巖石三軸壓縮聲發(fā)射信息時序特征

楊　睿

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)

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巖石三軸壓縮聲發(fā)射信息時序特征

楊睿

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院)

摘要巖石三軸壓縮變形破壞演化過程可劃分為壓密閉合階段、彈性階段、彈塑性階段、破裂發(fā)展階段及殘余塑性階段等5個階段，聲發(fā)射特征能夠較好地反映出巖樣損傷破壞的演化過程。不同類型巖石因其內(nèi)部組分、結(jié)構(gòu)、均質(zhì)度不同，其壓縮破壞過程的聲發(fā)射時序特征也不盡相同。研究結(jié)果表明：①內(nèi)部裂隙較多的煤巖聲發(fā)射時間序列較分散，時序特征呈群震型；②結(jié)構(gòu)均勻致密灰?guī)r的聲發(fā)射事件數(shù)在破壞前集中出現(xiàn)，時序特征呈孤震型；③均質(zhì)度介于兩者之間的砂巖聲發(fā)射時間時序特征呈主震型。

關(guān)鍵詞巖石三軸壓縮聲發(fā)射特征時序特征變形破壞

巖石材料內(nèi)部含有微裂隙、孔隙等天然缺陷，在外力作用下，內(nèi)部微裂隙、孔隙擴(kuò)展使得巖石內(nèi)部發(fā)生損傷破壞，且在該過程中伴隨著應(yīng)變能的釋放，并以彈性波的形式快速釋放傳播，該現(xiàn)象即為聲發(fā)射[1-2]。巖石內(nèi)部缺陷變化的豐富信息可通過聲發(fā)射信號反映出，通過對聲發(fā)射信息進(jìn)行處理和分析，可判斷巖石內(nèi)部的損傷變化情況，得到巖石的破壞機(jī)制。由于不同巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成存在較大的差異，使得不同巖樣表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射時序特征，對不同巖樣的聲發(fā)射時序特征進(jìn)行研究，對于采用聲發(fā)射、微震預(yù)測巖體破裂具有重要的指導(dǎo)意義。

1試驗(yàn)分析

1.1試驗(yàn)設(shè)備及方法

本研究試驗(yàn)的煤、砂巖和灰?guī)r取自楊村礦16#煤、16#煤頂板灰?guī)r及3#煤頂板砂巖，參照《巖石力學(xué)試驗(yàn)試件加工規(guī)范》，將煤、灰?guī)r、砂巖加工成標(biāo)準(zhǔn)巖樣，直徑50 mm，高度100 mm。采用MTS815.03巖石試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，采用應(yīng)力控制的方式增加圍壓，按靜水壓力的條件逐步施加圍壓至7 MPa 后保持圍壓恒定，采用位移控制的方式提高軸壓至巖樣破壞，軸向加載速率為0.002 mm/s。聲發(fā)射儀型號為AE21C型，聲發(fā)射探頭采用單分量檢波器，前置放大器增益為40 dB，主放大器增益為40 dB，調(diào)整閥值電壓為1.0 V，探頭拾取的聲發(fā)射信號經(jīng)前置放大和主放后，由聲發(fā)射儀進(jìn)一步處理成聲發(fā)射參數(shù)(振鈴計數(shù)率、能率等)。

1.2試驗(yàn)結(jié)果

獲取的聲發(fā)射參數(shù)中，有多個參數(shù)可反映巖石的力學(xué)特性[3-4]。由于聲發(fā)射振鈴計數(shù)率可較好地反映聲發(fā)射發(fā)生的頻度，故本研究采用聲發(fā)射振鈴計數(shù)率分析巖石壓縮破壞過程中的聲發(fā)射特性。煤、灰?guī)r及砂巖在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1　巖石聲發(fā)射振鈴計數(shù)率

2巖石三軸壓縮聲發(fā)射特征

2.1巖石三軸壓縮破壞聲發(fā)射分析

一般情況下，巖石變形破壞演化過程可簡化為5個階段(圖2)。

圖2　巖石三軸壓縮破壞一般過程

(1)壓密閉合階段(OA)。由于巖樣內(nèi)部存在原生裂隙、孔隙，在力的作用下，微裂隙閉合錯動，會產(chǎn)生零星的聲發(fā)射事件[5]。煤巖在該階段的聲發(fā)射信號多于灰?guī)r、砂巖，主要是由于不同巖性巖樣內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成不同，砂巖、灰?guī)r的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與煤樣相比更加致密。

