正长花岗岩破坏过程声发射特征试验研究

2021-12-22刘玉春赵扬锋王进铭

水资源与水工程学报 2021年5期

刘玉春，赵扬锋，王进铭，樊艺

(1.辽宁工程技术大学理学院，辽宁阜新 123000； 2.辽宁工程技术大学力学与工程学院，辽宁阜新 123000)

1 研究背景

随着采深的增加，岩爆[1]在硬岩矿井和地下水电站泵房等工程中发生的频次快速增加，严重危害了生产安全，而在一些硬岩矿井和地下水电站泵房等工程中的岩石主要为正长花岗岩。研究正长花岗岩破裂过程中声发射参数与力学特征以及岩石裂缝的产生、扩展和演变之间的关系，有助于认识岩石破坏机制，进一步为预测正长花岗岩破裂乃至岩爆提供有效依据[2-3]。因此，探究正长花岗岩的变形破裂过程及其声发射特征对于硬岩矿井工程中岩爆的预测具有重要意义。

在花岗岩加载声发射试验方面，纪洪广等[3-4]研究了常规三轴压缩下和围压效应下二长花岗岩声发射特征；张志镇等[5-6]研究了温度对花岗岩冲击倾向性、微细观机制和声发射的影响；曾鹏等[7]研究了不同围压下岩石声发射不可逆性及其主破裂前的特征信息，探究了岩石Kaiser点信号频谱中的主频特征及变化规律；何满潮等[1]研究了瞬时应变型岩爆模拟试验中花岗岩的主频特征演化规律；李安强等[8]研究了花岗岩单轴压缩全过程声发射的时空演化行为及破坏前兆；张艳博等[9-10]研究了花岗岩巷道岩爆声发射信号的主频特性及破裂特征，获取了岩爆全过程的波形信号，为优选声发射监测频段提供了方法和依据；赵扬锋等[11-13]对单轴压缩下完整花岗岩、含断层带花岗岩和预制裂纹花岗岩变形破裂过程声发射信号的变化规律进行了研究；孙雪等[14]研究了北山花岗岩在不同围压下的力学特征和损伤演化机制，揭示了北山花岗岩三轴压缩下的声发射特征；赵菲等[15]研究了不同高度花岗岩岩爆试验的声发射特征，发现花岗岩岩爆试验过程声发射主频值总体呈“从低频向高频再向低频”转变迁移的趋势，频谱特征中的高频部分受试件高度的影响而有所不同；张艳博等[16]探索了岩石破裂过程不同模式声发射波形信息的特征规律；陈炳瑞等[17]研究了西南地区某深埋隧道花岗岩的破坏机制与前兆特征；刘鹏飞等[18]研究了不同卸围压速率下花岗岩的力学性质及声发射特征；刘亮等[19]对北山花岗岩试样开展了静态加载和循环加载两种加载方式的人字形切槽巴西圆盘试验，获得了不同加载方式下北山花岗岩的声发射特征；王浩[20]对采动应力路径下岩石变形破坏的声发射进行了研究，获得了红砂岩在单、三轴压缩和不同应力路径下的时空演化规律；裴向军等[21]在加卸载条件下对大光包滑坡含脉状缺陷结构岩石声发射响应特征进行了研究。

综上所述，在岩石声发射信号研究方面缺乏对正长花岗岩变形破坏过程声发射信号特征的探索，因此本文对正长花岗岩单轴压缩下变形破坏过程的声发射信号进行全程实时监测，对声发射信号进行时域和频域分析，并对声发射事件进行定位，获得了正长花岗岩变形破坏过程的声发射信号特征。

2 试验系统与试样

正长花岗岩破坏过程声发射特征试验测试系统如图1所示，该试验系统包括加载系统和声发射数据采集系统。

图1 试验测试系统

加载系统采用中国地震局地质研究所的CTM微机伺服控制液压万能实验机WAW-D1000。声发射数据采集系统和声发射传感器由中国地震局地质研究所研制，该系统采样频率为3 MHz，可实现连续采集、声发射自动定位等功能。试验时所有监测设备时间调为一致，并同时开始记录，声发射数据采集器和试验机通过网络取得时间同步。

图2为试验中16个声发射传感器在试样圆柱面布置位置的展开图。

16个声发射传感器(图2中1#～16#为声发射传感器编号，声发射传感器编号与采集通道编号一致)均匀分布于样品表面，涂抹凡士林耦合剂粘贴于样品表面，保证传感器与试件耦合完好。图2中每列声发射传感器至试样底面的距离分别为20、55、90、125 mm。

