巖石蠕變聲發射特性研究現狀與展望

旺扎多吉

（中國地質調查局應用地質研究中心，西藏拉薩 850014）

0 引言

巖石的蠕變性和巖土工程的穩定性及安全緊密性息息相關。蠕變與應力松弛則在巖石的流變李學忠占據了重要的內容。巖石蠕變性通常是在特定的荷載狀況之下，巖石發生形變，并且伴隨時間的延長而不斷地變大。巖石流變效應中對于巖石蠕變對應的分析研究，在巖石力學的相關理論及詳細工程的中擁有十分深遠的意義。

材料受到力的作用進而發生形變與斷裂的情況，通過彈性波的形式將應變能釋放出來的情況極為聲發射。當巖石發生蠕變的情況下，因為聲發射的相關檢測技術而出現斷續、實時對巖石所受力的影響而被破壞，巖石中的微裂紋就會逐步形成并拓展，并且也會根據巖石受力遭到破壞，進而巖石內的裂紋會不斷演化，通過定性或是定量的分析，并且精準定位巖石被破壞的位置，所以聲發射檢測與其他的檢測方式具有一定的優勢。

現在相關的研究者通過聲發射技術實現對巖石所受破壞進行檢測，在目前來看國內外的相關研究者大多是針對常規加載狀態下巖體力學性質相關的聲發射試驗，還有就是巖石蠕變過程的聲發射試驗分析。本文就主要分析了巖石蠕變聲發射特性進行了深入研究，分析了當前的研究先狀，并對未來的發展進行預測與分析。為國內巖石蠕變的特性進行了深入分析與研究。

1 基本理論

1.1 巖石蠕變定義

巖石蠕變主要指的是在溫度與應力一定的狀況之下，巖石會發生形變，并且伴隨時間的增加也會實現相應的增長情況，也就是我們常說的巖石徐變。

1.2 巖石蠕變影響特性

①應力。在應力較小時，蠕變速率相對較慢，并且會逐步發展到穩定的程度。反之，應力比較大的時候，蠕變速度也會不斷增大，并且發生蠕變的速率不斷增發，并產生破壞。簡而言之就是蠕變速率通常會和應力相應的冪函數成比例關系。②溫度。伴隨巖石所處的溫度越高，蠕變就會產生更大的變形。隨著溫度的降低，蠕變基本上與時間對數、應力及溫度之間成比例關系。也就是巖石的蠕變、溫度之間存在正相關性。③加載速率。所受應力一定時，蠕變變形會伴隨加載速率的減小逐漸增大，也就是兩者之間是反比關系。除此之外，巖石的蠕變性還和所處濕度具有一定的關系。

在工程中巖石的蠕變規律經常使用的力學模型，并且有多種模型。處于中等水平及一般溫度狀態下，可以使用鮑格斯四元件模型分析蠕變的具體特性。

1.3 聲發射信號特征和系統參數

聲發射信號主要通過相應的試驗儀器采集并形成的基本信號參數后，通過相應的處理時間列的數據。通過后處理的聲發射信號可以當做時間列做出相應的計算及分析，經過采用空間的基函數把復雜的離散使用數據通過連學的函數空間基函數重新組合的一種表現形式。

聲發射的型號特征擦書通常指的是在基本參數序列內提出聲發射的相關波性特征，按照設定的值電壓定義或是構造的聲發射信號的特征參量，各類信號特征對應不同的物理屬性聲波。當聲發射信號傳播到對應的試樣外部后，壓電效應就會把聲波轉化成相應的電信號。

通常幅值、事件、振鈴計數、持續時間還有上升時間等相關的信號參數形成了一次完整的聲發射信號。按照相應的裝機全波形和對應的值電壓之間的關聯，對聲發射信號參數進行定義，波形信號在采集過程中大多是使用的時間—電壓序列形式反應的。利用放大倍數的差異，形成離散時間序列波形，通過相應的處理之后，實現幅值、振鈴計數、持續時間、事件還有上升時間當做信號參數。

2 巖石蠕變聲發射特性研究現狀

2.1 巖性對巖石蠕變聲發射特性影響研究

有學者針對花崗巖與大理石制造的巖石樣做相應的單軸壓縮蠕變聲發射的試驗，按照聲發射參數的變化，反映出兩類巖樣成分的差異造成差異化的形變破壞與形狀及差異化的聲發射數據特性[1]。

