的声发射参数，如声发射[b]值、声发射分形维值[D]值等。本文主要分析特征参数[b]值、[D]值的研究现状。[b]值是地震学公式G-R[2]中一种重要的地震活动参数，具有前兆性。研究人员将其引入室内声发射试验中研究岩石内部微裂纹演化规律。分形维值[D]值是分形几何中的重要参数，通过分形几何将无序变成有序的规律[3]，运用分形几何将声发射参数的时间序列用数学方式表达出来，研究岩石内部微裂纹演化规律，同样分形维值[D]值具有前兆性。

目前，研究人员运用声发射技术监测岩石的变形破坏，在研究特征参数[b]值和[D]值方面做了大量的工作。下面分别对国内外岩石破坏过程中声发射[b]值和[D]值的研究现状进行阐述。

1 岩石声发射特征参数研究现状

1.1 岩石声发射[b]值的研究现状

刘希灵等对灰岩分别进行巴西劈裂和单轴压缩声发射试验，分析了不同加载方式对岩石破裂声发射[b]值特征及[b]值计算的影响，得出了当样本数量较多、用累积分布计算[b]值时，拟合度高，在低加载速率条件下，声发射[b]值误差较小;不同加载方式下声发射[b]值以及波动程度有所差异，岩石失稳破坏突发性越强，[b]值越低，波动范围越大[4]。

赵建军等对英安岩岩样开展单轴、常规三轴加荷和三轴卸荷试验，分析了不同应力路径下英安岩变形破坏过程的声发射[b]值特征差异以及[b]值前兆规律。结果表明：单轴与常规三轴加荷条件下声发射[b]值变化规律相似，三轴卸荷条件下的[b]值与三轴加荷条件下的[b]值具有较大的差异性;常规加荷试验中，围压对声发射[b]值特征影响较大，卸荷试验中，围压对声发射[b]值特征影响较小;岩样发生破坏时，声发射[b]值快速下降，此时声发射[b]值可以作为破坏前兆[5]。

王春来等对不同种类硬岩进行常规单轴压缩试验，分析了硬岩在发生破坏时声发射[b]值演化的差异性。结果表明：临近峰值应力时，声发射活动中高幅值事件占比提高，所有巖样的声发射[b]值均开始下降;强度越大、脆性越高的岩石发生失稳破坏时[b]值下降幅度越大;声发射[b]值的变化可以较好地反映岩石破裂失稳过程中内部裂纹的扩展特征[6]。

龚囱等对红砂岩进行分级加卸载条件下的短时蠕变试验，分析了红砂岩在减速蠕变、等速蠕变、加速蠕变过程中声发射[b]值的变化特征。结果表明：在减速蠕变和等速蠕变过程中，声发射[b]值增大，岩样内部微破裂以小尺度为主。声发射[b]值保持相对稳定，岩样内部微破裂稳定扩展;声发射[b]值降低，岩样内部微破裂以大尺度为主。加速蠕变阶段，声发射[b]值呈现先减小后增大再减小的特征，与岩样内部裂纹演化过程相对应[7]。

徐世达等通过进行双轴加载条件下的花岗岩破裂试验，分析了岩石破裂过程中声发射[b]值的变化特征。试验表明，双轴加载条件下声发射[b]值与单轴加载条件下声发射[b]值变化规律相似。与轴向峰值应力相比，侧应力在较低应力状态下即产生大量的小尺度破裂，随着侧应力的增大，[b]值峰值向低应力方向移动速率加快，岩样更早进入裂纹不稳定扩展阶段[8]。

葛振龙等对冷热循环后花岗岩进行单轴压缩声发射试验，分析了不同温度对声发射[b]值的影响。结果表明：温度对岩石声发射[b]值影响较大，在一定温度范围内，声发射[b]值缓慢上升，当温度突破阈值，声发射[b]值骤降[9]。

1.2 岩石声发射分形维值[D]值的研究现状

吴贤振等通过对不同岩性的岩石进行单轴压缩声发射试验，对比了声发射序列的分形特征。试验结果表明，声发射分形维值[D]值可以反映岩石内部微裂纹变化规律;在岩石破裂过程中，不同岩样的声发射参数序列的分形特征具有相似性;岩样声发射序列分维曲线呈波动→持续下降的变化趋势。同时研究者还提出分形维值具有前兆性[10]。

严伟洋等对斜长花岗岩进行常规三轴压缩声发射试验，发现不同围压下岩石声发射活动都具有空间分维结构，空间分维值反映了岩石受压下声发射事件的空间分布规律;研究了各声发射震源点之间的位置关系，将计算得到的分形维数拐点值与所对应的分形计算尺度进行对比，发现岩石的微观破裂与组成岩石的矿物粒径大小和硬度有关，即造岩矿物的破裂随粒径的大小具有先后顺序[11]。

