巖石三軸壓縮聲發射測試裝置改進及其信號分析

曾開華，王春光，李丙乾，肖廣濤

(1. 南昌工程學院 土木與建筑工程學院，江西，南昌330099;2. 山東科技大學，2a. 礦山災害與預防控制國家重點實驗室(培育);2b. 資源與環境工程學院，山東 青島266590)

0 引 言

巖石變形聲發射(Acoustic Emission)是巖石在外荷載作用下，由于內部存在原始缺陷產生應力集中，在裂紋的產生和擴展過程中能量以彈性波的形式釋放。由于人們最開始注意到的這種現象是能聽到的，因此稱為聲發射。實際接收到的聲發射信號已經達到超聲量級，可以測到彈性波在巖體中傳播使固體表面變形為10 ～11 μm 量級的微小變化［1］。

巖石的破壞過程是一個微裂紋形成、發展和匯合的過程，該過程伴隨著損傷的演化，涉及到從微觀到宏觀的各種尺度［2］。在遠離平衡條件下，微觀的原子、分子層次與宏觀層次之間沒有簡單、直接的聯系。可以通過介于微觀與宏觀的中間尺度(細觀尺度)對巖石的破壞過程進行分析。從細觀尺度上研究巖石的損傷、破壞過程時，必須考慮巖石所具有的非均質性。對聲發射進行監測并分析其信號特征，可以了解巖石內部的損傷演化過程［3］。

聲發射微震方法最早用于美國鉛鋅礦［4］。用于巖石力學實驗研究始于上世紀60 年代［5］。聲發射在巖體工程中的應用主要有室內試驗的實時監測和現場的聲發射監測兩部分。在室內已經進行了大量的不同巖性及力學條件下的聲發射特征研究。Philip［6］對三軸壓縮下的玄武巖試件由流體流動及裂紋破裂產生的聲發射特征進行了研究，表明流體流動產生的是低頻聲發射波，壓縮變形及開裂產生高頻波。殷政鋼等［7］進行了巖石的聲發射對比三軸試驗研究，付小敏［8］進行了三軸壓縮變形及聲發射特性試驗研究，江進輝等［9］進行了大理巖在天然、飽水和滲流三種條件下的三軸試驗聲發射特征的研究，陳景濤等［10］對花崗巖在真三軸加載條件下的聲發射特征進行了試驗研究。從聲發射的實驗結果可以看出，不同的巖石在不同的條件下，其聲發射特征不同。

在進行壓縮聲發射試驗時，除了要求伺服實驗系統具備足夠的剛度及相應程度滿足巖石力學實驗要求外，還要求巖樣必須與聲發射檢波器合理接觸，以便在巖石受壓其內部裂隙發育和破裂時，發出的聲音信息準確、合理地被聲發射檢波器接收到。現有技術中進行的大量巖石三軸壓縮聲發射試驗，聲發射檢波器與巖樣可以密貼接觸，在聲發射檢波器與巖樣之間可以加層黃油等進行耦合，所以聲發射信息的合理采集容易實現，但礦山井下大多數巖石處于三軸受力狀態，因此開展巖石三軸壓縮破裂聲發射預測研究更符合實際情況，也更具有指導意義。

由于信號傳輸問題，目前進行的巖石三軸壓縮聲發射試驗很少，并且一般采用將聲發射檢波器置于三軸壓力室外壁。這種情況下，巖石壓縮破裂產生的剪切脈沖波不能穿過液壓油而丟失，壓縮波也會因傳輸距離增加而使能量大幅衰減，無法得到真實可靠的實驗結果。尤其是在進行巖石三軸壓縮聲發射實驗時，因高壓油提供圍壓，巖樣必須用塑料膠帶等包裹物將其包緊以免進入高壓油，同時防止巖樣破裂后巖粉進入高壓油，因此在巖石三軸壓縮聲發射實驗時，巖樣無法與聲發射檢波器緊密接觸。目前，現有技術在進行巖石三軸壓縮聲發射實驗時無法解決巖樣與聲發射檢波器緊密接觸的技術問題，不能獲得準確可靠的巖樣聲發射信息。

1 聲發射測試壓盤的研制

考慮到巖石力學測試過程中遇到聲發射檢波器安裝諸多不利影響，本文研發一種結構簡單，適合巖石三軸壓力室的聲發射測試壓盤(見圖1)。基本結構是制作直徑小于壓力室底座的圓柱狀剛性壓盤，在中心位置預留出適合聲發射檢波器直徑的孔洞，并沿徑向刻出導線溝槽。將聚苯乙烯塑料塞入孔洞內，再將聲發射檢波器放置在孔洞內。由于乙烯塑料有一定伸縮性，可使聲發射檢波器接觸面緊貼在巖石底部，保證接收準確的巖樣聲發射信息。提高了巖石三軸壓縮聲發射實驗的準確性與穩定性。不會因為中間介質或傳輸距離太遠，影響到巖樣聲發射信息的準確性。