(2)彈性階段(AB)。應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈線性，巖石內(nèi)部開始出現(xiàn)裂隙擴(kuò)展，聲發(fā)射事件數(shù)開始上升。與灰?guī)r、砂巖相比，煤巖的聲發(fā)射事件數(shù)較多，灰?guī)r、砂巖的聲發(fā)射事件數(shù)在開始階段相對沉寂，而后出現(xiàn)部分聲發(fā)射事件數(shù)。

(3)彈塑性階段(BC)。在彈性階段，巖樣進(jìn)入彈塑性階段，巖樣內(nèi)部大量裂隙開始擴(kuò)展、匯合，裂紋數(shù)目和尺度均較大。與煤巖的聲發(fā)射事件連續(xù)增多的特點(diǎn)不同，砂巖在該階段聲發(fā)射事件在短時間內(nèi)迅速增多，同樣，灰?guī)r的聲發(fā)射事件也出現(xiàn)突增現(xiàn)象，灰?guī)r、砂巖的聲發(fā)射事件在該階段均相對集中，但灰?guī)r的集中區(qū)域范圍較窄，即其聲發(fā)射時間突發(fā)性較強(qiáng)。

(4)破裂發(fā)展階段(CD)。應(yīng)力峰值過后，巖樣內(nèi)部裂隙匯合、貫通，出現(xiàn)宏觀裂紋，巖樣破裂失穩(wěn)，該階段聲發(fā)射事件數(shù)仍較高。煤、灰?guī)r、砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的表現(xiàn)形式不同，與煤巖相比，砂巖、灰?guī)r在該階段很快失去承載能力，產(chǎn)生脆性破壞，破壞后聲發(fā)射事件數(shù)很低，而煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)出近延性破壞的特點(diǎn)，破壞后仍有一定數(shù)量的聲發(fā)射事件數(shù)。

(5)殘余塑性階段(DE)。巖樣破壞后，塑性變形繼續(xù)增大，巖樣達(dá)到其殘余強(qiáng)度，聲發(fā)射事件數(shù)持續(xù)減小，甚至消失。

巖樣的破壞過程及其聲發(fā)射時序特征與其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成密切相關(guān)，煤、灰?guī)r、砂巖表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射時序特征，在應(yīng)用聲發(fā)射特征對巖樣破裂失穩(wěn)進(jìn)行預(yù)測時，應(yīng)根據(jù)不同巖樣的聲發(fā)射特征分別進(jìn)行預(yù)測，因此有必要分析不同巖樣的聲發(fā)射時序特征。

2.2巖石三軸壓縮破壞聲發(fā)射時序特征

地震的時間序列表現(xiàn)類型有：①群震型，最大震動釋放的能量在總能量中的比例小于80%，且在序列中振動頻度高，能量波動大，許多震級相差較小的振動在主震前發(fā)生[6-7]；②主震型，主震釋放較大的能量在總能量中的比例超過90%，震前振動較多，次震、主震的震級差別較大；③孤震型，主震能量在總能量的比例達(dá)到99%，前震較少，次震級與主震相差較大。與地震序列相比，聲發(fā)射時間序列雖然在能量、震級方面均存在一定的差別，但仍可仿照地震序列的表現(xiàn)類型[8-9]將其分為群震型、主震型、孤震型等3類，如圖3所示。

圖3　聲發(fā)射類型

由于不同巖樣的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)不同，使得不同巖樣表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射時序特征[7]。巖樣內(nèi)部存在數(shù)據(jù)較多、尺度較大的裂隙時，從加載初期開始，巖樣內(nèi)部裂隙便開始發(fā)展，直至巖樣失穩(wěn)破裂，聲發(fā)射時序特征呈漸進(jìn)式“主震型”；巖樣內(nèi)部裂隙數(shù)量較少，尺度也較小時，主破裂前聲發(fā)射事件數(shù)較少，聲發(fā)射時序特征呈“孤震型”；當(dāng)巖樣內(nèi)部裂隙分布特征介于上述兩者之間時，加載初期，聲發(fā)射事件數(shù)較少，在巖樣破壞前裂隙匯合、貫通，聲發(fā)射事件數(shù)開始迅速增大，表現(xiàn)為“主震型”。

