加載速率對砂巖和花崗巖聲發射事件宏微觀形成機制的影響

馮小靜，張睿哲

（太原理工大學 礦業工程學院，山西 太原030024）

聲發射（AE）的空間定位技術在礦山工程動力災害的監測預測方面發揮著積極的作用，如李示波等[1]將聲發射監測技術用于采空區地壓災害預測；劉建坡等[2]應用聲發射監測深部采場巖體穩定性；紀洪廣等[3]應用聲發射對金礦巖爆進行預測；張洪波等[4]應用聲發射活動時空演化特征研究礦柱破裂過程。但在不同的工程項目中，聲發射事件時空演化特征及災變前兆是不一致的，差異明顯。正如許江[5]、李庶林[6]所指出，聲發射事件定位實驗中受許多外在因素和內在因素的制約，這些制約因素直接影響聲發射事件的定位結果，如未充分考慮這些因素的影響，也許會得出錯誤的結論。加載速率就是其中1個影響因素，關于加載速率對聲發射的影響前人也做了一些相關研究。劉希靈等[7]認為在不同加載速率的單軸壓縮試驗中，動態b值的波動幅度隨加載速率的增加而變大，各試件的b值在達到峰值應力時均有明顯的減小。許江[8]認為加載速率的增加提高了聲發射率。姜德義[9]研究發現加載速率越慢，累計聲發射信號數越多，加載速率越快，聲發射信號頻率越高。Yongzheng Zhang[10]認為隨著加載速率的增加，聲發射事件和應變能速率先增大后減小，形成波動趨勢。D Triantisa等[11]認為盡管每種技術的特征量在某種程度上取決于加載速率，但具體的關系是服從冪律的，而不依賴于加載速率。這些研究成果與大多數關于聲發射的研究結論較一致，但有時也會出現不一致的研究結論，如曹安業[12]認為隨加載速率的增大，能量升高但振鈴計數卻減少，而梁忠雨[13]的研究結果與其正好相反。這種現象其實不能說明誰的研究更準確，其可能與實驗設備的采集頻率、探頭頻響范圍等因素相關。另外在很多關于聲發射的研究中，其參數涉及的也較多，其實很多參數是有一致性的[14]，其分布規律很接近。應加強此方面的研究，減少相關性較高參數之間的重復分析，這樣才能有利于聲發射規律性的歸納總結。同時，不同巖石的聲發射特征是不同的，就算是同一產地的相同巖石，受其微破裂分布、礦物晶體結構不同的影響，其聲發射特征也有明顯差異，在實驗室的研究中，表現的更為明顯。

以上研究主要集中在加載速率對聲發射信號影響方面，而對聲發射事件影響的研究較少。同時，以往關于影響因素的研究大多缺乏其微觀機制的分析，因聲發射十分敏感，探討其微觀機制是十分有必要的?；诖耍芯考虞d速率對聲發射事件分布特征的影響，從聲發射信號本身特征及巖石微觀破壞的角度分析加載速率對聲發射事件形成機制的影響。

1 試驗介紹及聲發射事件定位算法

1.1 試驗介紹

加載采用TYJ-600型微機控制電液伺服巖石力學實驗機對巖石試件進行加載，最大加載試驗力為60 t，采用位移控制的單軸加載方式，加載方向與巖石原始層位垂直。加載速率分別為0.002、0.01、0.02 mm/s。聲發射設備采用美國聲學物理公司PAC生產的PCI-2型8通道聲發射測試分析系統，采集試樣在載荷作用下變形破壞過程中的聲發射信號。試驗時在試件四周貼4個互相對稱的NANO聲發射探頭，記錄聲發射事件的參數與波形并進行實時定位，NANO探頭大小為φ8 mm×8 mm，設定聲發射測試分析系統的主放增益為40 dB，門檻值為40 dB，探頭諧振頻率為280 kHz，采樣頻率為5×106次/s，為保障探頭與試件間緊密結合，在探頭與試件之間抹1層耦合劑，并用透明膠帶固定聲發射探頭。