图2 试验中声发射传感器布置示意图(单位：mm)

试验所用岩石为北京房山粗晶正长花岗岩，风化面呈浅肉红色，新鲜面为肉红色，晶粒主要为正长石，主要矿物为正长石(49%)、石英(31%)、斜长石(18%)及少量黑云母等，呈斑状结构和粗粒结构，正长花岗岩试样密度为2.8 g/cm3，单轴抗压强度为130～160 MPa，所有岩样均取自同一块正长花岗岩母体，共6块，处于自然干燥状态，通过切割机获得尺寸为Φ75 mm×150 mm的试样，加工后的试样如图3所示。

图3 正长花岗岩试样实物图

3 试验结果与分析

本次试验共对6组完整花岗岩进行监测研究，试验机采用力控制方式加载，加载速率为1 kN/s，选取1组具有代表性的试样结果进行分析。试验数据处理中涉及较大工作量，声发射信号数据量可达60 G。进行数据处理时，通过各自监测设备的系统时间来对齐数据处理的时间点，各系统时间误差可控制在0.001 s内，满足时间精度要求，可以通过以时间为横坐标进行对比分析。

3.1 声发射特征参数分析

图4为单轴压缩下正长花岗岩变形破裂全程应力-应变曲线及全程时间-应力和应变曲线。图5为2#、7#、14#传感器的声发射全波形信号，其中声发射信号幅值为无量纲相对值，数值范围为±32 768。图6为单轴压缩下正长花岗岩变形破裂过程应力曲线和声发射累计能量曲线(定位计算后每个声发射事件的能量)。图7为单轴压缩下正长花岗岩变形破裂过程应力曲线和声发射能量图。图8为单轴压缩下正长花岗岩变形破裂全程应力曲线和声发射事件数曲线图。

图4 单轴压缩下正长花岗岩变形破裂全程应力-应变曲线及全程时间-应力和应变曲线

图5 单轴压缩下正长花岗岩变形破裂全程时间-声发射全波形信号(2#、7#、14#传感器)

图6 单轴压缩下正长花岗岩变形破裂过程应力曲线和声发射累计能量曲线

图7 单轴压缩下正长花岗岩变形破裂过程应力曲线和声发射能量

图8 单轴压缩下正长花岗岩变形破裂全程应力曲线和声发射事件数曲线

由图4～8可见，正长花岗岩试样的峰值应力为134.9 MPa(图4)，试样在变形破裂前应力-应变曲线斜率变化不明显，全程难以划分为不同的阶段。而根据正长花岗岩试样变形破裂过程的时间-声发射能量图和时间-声发射事件数曲线，可以找到4个关键拐点A、B、C、D，4个关键拐点所对应的岩石应力分别为试样抗压强度的16.5%、67.5%、84.9%、99.0%，对应的时间分别为97.49、400.50、504.80和590.15 s，根据这4个关键拐点可以较好地划分试样变形破裂过程的各个阶段(图7(a)、8)。