圖1 三軸壓力室聲發射測試底盤

為了進一步提高壓盤性能，在壓盤的邊部均勻設置有螺紋固定孔，用于將實驗壓盤牢固地固定在巖石伺服試驗機的底壓頭上，提高穩定性和準確性。還可以控制實驗壓盤的尺寸，更進一步提高聲發射檢波器接收巖樣聲發射信息的準確性。底盤的高為60 mm，直徑50 mm;尤其是孔洞的內輪廓與聲發射檢波器的外輪廓相適配。而聲發射檢波器的高為14.8 mm，直徑為18.9 mm，則孔洞直徑為20 mm，高為15 mm。

2 試驗設備及方法

試驗巖樣取自新汶礦業集團孫村煤礦16 煤頂板石灰巖，從煤礦井下采集巖塊，封臘包裝后運抵實驗室，按巖石力學實驗規范將石灰巖巖塊加工成直徑為50 mm、高100 mm 的圓柱型標準試件。本次石灰巖巖樣三軸壓縮條件下聲發射試驗的加載系統采用美國MTS815.03 電液伺服巖石試驗系統。加載過程采用位移控制方式，以0.1 mm/s 的速度加載直到試件破壞且處于平穩的殘余變形階段后停機，試驗時間120 s。

聲發射儀型號為SDAES-6，聲發射探頭采用單分量檢波器，中心諧振頻率120 kHz，前置放大器增益為40 dB，主放大器增益為40 dB，調整閥值電壓為1.0 V，設置聲發射事件間隔為3 ms。探頭拾取的聲發射信號經前置放大和主放后由聲發射儀進一步處理成聲發射參數(事件數、事件率、能量累計、能率等)。

3 石灰巖壓縮破壞聲發射波形分析

聲發射波形信號是含有豐富信息的復合信號，受各種因素的制約，包括礦物的成分特征，結構特征及變化的邊界條件特征等。

從結果反演一一對應關系在目前的研究階段還很難做到，但可以定性分析其不同機制的聲發射源。根據采集到的荷載數據、觀察記錄的巖爆破壞特征，再結合聲發射數據頻譜及時頻變換結果，從大量數據的統計觀點出發，可以對變形過程聲發射的主頻特征、幅值變化特征等進行初步的定量描述。本文選取聲發射事件數和能量2 個參數來分析石灰巖巖樣壓縮過程中的聲發射特征。聲發射事件數為單位時間內所觀測到的振鈴計數;聲發射事件數反映了聲發射發生的頻度;聲發射能量是指觀測到的聲發射事件的能量，與所觀測到的事件所在波形的幅度值的平方成正比，反映了聲發射的強弱［11］。

頻譜特征是指對聲發射波形數據系列進行快速離散傅里葉變換后得到的數據在頻域的特征，可以用來分析信號的頻譜和系統的頻率響應［12］。對有限的時間序列信號采用如下公式進行快速傅里葉變換和逆變換:

式中:N 為數據長度;x(n)為數據系列。

利用時間和頻率的聯合函數來表示信號，稱為時頻表示［13］，時頻表示分為線性和二次型兩種。線性時頻表示有短時傅里葉變換和小波變換。二次型的時頻表示可以描述信號的能量密度分布，稱為信號的時頻分布。二次型的時頻表示有譜圖、Cohen 類時頻分布和Affine 類時頻分布等。譜圖定義為短時傅里葉變換模的平方，變換公式為

是實值、非負的二次型分布，具有時移和頻移的不變性。Winger-Ville 變換是Cohen 類時頻變換的一種特殊形式，其變換公式為

該變換最大的缺點是存在交叉項，目前主要用平滑偽Winger-Ville 變換抑制交叉項，平滑偽Winger-Ville 變換公式為

當沒有窗函數作用時，交叉項非常明顯。Affine時頻分布有尺度圖、乘積核分布、局部化雙頻核函數分布等。

本文采用最基本的譜圖變換，通過時頻數據對頻率和幅值進行分區統計，得出不同實驗階段、不同巖性的三軸壓縮變形實驗過程聲發射時頻分布的頻率和幅值的分布變化特征。

在Matlab 時頻分析工具箱中，計算譜圖的函數為tfrsp. m，本文采用如下的語法格式［tfr，t，f］=tfrsp(x，t，N)輸入參數x、t、N，分別為采集的離散信號數據、采樣時間和頻率點數。輸出參數為tfr、t 和f，分別為返回譜圖、返回時間坐標和返回頻率坐標。

對聲發射波形數據可以利用時頻分析工具箱繪制波形圖、功率譜圖、時頻分布(等高線)圖和三維圖(時間—頻率—幅值)。聲發射采樣頻率為1 024 kHz。設計nfft=1 024，N=256。根據每個波形文件變換的頻率—幅值分布特征，較高幅值在小于200 kHz 范圍內相對集中分布于2 個區間。在較高的頻率范圍內雖然幅值相對較小，但也有相對集中的頻率區間，為此將頻譜圖中頻率范圍分為4 個區間，分別為30 ～150、150～230、230 ～330 和330 ～400 kHz。