煤巖是一種內(nèi)部微裂隙、孔隙、節(jié)理等軟弱結(jié)構(gòu)面發(fā)育的非均質(zhì)塑性體，其由大小、形狀不同的顆粒物膠結(jié)、疊壓形成，具有較大的不均勻性，因而煤巖的聲發(fā)射事件數(shù)較分散，且波動也較大，在破壞前后的聲發(fā)射事件數(shù)及能量均較大，因此，對于煤巖而言，其聲發(fā)射時序特征呈“主震型”。作為一種典型沉積巖石，砂巖主要由沙粒及填充物構(gòu)成，不同的組成成分可能造成不同的砂巖具有不同的結(jié)構(gòu)組成，但對于結(jié)構(gòu)較均勻、致密的脆性砂巖而言，在三軸壓縮條件下聲發(fā)射事件數(shù)在破壞前后集中出現(xiàn)，試驗(yàn)初期及塑性階段聲發(fā)射事件數(shù)則較少，時間序列特征呈“主震型”。與煤巖、砂巖相比，試驗(yàn)所用的灰?guī)r強(qiáng)度更大，結(jié)構(gòu)也更加致密，脆性特征明顯，在加載初期聲發(fā)射事件較少，在巖樣破裂前聲發(fā)射事件數(shù)突增，并且隨著巖樣的破壞，聲發(fā)射又再次沉寂，聲發(fā)射時序特征表現(xiàn)為“孤震型”。

3結(jié)論

(1)由于不同巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組成存在較大的差異，使得不同巖樣表現(xiàn)出不同的聲發(fā)射時序特征，對不同巖樣的聲發(fā)射時序特征進(jìn)行研究，對于采用聲發(fā)射、微震預(yù)測巖體破裂，具有重要的指導(dǎo)意義。

(2)不同巖樣三軸破壞演化過程一般可分為5個階段，即壓密閉合階段、彈性階段、彈塑性階段、破裂發(fā)展階段及殘余塑性階段，聲發(fā)射特征可較好地反映出巖樣損傷破壞的演化過程。

(3)不同巖樣的聲發(fā)射時序特征可分為震群型、主震型、孤震型等3類。煤巖作為一種典型的塑性體，其聲發(fā)射時間序列較分散，波動變化較大，時序特征呈“主震型”； 較均勻致密砂巖的聲發(fā)射事件數(shù)在破壞前后集中出現(xiàn)，時序特征呈“主震型”；硬度較大、結(jié)構(gòu)致密的脆性灰?guī)r在失穩(wěn)破壞時聲發(fā)射事件數(shù)出現(xiàn)突增現(xiàn)象，并且隨著巖樣的破壞聲發(fā)射又再次沉寂，時序特征表現(xiàn)為“孤震型”。

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(收稿日期2016-03-01)

Temporal Characteristics of Rock Acoustic Emission Information under Triaxial Compression

Yang Rui

(College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology)

AbstractThe rock acoustic emission characteristics under triaxial compression shows that the evolution process of rock deformation and damage can be divided into five stages,they are compaction closed stage,elastic stage,elastic-plastic stage,fracture development stage and residual plastic stage.The evolution process of rock samples deformation and damage can be reflected effectively by the rock acoustic emission characteristics.Due to the difference of internal components,structures and homogeneous degree of different types of rocks,the acoustic emission temporal characteristics of different types of rocks are also different with each other.The research results show that:①the acoustic emission time series characteristics of the coal rock with more internal fractures is scattered,its temporal characteristics is belongs to group shock type;②the acoustic emission events of the limestone with the characteristics of uniform and compact structure are appeared mainly before rock deformation and damage,its temporal characteristics is belongs to isolated shock type;③the sandstone with the characteristics lies between coal rock and limestone,its temporal characteristics is belongs to main shock type.

KeywordsRock triaxial compression, Acoustic emission characteristics, Temporal characteristics, Deformation and damage

楊睿(1995—)，男，266590 山東省青島市黃島區(qū)前灣港路579號。