大理巖單軸巖爆試驗聲發射信號特征研究

張俊思，梅甫定，梅志恒，毛 勇，羅衛兵

（1.中國地質大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2.大冶有色金屬有限責任公司豐山銅礦，湖北 黃石 435000）

巖爆是突然的巖石破壞，常常有巖石的破碎和從圍巖中突出，并伴隨著能量的猛烈釋放，是一種動態力學現象[1，2]。巖爆作為金屬礦山深部開采時遇到的一種嚴重的地質災害，嚴重威脅著井下作業人員和設備的安全。聲發射作為外在響應的一種，是材料在受到外部載荷或是內力作用下發生變形、斷裂，貯藏的部分能量集中以彈性波方式釋放應變能的過程[3]。聲發射是伴隨受力和變形過程產生的，根據聲發射各種參數的強度、數量、頻率等特征分析材料變形破壞的過程，可以建立起聲發射特性與其變形過程的內在聯系。

采用聲發射技術的研究可以歸為兩類，對聲發射信號簡化的波形特征參數的研究和對聲發射信號波形的頻譜分析。基于以上研究，本文選取聲發射振鈴計數、幅值和能量三個特征參數，以豐山銅礦深部大理巖為試驗對象，進行單軸巖爆模擬試驗，探索深部大理巖巖爆的發生機理，以期對工程實際具有指導意義。

1 試驗設計

試驗用大理巖巖芯取自湖北大冶豐山銅礦-440m埋深處，平均天然密度為2.656g/cm3，飽和密度為2.662g/cm3。遵循《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266-2013)要求，經打磨加工成50×100mm標準圓柱形試件，用于試驗。

試驗過程中，加載系統選用MTS 815電液伺服測試系統，監測系統選用PCI-Ⅱ型聲發射監測系統。四個聲發射傳感器布置在試件兩側，距離端部1cm左右，傳感器探頭均勻涂抹耦合劑，并用絕緣膠帶緊密固定。試驗開始時，加載系統同聲發射監測系統同步開啟。

本試驗采取位移控制單軸一次性加載方式，加載至試件發生整體破裂后停止，加載速率0.0020mm/s。為有效降低環境噪音對試驗數據的影響，聲發射監測系統門檻值設為55dB。據此方法進行多組試驗，并發現試件破裂時均出現碎巖彈射，伴有炸裂聲響的輕微巖爆現象出現，從加載后破壞的試件中選取具有典型巖爆現象的兩試件P-1、P-3展開研究。

2 聲發射振鈴計數和幅值分析

通過對AE信號處理，獲得試件P-1、P-3 AE波形的幅值、振鈴計數的變化規律如圖1、圖2所示。

觀察發現AE信號振鈴計數的峰值與AE信號幅值的凸起相對應。在壓密階段，由于試樣內部裂隙在受壓后閉合而產生較多AE信號。在試件P-1中，壓密階段加載用時占破壞全過程的19%。說明原生微裂隙、空隙在外界作用下壓實閉合消耗的時間較短，但是AE活動比較活躍。在裂隙被壓密后，AE振鈴計數出現了短暫的相對平靜期，但是AE幅值仍然比較活躍。在180s～220s左右，AE振鈴計數出現了一段密集的活動，此時，幅值出現了一次高潮。隨后，振鈴計數和幅值再次進入平靜期。在330s及以后，振鈴計數和幅值再次活躍起來，說明此時裂紋開始貫通、連接，最終形成宏觀裂紋，直至試件被破壞。

圖1 P-1時間-應力-振鈴計數-幅值

圖2 P-3時間-應力-振鈴計數-幅值

與試件P-1相比，試件P-3在整個加載過程中，振鈴計數的活動規律與試件P-1基本相同，但是幅值一直表現出中高強度。在壓密階段出現一些高幅值的撞擊，隨后幅值強度降低，進一步說明在壓密階段的高幅值聲發射信號主要是試樣內部微裂紋、孔隙等細觀結構在外界載荷作用下壓密所致。在試件破裂前，P-3和P-1的幅值均表現出急劇增加的趨勢，在時間上分別為330s及以后、320s及以后，大量高強度的幅值的聚集說明試件內部裂紋開始擴展、貫通，試件即將破裂。

