巖石應變巖爆實驗聲發(fā)射頻譜特征*

苗金麗

（1.中鐵六局集團有限公司；2.深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室）

聲發(fā)射技術已經廣泛應用于現(xiàn)場巖體工程的破壞預警及室內巖石實驗研究中。研究結果表明，巖爆發(fā)生前微震特征為事件密度增大，事件數(shù)快速增長［1］。在巖爆誘發(fā)期表現(xiàn)為微震累計能量呈增加趨勢，同時視應力減小及累計視體積驟增［2］。巖土材料復雜性特點決定了聲發(fā)射傳遞過程的不確定性，聲發(fā)射信號攜帶了大量巖體破壞信息，利用這些信息可對巖體破壞失穩(wěn)進行預測。受設備性能制約，早期聲發(fā)射在室內巖石實驗應用主要是對荷載—聲發(fā)射特征—破壞特征的關系進行分析。隨著技術進步，聲發(fā)射定位精度提高，實現(xiàn)了采用矩張量理論對聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行分析，判定聲發(fā)射源張拉或剪切類型［3］。現(xiàn)場礦山開采過程中通過建立聲發(fā)射微震監(jiān)測網，實時監(jiān)測聲發(fā)射信息，用于預警［4］。

近些年開展了一些基于聲發(fā)射全波形的時頻分析研究成果。Ralston玄武巖和葉蠟石的試驗結果表明，在臨近破壞時產生高頻高幅值的聲發(fā)射事件［5］。采用玄武巖與流體作用模擬火山微震，并同時檢測聲發(fā)射的三軸試驗結果表明，巖石脆性破壞時產生最大功率600 kHz的聲發(fā)射，流體流動導致的聲發(fā)射最大功率對應的是18 kHz［6］。

大尺度片麻巖試件（105 cm×40 cm×10 cm）在循環(huán)荷載作用下聲發(fā)射頻率范圍為50~250 kHz［7］。混凝土在低荷載作用下聲發(fā)射頻率分布范圍為10~50 kHz，分布窄，頻率較低，幅值較小。有微裂紋產生時，出現(xiàn)165 kHz的高頻成分。隨著荷載增加，10~165 kHz頻寬范圍內的幅值增大。當宏觀裂紋形成時，高幅值的聲發(fā)射頻率位于15 kHz左右，而在臨近破壞前，高幅值覆蓋了10~165 kHz，聲發(fā)射活躍［8］。花崗巖節(jié)理摩擦滑移產生的聲發(fā)射信號頻率范圍為78.1~312.5 kHz［9］。

不同諧振頻率傳感器對頻率響應有差異，窄頻傳感器接收頻率集中分布在33~110 kHz，寬頻主頻在0~500 kHz內均勻分布［10］。

上述研究結果表明，由于實驗條件不同，獲得的巖石聲發(fā)射頻譜特征明顯不同，但有如下基本規(guī)律：即在破壞前聲發(fā)射頻率分布范圍寬，幅值增大；在破壞時高幅值的頻率降低。

本研究根據(jù)聲發(fā)射波的傳播及衰減規(guī)律，根據(jù)已有的研究成果，對室內應變巖爆實驗條件下巖石材料破壞過程中的聲發(fā)射頻譜特征進行分析，并就如何分析應用室內實驗聲發(fā)射結果進行初步說明。

1 聲發(fā)射波的傳播及衰減特征

一般認為采用聲發(fā)射技術對材料進行研究時，有一個頻率適用范圍［11］。巖石材料聲發(fā)射頻率范圍為10 kHz~1 MHz，現(xiàn)場微震0.1~10 kHz，現(xiàn)場巖爆<0.1 kHz。

室內巖石聲發(fā)射應用研究頻率范圍為1 kHz~1 MHz，主要集中在10~300 kHz，部分試驗采用傳感器為寬頻，頻率范圍為1 kHz~1 MHz。因低頻信號室內干擾嚴重，在采集濾波時，將低頻段波濾掉。高頻信號受試驗樣品尺寸影響衰減快速。根據(jù)已有研究，AE波在傳播過程中的幅值衰減可以采用如下公式表示。