試驗所用的砂巖和花崗巖試樣尺寸為50 mm×50 mm×100 mm，試件尺寸和加工精度符合ISRM規定的巖石試驗標準。每組試樣3個，為減小巖石試件個體差異造成試驗結果的離散性，在大塊較完整無節理的花崗巖和砂巖上采取相鄰切割試件。

聲發射試驗結束后，根據聲發射事件空間定位結果與試件破壞結果，對有無聲發射事件區域的巖石碎片進行電子顯微鏡掃描，試驗采用JSM-6700F掃描電子顯微鏡，放大倍數為500倍，以期從微觀角度分析聲發射事件形成機制。

1.2 聲發射事件定位算法

本文所指的聲射事件是指微破壞的三維空間定位，只有當發1個微破壞同時被4個及以上探頭同時接收到，并滿足計算誤差的要求，才能夠形成聲發射事件，即實現空間定位。

聲發射事件的空間定位算法很多，常見的有最小二乘法、相對定位法[15]、Geiger定位法和單純形定位方法[16]等。Geiger定位法是Gauss-Newton最小擬合函數的應用之一，適用于小區域微破壞聲發射事件。本文為實驗室尺度的巖石試件的破壞，因此采用Geiger定位算法來確定聲發射事件位置。

聲發射事件的形成除了與算法有關外，還與聲發射信號本身波形特征有關。根據聲發射信號的波形特征不同，將其分為2種主要類型，一種是突發型，另一種是連續型，2種典型聲發射波形如圖1。突發型可以清楚看出波形，有上升時間和持續時間，幅值迅速衰減，其能夠實現定位（即形成聲發射事件）。連續型是連續接收到聲發射波形，幾乎無法辨別單個波形，高幅值一直持續，其不能實現空間定位。

圖1 2種典型聲發射波形Fig.1 Two classical AE waveforms

2 聲發射事件形成宏觀機制分析

2.1 加載速率對聲發射事件數量的影響

不同加載速率下累積聲發射事件在時間上的分布如圖2。不同加載速率下試件內部破壞情況如圖3。

圖2 不同加載速率下累積聲發射事件在時間上的分布Fig.2 Temporal distribution of accumulated AE events at different loading rates

圖3 不同加載速率下試件內部破壞情況Fig.3 Internal failure of samples at different loading rates

由圖2可知，隨加載速率的增加，聲發射事件數變少。砂巖的聲發射事件數遠少于花崗巖，砂巖只有應力達到一定階段時，聲發射事件才會出現并呈陡增式的增加，花崗巖在加載初期就出現聲發射事件并逐步增加。由圖3可見，加載速率越大，巖石破碎產生的白色粉末區域越小（由微破壞產生，即微破壞越少），在加載速率為0.002 mm/s時，微破壞（白色區域）呈區域性分布，隨加載速率的增加，微破壞分布區域變小或呈零散分布。整體來說，隨加載速率增加，微破壞減弱，脆性破壞特征增強。

結合圖2、圖3和聲發射信號特征可知，隨加載速率增加，聲發射事件數減少，其主要有2方面原因：一是由于加載速率越大，越不能充分形成微裂紋，微破壞減少，所以聲發射事件數就少；二是由于加載速率越大，巖石越易發生脆性破壞，其產生的聲發射信號多為連續型，不利于形成聲發射事件，這與以往關于聲發射信號的研究規律較一致。一般來說，巖石的破壞所產生的聲發射信號多是突發型的，而脆性破壞特征越明顯，越容易產生高頻聲發射信號，導致波形重疊，形成“似連續型”聲發射信號，從而導致不能形成聲發射事件。這與聲發射采集系統的采集頻率、探頭的頻響范圍等有關。由于砂巖的破碎程度和規模遠小于花崗巖，所以花崗巖的聲發射事件數較多。