郭海峰等对沖击倾向性煤进行了单轴压缩声发射试验，分析了煤样不同损伤程度声发射分形特征。试验结果表明，试验过程中不同损伤程度声发射的分形维值变化趋势为：随着煤样损伤程度的增加，声发射分形维值先增后降，然后循环上升，最后发生骤降（达到局部峰值），整体呈现倾斜的“M”型变化趋势;煤样损伤声发射分形维值峰后骤降现象具有煤样失稳破坏的前兆性[12]。

章光等对花岗斑岩进行单轴压缩声发射试验，提出岩石破坏过程的应力应变分形特征，解释了试验过程中应力应变曲线不平滑的现象。结果表明：当应力应变曲线发生突变时，其对应的分形维值也发生突变，两者具有一致性[13]。

尹贤刚等开展岩石单轴压缩声发射试验，建立了岩石破坏声发射强度分形维值模型。研究表明，声发射分维模型与空间分维在物理性质上具有一致性;分形维值变化趋势随着应力的增大逐步降低;分形维值持续降低可作为岩石破坏失稳的前兆信息[14]。

1.3 声发射[b]值与分形维值[D]值关联研究现状

Aki和Turcotte发现，声发射[b]值与声发射分形维值[D]值有着密切的联系。理论研究表明，声发射[b]值具有分形特征，声发射特征参数[b]值和[D]值均可反映岩石内部微裂纹萌生、扩展的演化过程。二者数值的变化反映了岩石内部微裂纹尺度变化的程度，且理论研究表明在数值上[D=2b][15-16]。

李元辉等通过岩石单轴压缩破坏试验，对声发射[b]值和空间分布分形维值[D]值进行了研究。理论上[D=2b]，但在试验中很难验证。由于在计算分形维值时相空间维数的取值范围会影响分形维值的大小。因此，[D]与[b]之间的2倍数值关系在大部分试验情况很难成立;但是二者的整体变化趋势具有相似性，且在发生破坏失稳时，声发射[b]值与分形维值[D]值发生突降，均可作为判断岩石破坏失稳的前兆信息[17]。

谢勇等通过水泥胶结分级尾砂充填体单轴抗压声发射试验，研究分析了整个充填体压缩破坏过程中的声发射能率、声发射[b]值、声发射能率分形维数与时间的关系曲线。结果表明，加载初期的声发射活动并不明显，直到加载至应力峰值时，声发射活动显著增强。同时分析表明：声发射[b]值和声发射能率分形维数曲线呈现明显的波动性，破坏前其曲线均表现出上升趋势，临近破坏时声发射[b]值和声发射能率分形维数都下降到最低值[18]。

2 岩石声发射特征参数研究展望

目前，岩石声发射特征参数的研究工作已经取得了丰富的研究成果，对于岩石内部破坏过程中裂纹演化规律，已经得出较多研究成果，对实际工程实践具有可靠的借鉴意义。但是，由于岩石的各向异性及受力复杂性，目前关于岩石破坏声发射特征参数的研究仍然存在不足之处，因此有必要加强深入研究，具体可以围绕以下几个方面进行。

第一，现有的声发射特征参数前兆性主要停留在定性分析上，没有给出岩石破坏失稳前兆的定量依据，对于岩石临近破坏是否有准确的时间范围，与其他具有前兆性的参数优劣性对比的研究还较少，对其深入研究对以后的工程实践具有重要意义。

第二，分形理论在岩石力学性质的研究上具有重要的作用，可以作为岩石破坏定量研究的理论支撑。因此，有必要进一步开展岩石破裂过程中分形维值[D]值的变化特征研究，同时对声发射[b]值与[D]值的关系进行定量研究，使在岩石破裂临界值这一问题上有所突破，从而为今后工程中声发射监测预报技术的应用提供理论依据。

第三，声发射[b]值与分形维值[D]计算方法众多，尚未制定统一的标准，不同计算方法之间差异性较大，需要规定标准的计算方法。

3 结语

目前，对岩石声发射特征参数的研究仍存在不足之处，声发射特征参数的变化规律尚未完全运用在实际工程中。主要原因在于岩石具有非均质性、各向异性，以及计算方法不统一等。随着工程实践的进步，岩石工程的问题不断出现，将有力推进声发射特征参数规范化的进程，为今后工程长期监测提供安全可靠的理论依据。

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