式中，U為振幅的變化率，%；f為AE頻率，Hz；d為傳播距離，m；v為傳播速度，取3 000 m/s；Q為品質因子，取20。

當v，Q為常數(shù)時，0.2，20，2 000 m這3個尺度傳播距離U與f的關系如圖1所示，波在傳播過程中，不同頻率的波幅度的衰減速度與傳播距離有很大關系。當傳播距離為0.2 m，相當于室內實驗樣品的尺寸數(shù)量級，f<200 kHz的聲發(fā)射波經過0.2 m傳播后，幅度只有初始的12%；保持50%的幅度時，傳播距離0.2，20，2 000 m對應的頻率分別為65，0.65，0.006 5 kHz。以上結果說明傳播距離成百倍增長后，振幅變化率減少50%所對應的頻率也相應成百倍降低。在分析聲發(fā)射波形信息時，需了解波傳播規(guī)律、采集系統(tǒng)及傳感器頻響特性，并掌握材料特性，根據(jù)研究對象尺度，確定研究關注的頻率范圍。室內巖石實驗50~200 kHz的頻率范圍較適宜，現(xiàn)場用于判定巖體穩(wěn)定性時，則應該關注低頻率（<10 Hz）。

2 小尺度巖樣巖爆實驗聲發(fā)射特征

巖石力學破壞產生聲發(fā)射的震源機制主要為張、剪兩種類型。脆性巖石臨近破壞時，聲發(fā)射低頻快速增加，可能是有較大裂紋產生或者高頻成分快速衰減。臨近破壞時高幅值事件增加，較大裂紋產生的聲發(fā)射事件表現(xiàn)為高幅值、低頻率［12］。

2.1 實驗過程及參數(shù)

巖爆實驗在應變巖爆實驗系統(tǒng)上進行，該系統(tǒng)是一種改進的真三軸系統(tǒng)，可以實現(xiàn)三向六面加載和單面瞬時卸載。實驗系統(tǒng)由實驗主機系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)、力和變形數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和高速圖像采集系統(tǒng)5個子系統(tǒng)組成。試件為長方體板狀，標準尺寸為150 mm×60 mm×30 mm。

根據(jù)試樣單軸抗壓強度，綜合考慮工程及場地環(huán)境，確定試件初始三向不等荷載，加載速率0.5~1.0 MPa/s，靜止30 min后某一方向單面快速卸載，并暴露試樣表面。當單面卸載后，30 min內試樣未發(fā)生破壞，則恢復加載，并按比例增加三向作用荷載，增幅為5 MPa左右。再靜止30 min后單面快速卸載，直到在某級荷載條件下快速卸載后試件發(fā)生巖爆，且會產生巖塊、巖片的彈射現(xiàn)象［13］。

2.2 實驗過程聲發(fā)射特征

利用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采集巖爆過程中的聲發(fā)射原始波形數(shù)據(jù)，并對實驗過程中典型時段的原始波形數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換，將聲發(fā)射數(shù)據(jù)轉換為二維頻譜數(shù)據(jù)，得到分區(qū)段的聲發(fā)射頻率和幅值分布變化特征。

圖2是花崗巖、砂巖及石灰?guī)r3例應變巖爆實驗過程中巖石聲發(fā)射頻率特征圖。幅值是通過無量綱處理后的結果。

圖2中列舉了每個試件4個不同階段所產生的聲發(fā)射頻譜。每一種巖性有相對固定的主頻范圍，在不同的狀態(tài)下（如加載、單面卸載、巖爆前、弱巖爆、巖爆及巖爆后），聲發(fā)射幅值有一定差異。以巖爆時刻最高幅值所對應的頻率為主頻，其次為次主頻。