2.2 聲發射事件與載荷之間的關系

為了說明在不同加載速率下聲發射與破壞之間的關系，對施加載荷、聲發射能量率、聲發射事件累積進行了歸一化處理，不同加載速率下砂巖和花崗巖AE事件、能量、載荷間的關系如圖4和圖5。

圖4 砂巖不同加載速率下砂巖AE事件、能量、載荷間的關系Fig.4 The relationship between AE event,energy and load of sandstone at different loading rates

圖5 花崗巖不同加載速率下花崗巖AE事件、能量、載荷間的關系Fig.5 The relationship between AE event,energy and load of granite at different loading rates

由圖4可知，對于砂巖，在加載初期，沒有聲發射事件，隨著載荷的增加，聲發射事件數增多，在達到峰值載荷前都有聲發射事件數急劇增多現象，其提前峰值載荷出現的時間隨加載速率的增加而減小。雖然加載速率不同，但仍有很多共性的地方：小幅的應力降引起聲發射能量陡增，聲發射事件數激增，中幅及大幅應力降引起更大幅度的能量陡增，但聲發射事件數增幅非常小，甚至沒有。應力降及能量增加均說明發生了破壞，應力降小，說明發生了較小破壞，反之亦然。同時還發現，較小應力降處的聲發射信號為突發型，較大應力降處的聲發射信號為連續型（或是似連續型）。所以出現較小破壞時，能夠形成聲發射事件，而在較大破壞時，則不能形成聲發射事件的現象。

由圖5可知，對于花崗巖，在加載初期，有少量聲發射產生，并且隨載荷的增加，聲發射事件數逐漸增多，在達到峰值載荷前聲發射事件數出現增幅明顯的現象，其提前峰值載荷出現時間隨著加載速率的增大而減小。小幅及大幅應力降處能量較高，而此時聲發射事件卻很少，甚至沒有，此時聲發射信號多為連續型，說明對于花崗巖而言，即便是較小的破壞，其脆性特征也很明顯，容易產生高頻連續型的聲發射信號（也可能是似連續型），很難形成聲發射事件。中等及較小能量增加情況下，沒有應力降，說明此時的能量不是由破壞產生的，而是由顆粒間的位錯產生的，此時聲發射事件數量增加明顯，聲發射信號多為突發型。由此可見，應力降引起能量陡增，此時的聲發射信號多為連續型，宏觀破壞很難形成聲發射事件。中等及較小能量增加處沒有應力降，聲發射信號多為突發型，能形成聲發射事件。聲發射信號主要來源于顆粒間的位錯，其是聲發射事件形成的根源。由此可見，其聲發射事件形成機制與砂巖是不同的。聲發射事件與破壞之間的關系見表1。

3 聲發射事件形成微觀機制分析

由以上研究結果可知，不同加載速率下砂巖和花崗巖聲發射事件形成的宏觀機制明顯不同，其主要與巖石材料的微觀結構是緊密相連的。因此，依據聲發射事件的空間分布特征，分別采集了各個試件中聲發射事件集中區域和無聲發射事件區域的碎片，進行電鏡掃描。以期從巖石微觀結構角度，分析聲發射事件形成機制。電鏡掃描在巖石破壞微觀機理研究中的應用比較廣泛，對巖石破壞的認識起到了積極的促進作用。周輝[17-18]、張志鎮[19]應用SEM斷口形貌學建立了微觀破壞與宏觀破壞之間的關系，為巖石破壞機制的研究提供了一條新的途徑?；诖苏J識，對電鏡掃描結果進行分析。

表1 聲發射事件與破壞之間的關系Table 1 The relationship between acoustic emission events and damage