有學者針對輝長巖與大理巖的完整巖石樣本做單軸壓縮蠕變的聲發射試驗，對兩類巖石的蠕變經歷的三階段蠕變聲發射活動進行記錄分析，研究不同的變化特征[2]。

有學者用深部灰巖做單軸壓縮蠕變聲發射試驗，蠕變的過程，聲發射惠東可以及時將蠕變的各個階段產生的形變特征進行有效反映。對巖石內部的細裂紋的產生及不斷擴展、宏觀裂紋的貫通可以進行及時檢測與反映[3]。

有學者在研究中采用砂巖試樣做單軸蠕變試驗，通過分級儋州加載及循環加載兩大形式，對巖樣在不同的加載形式下的力學與聲發射特點進行研究[4]。分析了分級加載、分級加卸載兩類形式之下，聲發射參數的變化情況。通過試驗了解到在不同的應力水平下，巖樣的蠕變過程中聲發射參數的變化相對一致，但是在最后一級應力狀態下，分級加載的蠕變階段聲發射參數基本無變化，并且基本保持平穩狀態，加速蠕變的階段聲發射參數會突然增加，但是在不同的分級卸載狀況下，直至加速蠕變階段的聲發射參數就會冥想增加，但是在分級加載狀態下，進入到了加速蠕變的階段聲發射參數會進入短暫的突然加速期，隨后會逐漸趨向穩定與平穩，相應的聲發射參數也會驟增。

2.2 巖石蠕變破壞過程聲發射特征研究

有學者對兩種完整巖樣做單軸壓縮蠕變破壞聲發射試驗。對相應的三種蠕變階段的情況進行觀察，最終了解到巖樣的差異性在不同的階段相應的信號強度、參數值存在一定的變化規律[5]。

有學者用砂巖通過分級循環卸載過程下做蠕變聲發射試驗。對巖石試樣產生的蠕變過程做了詳細分析，了解到不同的應力狀態下，聲發射主頻率伴隨應力的增大不斷加寬，在循環過程中都存在次主頻的情況。

有學者對不同應力水平下大理石蠕變損傷聲發射特性開展了研究，定性分析了在不同的蠕變應力作用下，巖體承載能力、聲發射數據以及巖體裂紋的變化規律。另外對紅砂巖開展了短時蠕變聲發射試驗研究。分析了巖樣在不同蠕變階段、不同應力水平下聲發射活動特征。指出可以根據不同應力水平下的聲發射特征來辨別紅砂巖具體處于哪一個蠕變階段。

2.3 蠕變一沖擊條件下巖石的力學行為

針對蠕變中的巖石，經過想爆破累的沖擊之下，巖石受到損傷、變形及破壞過程就會受到蠕變及沖擊兩種應變率的影響。高延法教授首次提出了巖石的流變擾動效應，其反映出來巖石經過動態擾動產生蠕變力學的相關影響規律。教師進一步提出在神經狀態下，軟巖類巷道存在強流變情況，十分容易受到外部開采類活動的影響，導致流變情況加速，重點指出了研究動態擾動影響巖石流變特性，并且認為巖石具有強度的極限領域，也就是在巖石遭受相應的應力影響的狀態下，其流變特性的嚴重必要性，通過外力作用巖石出現蠕變情況，并且當應力達到極限鄰域值時，受到外部動態干擾的情況之下并不會發生所述的蠕變情況。

2.4 蠕變一沖擊載荷下圍巖的變形特征

對于深部高應力狀況，硬巖也反映出了明顯的蠕變特性。根據相應的檢測研究分析了解到在某礦開此案過程中巷道經過連續收斂變形，并且在一定的時間效應之下，因為受到開采面的前方遭受破裂帶的移動導致的。而且隨著開采速度的不斷增大與時間的積累，破裂帶的遷移速度也在不斷增大，但是小于開采速度，在穩定狀態下減少釋放的能量，進而增加巖石的爆破發生率。對每日微震活動進行檢測與分析，發現其分布規律，指出通常在爆破過程中或爆破之后的短時間中存在頻繁的微震活動，不過在爆破后的幾天時間內依舊也會出現微震活動，這體現了巖石破壞過程存在時間效應。 STEWAR 與SPOTTIS -WOODE 統計了Blyvooruitzicht 金礦爆破后1h 內的微震事件累積數與時間的關系，發現微震事件累積數隨時間變化表現出明顯3 階段趨勢，即對應于爆破事件的初始陡峭的線性階段，微震事件累積率與時間成反比的第2 階段，以及微震事件累積率最低的第3 階段。MALAN 對采礦過程中的爆破活動與采場變形的規律進行了監測。在爆破之后，采場的收斂變形在瞬間就會增大，隨后的一段時間內進入五小時的減速變形期，并轉入穩定變形期。這也反映了硬巖變形周期和爆破外界干擾性為之間存在一定的聯系。綜上所述，很多的變形多數是在爆破工作之后的5 小時內形成的，但是每次在爆破完成后的采場會反復出現這一情況。