圖2（a）是花崗巖應變巖爆實驗過程中單面卸載、弱巖爆、巖爆及巖爆后4個階段的典型聲發(fā)射時頻分布特征。可以看出高幅值所對應的頻率為180 kHz，相對集中，且單面卸載、弱巖爆及巖爆時所對應的幅值較高。次高幅值對應的頻率分布范圍為50~120 kHz，較分散，且單面卸載及巖爆對應的幅值較大。

圖2（b）是砂巖應變巖爆實驗過程中單面卸載、巖爆前、巖爆及巖爆后4個階段的典型聲發(fā)射時頻分布特征。從該圖中可以看出高幅值所對應的頻率主要集中在180 kHz及90 kHz，且?guī)r爆時幅值最大。次高幅值所對應的頻率區(qū)間為70~110 kHz，頻率分布區(qū)間略有分散，且幅值大小與主頻段的相當。明顯的特征表現(xiàn)為巖爆時主頻段對應的幅值高；次主頻段單面卸載時幅值最大，其次是巖爆時刻。

圖2（c）是石灰?guī)r應變巖爆實驗過程中加載、單面卸載、巖爆前及巖爆后4個階段的典型聲發(fā)射時頻分布特征。從該圖中可以看出巖爆時高幅值所對應的頻率為80 kHz左右，且30~100 kHz頻率范圍內幅值都較高，但明顯小于花崗巖和砂巖的。次高幅值所對應的頻率區(qū)間為170~180 kHz，頻率分布區(qū)間較集中，且表現(xiàn)為單面卸載時幅值最大。

表1列出了3種巖性巖石試件在應變巖爆實驗過程中聲發(fā)射主頻特征，發(fā)生機制是根據(jù)已有研究成果分析判斷。從表中可以看出花崗巖及砂巖主頻很接近，為170~190 kHz，花崗巖的主頻更集中，為180 kHz左右。石灰?guī)r主頻最大值為80 kHz，變化范圍為30~100 kHz，相對較分散。次主頻花崗巖及砂巖的分布區(qū)間也近似相同，而石灰?guī)r的次主頻分布范圍與花崗巖及砂巖的主頻分布范圍相似。

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上述實驗結果表明，加載或巖爆破壞后一般聲發(fā)射幅值低，見圖2（c）。單面卸載或巖爆時（圖2（a）~（c））幅值高。巖石力學試驗監(jiān)測到的聲發(fā)射現(xiàn)象，反映了巖石不同破壞尺度下的能量釋放特征。高幅值對應著較高的能量釋放。砂巖及花崗巖的晶粒尺寸較大，而石灰?guī)r的晶粒尺寸較小，說明巖石的聲發(fā)射頻率與其結構相關，主要是晶體結構大小及裂隙的分布特征。

通過對巖爆實驗過程聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)進行分析，可以得到不同應力組合下聲發(fā)射頻譜特征，據(jù)此建立試樣漸進破壞與聲發(fā)射頻譜特征之間的關系，判定可能發(fā)生破壞的類型，并有望對現(xiàn)場巖體工程失穩(wěn)破壞進行預警。

3 結 論

（1）對室內巖石試樣進行聲發(fā)射特征研究時，關注的適宜頻率范圍為10~300 kHz。

（2）巖體破壞過程的不同階段，產生聲發(fā)射的幅值及頻率有一定變化。高幅值對應的頻率值因與監(jiān)測設備及傳感器的參數(shù)頻率有關，利用處理的無量綱參數(shù)更具有可比性及應用性。

（3）不同力源導致破壞機制不同，產生的聲發(fā)射事件包含的頻率成分不同。小尺度的微破裂產生高頻低幅值的聲發(fā)射，大尺度的破裂聲發(fā)射幅值增大，頻率降低且范圍增大。

（4）研究對象的尺寸效應及聲發(fā)射傳播的衰減理論是室內試驗應用于現(xiàn)場的理論基礎。據(jù)此，下一步可以研究將試驗室聲發(fā)射頻率特征的研究成果應用于現(xiàn)場巖體的失穩(wěn)預測。