砂巖和花崗巖有無聲發射事件區域電鏡掃描結果如圖6和圖7。

由圖6可知，對于砂巖，無聲發射事件區域巖石斷口中，鏡面區很小，甚至沒有，鋸齒區分布相對廣泛，且隨加載速率增大，其表面粗糙程度逐漸增大，鋸齒區特征越加明顯，表現為明顯的剪切滑移破壞。有聲發射事件區域巖石斷口中，鏡面區與鋸齒區分布明顯，且隨加載速率增加，其表面粗糙程度逐漸增大，鏡面區特征逐漸減弱，表現出剪切和張拉共同作用。由此可見，鏡面區是聲發射事件形成的根源。由文獻[18]可知，鏡面區是由于顆粒間的滑移以及巖石內部微裂隙共同作用造成的，鋸齒區是由外界應力作用下，層間剪切力造成的。由此可知，顆粒間的滑移以及巖石內部微裂隙共同作用產生的破壞能形成聲發射事件，由于鏡面區的大小隨加載速率的增加而減少，所以該破壞也隨著減少，從而導致隨加載速率的增加，聲發射事件數變少。

圖6 砂巖有無聲發射事件區域電鏡掃描結果Fig.6 Silent emission event area electron microscope scanning results of sandstone

由圖7可知，對于花崗巖，無論有、無聲發射事件區域巖石斷口中，鏡面區分布相對廣泛，鋸齒區面積很小。隨加載速率增加，表面光滑程度變小，但仍具有明顯的鏡面區特征，表現為明顯的張拉作用。有聲發射事件區域巖石斷口表面更加光滑，即鏡面區特征更加明顯。由此可見，鏡面區是聲發射事件形成的根源，但必需是十分光滑的鏡面區，在這種情況下，如何界定什么樣的鏡面區才是聲發射事件的根源，后期還需進行相關的量化研究。

鏡面區特征明顯說明顆粒間的滑移以及巖石內部微破壞是巖石的主要破壞組成，所以花崗巖從加載開始便有聲發射事件，而砂巖沒有。由于花崗巖鏡面區大，顆粒間的滑移及微裂隙共同作用更加明顯，所以產生的聲發射事件數多于砂巖。由文獻[18]亦可知，隨加載速率減小，鋸齒區的臺階越致密，在一定程度上能形成咬合摩擦，以抵抗巖石的破壞進程。在這種咬合摩擦過程中極易產生巖石粉末，所以加載速率越小，巖石破碎產生的粉末越多。由于花崗巖鏡面區大，顆粒間的滑移及微裂隙共同作用更加明顯，所以產生了更多的巖石粉末。

4結論

1）隨加載速率的增加，聲發射事件數逐漸變少，主要原因一是加載速率越大，微破壞越少，所以聲發射事件數就少；二是加載速率越大，巖石越易發生脆性破壞，其產生的聲發射信號多為連續型（或似連續型），不利于形成聲發射事件。由于砂巖的破碎程度和規模遠小于花崗巖，所以砂巖的聲發射事件數遠少于花崗巖。

2）對于砂巖，小幅應力降處聲發射事件數激增，信號多為突發型。中幅及大幅應力降處聲發射事件極少甚至沒有，聲發射信號多為連續型（或為似連續型），所以微破壞及小的宏觀破壞能形成聲發射事件。

3）對于花崗巖，應力降引起能量陡增，此時信號多為連續型，即便是較小的宏觀破壞也很難形成聲發射事件。中等及較小能量陡增處沒有應力降，聲發射信號多為突發型，能形成聲發射事件，顆粒間的位錯是聲發射事件形成的根源。

4）鏡面區是聲發射事件形成的根源，其對應的顆粒間的滑移以及巖石內部微裂隙共同作用產生的破壞能夠形成聲發射事。隨加載速率增加，鏡面區特征逐漸減弱，所以聲發射事件數隨加載速率的增加而減少。

5）鏡面區特征明顯說明顆粒間的滑移以及巖石內部微破壞是巖石的主要破壞組成，所以花崗巖從加載開始便有聲發射事件，而砂巖沒有。由于花崗巖鏡面區大，顆粒間的滑移及微裂隙共同作用更加明顯，所以產生的聲發射事件數多于砂巖。