3 歸一化處理分析

3.1 線性函數歸一化方法

設樣本數據值域為[Min,Max]，則線性函數歸一化表達式為：

式中：x、y 分別為轉換前、后的值；Max、Min 分別為樣本的最大值和最小值。

線性函數歸一化具有以下性質：①樣本的大小關系保持不變；②樣本的相對距離保持不變。采用線性函數歸一化處理巖爆過程中監測到的各物理量，在同一尺度下觀察個物理量的變化規律，能夠較迅速、有效的識別巖爆發生前兆。

3.2 歸一化結果分析

由于AE信號各個參量的物理值值域和量綱都不一樣，不利于快速的分析出各個參量的突變點出現的先后順序，也影響各參量之間的關聯性分析。因此，筆者選取AE信號的幅值、振鈴計數和能量三個特征參數進行歸一化處理，綜合分析同一尺度下各個參量的變化規律，為巖爆的預警研究提供綜合依據。

圖3 P-1應力及AE參數歸一化值變化

本文采取線性函數歸一化處理方法，對AE全波形信號后處理獲得振鈴、能量和幅值參數變化規律，這里采用巖石破壞時的AE累計數量Na對AE數N進行歸一化處理。既歸一化比率為：n=N/Na。

AE特征參數的歸一化比率變化如圖3、圖4所示。在初始加載階段雖然產生少量AE信號，但相比后期巖石破裂的振鈴計數數量和對應的幅值及能量極少，說明在壓密階段，AE各特征參數的歸一化比率均很小。隨后，在三種累計曲線中，AE幅值累計曲線首先開始增大，試件P-1和P-3中時間點分別為80s和170s，此時對應著裂紋的萌生。之后，AE能量累計曲線和AE振鈴計數累計曲線開始增大，從中可以發現，AE幅值累計曲線能夠快反映裂紋的產生，這一特征可以作為巖爆預警的依據。

觀察曲線后可以發現AE振鈴計數累計曲線和AE能量累計曲線都呈臺階式增長，圖4中P-1累計振鈴計數曲線和累計能量曲線表現的尤為突出，一共出現兩次臺階，此時曲線接近垂直狀態，可以直接反映巖石的宏觀破裂。在巖石整個加載過程中，AE累計能量增長曲線和AE累計振鈴計數增長曲線的總是相互伴隨，同步增加。從中可以說明，振鈴計數的記錄是伴隨著能量的釋放，即高振鈴計數高能量。

觀察AE幅值累計增長曲線，發現在試件破裂前，曲線的增長會有一個“臨界點”，分別在試件P-1和P-3的270s、260s左右。這一點可作為巖石彈性變形階段和裂紋穩定發展階段的分界點，在“臨界點”前巖石處于彈性變形階段，幅值累計曲線斜率較小。此后，隨著載荷的不斷增加，曲線斜率逐漸增大，裂紋開始穩定擴展，直至試件被破壞。這一“臨界點”可以作為巖爆發生的前兆特征點，為巖爆預警提供理論依據。

4 結論

（1）通過實驗發現試件的聲發射振鈴計數和幅值活動規律基本吻合，但聲發射振鈴計數在試件破壞前具有明顯的相對平靜期，這可以為工程實際中的巖爆預警提供理論依據。

（2）試件在壓密階段，由于巖石內部原有裂隙、空洞被壓實，振鈴計數和幅值的數量明顯增加，但信號強度不高。隨著試樣內部微裂紋的不斷擴展、萌生，產生大量的高幅值、高振鈴計數的聲發射信號。

（3）在幅值、振鈴計數和能量三種累計曲線中，幅值累計增長曲線最快開始增大，對裂紋的響應時間最短。AE累計能量增長曲線和AE累計振鈴計數增長曲線的總是相互伴隨，同步增加。幅值累計增長曲線的初始增長點和曲線增長的“臨界點”均可以作為巖爆發生的前兆特征點，為工程實際中此類災害的發生提供防范指導。