对图7(a)、8综合分析如下：从初始加载至A点为试样的裂纹压密阶段，A点试样应力达到22.3 MPa，该阶段试样内部原有微裂纹、孔隙被不断压缩，岩石内部的微裂纹压密弹性能释放产生声发射信号，此阶段各通道的声发射信号较多，声发射事件数也快速增加，声发射事件数达到17 052次，占声发射事件总量的17.8%，声发射事件率为174.91次/s，但各通道的声发射信号幅值及能量均较小，声发射能量基本都在1×10-10J以下。A点至B点为试样的线弹性变形阶段，B点试样应力达到91.1 MPa，此阶段试样中的微裂隙、空洞和弱节理面进一步被压缩，但不再发展。该阶段声发射事件数为28 294次，占声发射事件总量的29.5%，声发射事件率为93.37次/s，该阶段声发射能量和声发射事件率最小。B点至C点为试样的裂纹稳定扩展阶段，C点试样应力达到114.5 MPa，岩石内部裂纹开始扩展，该阶段声发射事件数比前一阶段增速加快，也有较大能量的声发射事件产生，此阶段声发射事件数为18 298次，占声发射事件总量的19.1%，声发射事件率为175.44次/s，是线弹性变形阶段声发射事件率的1.88倍且声发射事件能量较大。C点至D点为裂纹快速扩展阶段，声发射信号密集发生，声发射事件数曲线陡升，能量也迅速增大，在578～585 s声发射能量出现一段低值期，在578 s时试样的应力为131.0 MPa，达到了试样抗压强度的97%，随后声发射能量快速增加，在试样临近破坏时声发射事件的能量达到最大值。在此阶段岩石内部微裂纹扩展、演化、汇合，宏观裂纹逐渐形成、贯穿、能量释放，在590.15 s时试样应力达到133.8 MPa，达到了试样抗压强度的99%。此阶段的声发射事件数最多，达到29 039次，占声发射事件总量的30.3%，声发射事件率为340.24次/s，裂纹快速扩展阶段声发射事件率是裂纹稳定扩展阶段声发射事件率的1.94倍，声发射能量显著增大。从D点继续加载直至岩石破坏为岩石失稳破坏阶段，在此阶段试样发生多次应力降，试样变形也以岩石裂隙的错位滑移为主。此阶段声发射事件数为3 087次，占声发射事件总量的3.2%，声发射事件率为415.98次/s，在各阶段中最大，在该阶段初期的591.562 s时有一次最大的应力降发生，应力降达到了0.8 MPa，而在590.201 s时产生了最大能量的声发射信号，通过定位程序计算声发射源的坐标为(-0.43，110.15，-30.43)，能量为4.7×10-8J，同时在590.201 s时14#发射传感器崩落，经观察是由于该处表面岩石发生劈裂所致；在593.016和596.185 s也产生了高能量的声发射信号，通过定位程序计算声发射源的坐标分别为(-6.04，52.46，-7.18)和(-6.52，125.04，20.52)，能量分别为2.3×10-8和1.7×10-8J，随后岩石完全破坏，发生岩爆现象并伴随剧烈声响。

在岩石变形破坏过程中，岩石失稳破坏阶段的声发射事件率最大，达到415.98次/s，裂纹快速扩展阶段声发射事件率次之，为340.24次/s，裂纹压密阶段和裂纹稳定扩展阶段声发射事件率基本相等，分别为174.91和175.44次/s，线弹性变形阶段声发射事件率最小，仅为93.37次/s。显然，声发射事件率和声发射能量并结合应力可作为岩石加载过程5个发展阶段的判断因素，也是判断正长花岗岩破坏前兆的重要指标，从岩石的线弹性变形至失稳破坏的各阶段的转换过程中，声发射事件率都会快速增长，当声发射事件率达到最大值、声发射能量也突然增大时，可认为进入了岩石失稳破坏阶段，岩石有发生破坏的危险，需对其采取防治措施。

从正长花岗岩试样破裂进程的各阶段来看，在初始裂纹压密阶段，声发射事件数快速上升，声发射能量相对较低；在线弹性变形阶段，声发射事件率相对较小，声发射能量也相对较低；进入裂纹稳定扩展阶段后，岩石内部裂纹开始发展，此阶段声发射事件数虽然与岩石裂纹压密阶段的声发射事件数相差不大，但声发射能量却大于岩石裂纹压密阶段；进入裂纹快速扩展阶段和岩石失稳破坏阶段后，声发射事件数急剧增多，声发射能量也急剧增大，但在正长花岗岩试样应力达到抗压强度的97%时，声发射能量突然降低，出现一段声发射“平静期”，随后声发射事件数和声发射能量快速增大，在临近破坏时出现声发射事件能量峰值。

3.2 声发射定位

图9为单轴压缩下正长花岗岩试样破坏图；图10为单轴压缩下正长花岗岩试样变形破裂过程中不同时间段的声发射监测定位结果(3D视图)。

图9 单轴压缩下正长花岗岩破坏图

注：声发射传感器编号(从下到上)为左13#、14#、15#、16#;前1#、2#、3#、4#;右5#、6#、7#、8#;后9#、10#、11#、12#

试验中6块正长花岗岩试样的破坏形式均与图9中所示的破坏形式相似，当破坏发生时，试样突然爆裂，声音大而沉闷，岩样内部完整性好，在加载过程中主要表现为拉剪破坏，试样达到峰值应力后立即整体破坏，这些现象与现场发生的即时性岩爆特征基本一致[22]。由图10可看出，正长花岗岩试样在变形破裂过程中的声发射事件主要集中在试样的左侧，试样也是在左侧发生破裂，在加载初期即裂纹压密阶段声发射事件较多，但能量较小，且声发射事件主要集中在试样的左下方；随着荷载的增加，试样进入线弹性变形阶段，在此阶段声发射事件较少，声发射事件源从试样的左下方逐渐向左上方移动，但能量增加不大，试样右侧声发射事件数远远小于试样左侧；在裂纹稳定扩展阶段，声发射事件数增多，能量大的声发射事件主要集中在试样的左上方；在裂纹快速扩展阶段，声发射事件数急剧增多，主要集中在试样的左上方，声发射的能量也显著增大，在接近岩石失稳破坏阶段时，声发射事件增加的速率和声发射能量均达到最大值；在岩石失稳破坏阶段，声发射事件数和能量均减小，但却大于其他阶段。