根據劃分的頻率區間，對每一個波形文件的結果，提取對應4 個頻率區間段內的最大幅值所對應的頻率信息，獲得一個數據點，每個文件獲得4 個數據點。如果分析文件為n 個，則有4n 個數據。根據幅值大小的分布特征，為了定量分析實驗過程中不同頻段幅值變化趨勢，確定幅值門檻值，對大于該值的數據進行計數，再除以4n。如果門檻值為0，則每個區間統計值為0.25，4 個區間的總值為1，因此設定合理的門檻值后方能比較出變化趨勢。由于不同頻率區間的幅值大小不同，因此設定了不同的門檻值，對第1 和第2 頻率區間幅值門檻值設為0.15，對于第3 和第4 頻率區間的門檻值設為0.03。根據以上的設定值對不同區間的幅值變化概率進行了統計。整個頻段區間分別為62～92 kHz，發散;177 ～189 kHz，集中;235 ～300 kHz，主要集中于289 ～300 kHz;330 ～370 kHz，主要集中在363 ～369 kHz。

4 石灰巖壓縮破裂聲發射實驗結果分析

壓縮變形采集的聲發射數據采用外部信號觸發。當有滿足設置要求的信號觸發軟件進行采集時，每幅顯示的波形圖數據文件為8 192 個數據點。在時頻變換時，以8 192 個數據為一個數據文件進行變換。圖2是對典型聲發射原始波形數據及濾波后的數據進行的時頻變換結果。

圖2 石灰巖受載變形過程中聲發射

石灰巖的受壓變形破壞過程與其內部原生裂隙的壓密、新裂隙的產生、擴展、貫通等演化過程密切相關［14］，聲發射信息蘊含著豐富的巖石損傷漸進破壞的前兆信息［15］，從石灰巖三軸壓縮全應力應變過程的聲發射試驗結果(見圖3)可以看出，巖石受壓變形破壞演化過程大致可簡化為5 個階段。

(1)OA 段為壓密階段。巖石內部普遍含有微孔隙、裂隙等缺陷，在載荷壓縮作用微缺陷被壓密閉合過程中，粗糙的壁面會發生變形和微破裂，從而引起聲發射的產生，不過該階段聲發射頻率較小且能量較低。圖2(a)該階段僅出現少量聲發射活動。

(2)AB 段為線彈性變形階段。該階段近似為線彈性，應力-應變曲線呈線性連續。該階段由于應力較低，還不足以使巖石內部產生較大尺度的新生裂隙，所以該階段只出現了數量較少、強度較低的聲發射現象，見圖2(b)。

(3)BC 段為加速非彈性變形階段。經過線彈性變形階段后，巖樣中開始出現了數量較多、尺度較大的新生裂紋。該階段中巖石內部積累了足夠的彈性能，在能量釋放過程中，變形開始加速，載荷上升相對較緩慢，巖石中產生的大量微裂紋匯合、貫通，并最終發生破壞失穩。該階段聲發射事件數急劇增加，能率急劇增大，見圖2(c)。

(4)CD 段為破裂及其發展階段。巖石逐漸失去承載能力，應力逐步降低，變形增大，裂隙已加密貫通并逐漸過渡到破碎塊體擠壓變形階段，此階段脆性的石灰巖聲發射事件突然“沉寂”，聲發射事件數急劇減少，且能量急劇降低。

(5)DE 段為峰后變形階段。巖石最終達到松動、破碎的殘余強度，此階段聲發射事件逐漸消失。

圖3 石灰巖三軸壓縮過程中聲發射振鈴數

對聲發射活動進行頻譜處理后得到石灰巖固有聲發射特征頻率及其幅值(見圖4 和圖5)。從圖4 中可以明顯看出，三軸壓縮過程中石灰巖存在4 條頻率特征帶。第一條頻率特征帶分布在75 ～90 kHz，第二條分布在175 ～190 kHz，第三條集中在280 ～290 kHz，第四條集中在375 ～390 kHz。對比這4 條頻率特征帶幅值。從圖5 可以得出，高頻特征帶幅值明顯低于低頻特征帶幅值。其中，＜230 kHz 的中低頻段幅值較大，＞230 kHz 的高頻段幅值較低。

圖4 頻率隨聲發射波形系列變化圖

圖5 幅值隨聲發射波形系列變化圖

5 結 語

石灰巖三軸壓縮全應力應變過程的聲發射測試結果表明，改進后聲發射測試底盤能較完整記錄巖石壓縮變形破壞過程中聲發射活動。在破壞前聲發射活躍是所有巖石在外力作用下的共性。根據聲發射頻譜結果，＜230 kHz 的中低頻段幅值較大;＞230 kHz 的高頻段幅值較低。在中低頻段有相對集中的主頻，約175 ～190 kHz 及75 ～90 kHz。頻譜分析表明加載初期的聲發射信號低頻低幅值成分較多，而在破壞前高頻(低幅值)和低頻(高幅值)的幅值都有所增加。聲發射活動劇烈程度與試件的損傷相對應，而并不是直接與試件的端面應力對應。

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