3.3 声发射波形和频谱特征

图11为在正长花岗岩试样变形破裂过程各阶段选取的1#、2#、3#通道典型声发射事件的波形和频谱图，在声发射波形图中，声发射信号最大幅值为±32 768，对声发射幅值进行了归一化处理，为了清晰地辨析出1#、2#、3#通道声发射波形，对1#和3#通道的波形进行了上下平移，而在声发射频谱图中采用原始数据对其进行了处理。

图11 正长花岗岩试样变形破裂过程各阶段典型声发射事件的波形和频谱图(1#、2#、3#通道)

以1#通道声发射信号为例对图11进行分析，在裂纹压密阶段(图11(a))，声发射信号在时域的幅值为0.088 38，信号的持续时间为1.780 0 ms，主频为67.02 kHz(幅值为80.77)，根据幅值大于或等于主频值对应幅值80%的频率为次主频判断，该信号存在次主频，次主频为36.99 kHz(幅值为63.47)和89.36 kHz(幅值为63.20)；在线弹性变形阶段(图11(b))，声发射信号在时域的幅值为0.065 92，信号的持续时间为1.149 0 ms，该信号仅存在主频，主频为451.20 kHz(幅值为48.04)；在裂纹稳定扩展阶段(图11(c))，声发射信号在时域的幅值为0.340 80，信号的持续时间为1.769 7 ms，主频为98.88 kHz(幅值为448.20)；在裂纹快速扩展阶段(图11(d))，波形图显示，在较短时间内出现了两个声发射事件，其在时域的幅值分别为0.797 70和0.728 00，信号的持续时间分别为2.107 7和1.905 0 ms，主频为39.28 kHz(幅值为1 510)；在岩石失稳破坏阶段，图11(e)为花岗岩试样变形破裂过程最大能量、最大震级的声发射信号，该声发射信号在岩石最大应力降发生前产生，声发射信号在时域的幅值为0.796 90，信号的持续时间为18.195 0 ms，主频为3.80 kHz(幅值为6 061)，次主频为26.09 kHz(幅值为5 066)，图11(f)为岩石破坏前的一个较大声发射事件，该信号在时域的幅值为0.723 10，信号的持续时间为1.009 0 ms，主频为90.09 kHz(幅值为1 275)，次主频为40.28 kHz(幅值为835.1)。

将上述岩样变形破裂过程各阶段的1#通道声发射时域频域参数进行归纳，列于表1。

综上所述并结合表1可知，在裂纹压密阶段，岩石受压内部孔隙和原生裂隙闭合、压密，该阶段典型声发射事件主频较低，但主频幅值、时域幅值、信号持续时间均略大于线弹性变形阶段的主频幅值、时域幅值、信号持续时间；在线弹性变形阶段和裂纹稳定扩展阶段，频谱特性复杂，既有低频又有高频，频谱形状呈现多峰性质，但在线弹性变形阶段主频为451.20 kHz，高频成分较多，在裂纹稳定扩展阶段主频在低频，高频部分含量大幅减少；在裂纹快速扩展阶段直到最大应力降时，高频成分进一步降低，且声发射信号频域主要集中在主频附近；从线弹性变形阶段到裂纹快速扩展阶段，直至岩石失稳破坏阶段产生最大应力降时，声发射信号的主频快速降低，高频成分逐步减少，主频幅值和时域幅值均快速增大，信号持续时间增长；在裂纹快速扩展阶段和产生最大应力降时，声发射信号时域幅值相差不大，但主频、主频幅值和信号持续时间却相差较大，在最大应力降时声发射信号的主频幅值和信号持续时间均远大于裂纹快速扩展阶段；在最大应力降时声发射信号的主频最低，仅为3.80 kHz，高频部分含量大幅减少，主频幅值、时域幅值和信号持续时间均达到最大值，岩石发生劈裂，预示着宏观破坏即将发生。