2.5 應力水平對巖石蠕變聲發射特性影響研究

對大理巖試樣進行單軸壓縮蠕變聲發射試驗，研究表明隨著應力水平的增加，試樣聲發射信號的頻譜（頻域）有明顯的變化規律，聲發射信號主頻由低頻帶向高頻帶轉移，主頻幅值總體呈下降趨勢，次主頻現象經歷從無到有的變化過程，逐漸發展成為主頻。

有材料顯示對煤巖進行單軸壓縮蠕變聲發射試驗，研究表明隨著應力水平的增加，當加載應力沒有達到蠕變的應力值，試樣不會產生明顯的蠕變變形；當應力水平超過值，則會發生明顯的蠕變變形。在減速、等速、加速不同蠕變階段，聲發射活動呈現逐漸增強一趨于平穩一顯著增強的變化特征。

有資料顯示針對紅砂巖作為研究對象，分析了單軸壓縮后紅砂巖出現蠕變的聲發射試驗，對各種應力狀態下及蠕變情況下的巖石變哈進行分析，聲發射事件率與能率之間的變化關系。最終試驗結果反映出應力的不斷增加，聲發射事件率及能率會出現小幅度的下降。對于減速蠕變或者等速蠕變的情況，伴隨時間的積累，聲發射事件率和能率就會不斷減小。在蠕變速度較快的情況下，聲發射事件率及能率的值也會明顯增大。巖石材料在不同的應力加載情況之下，反映出一定的變形記憶狀況，如果巖石所承受的荷載高于或者低于上次的荷載數時就會發生聲發射情況，被稱作Kaiser效應；加入巖樣遭受的荷載比前一次的最大荷載大的話，也會伴隨明顯的聲發射事件，這就是Felicity 效應。

2.6 巖石蠕變損傷聲發射特性

巖石是通過長時間的成巖與構造運動的地質體，存在明顯的微觀與宏觀的缺陷，巖石工程的變形破壞不止和構造力、工程地質環境息息相關，還與其所遭受的外力等方面的影響與巖石結構面的控制有關。與此同時，很多巖石工程并不只是在開始后才出現的破壞失穩等情況，而是受到工程活動的影響，驗收經過應力的重分布、地質、水文環境等情況的不斷惡化使巖石變形跟隨時間的不斷積累形成蠕變與發展過程，從而發生宏觀破裂。巖石破壞失穩屬于一種漸進性破壞過程，巖石材料伴隨地質、水文及應力環境的不斷改變逐步積累，并發生變化，也就是我們常說的損傷。聲發射的生產和材料內容不得缺陷積累及發展息息相關，也是材料在變形破壞時的一種有效演化手段。

根據相關的試驗研究了解到通過控制不同而便利，如循環加載、卸載及蠕變過程中產生的變形與彈性作分析，使用粒子群優化算法，開展蠕變模型分析。按照晟發射的不同參數變化情況，即事件數、能量和振鈴計數。還有參數的積累，伏各類蠕變聲發射的特征進行研究與分析，重點分析蠕變階段的聲發射參數變化情況，總結相應的變化規律和不同應力水平狀態下的發射特性。使用特定的變量控制，對不同水平下的應力形成的蠕變聲發射特性，也即是進一步驗證不同的應力水平狀態下蠕變聲發射模型。

3 研究展望

綜上所述，全球研究學者專家針對淹蠕變聲發射特性進行了綜合性的研究分析，設計方面較多，獲得了更多的研究成果，進一步反映了巖石變形破壞機理具有重要的推動意義。在未來的研究中可以重點關注這些方面：①聲發射技術作為研究基礎，可以配合紅外輻射、電磁輻射及核磁共振、CT 技術方式，進行巖石蠕變聲發射的相關研究，最終分析出巖石變形破壞的機制。②巖質工程大多數情況是在溫度、應力及滲流場，進行多種合作狀態下巖石蠕變聲發射特性的相關研究工作，能夠進一步對巖石力學在復雜條件下的研究分析。③巖質工程中具有節理、斷層、裂縫等不連續的結構層，但是結構層會明顯影響到巖石的變形破壞。所以進行包含節理與裂縫相應的巖石蠕變聲發射特性分析，可以深入分析巖石的蠕變重要內容。因為巖石的離散型及非均勻、各向異性、受力狀態相對復雜的情況，當前對巖石蠕變聲發射研究中還有很多不足指出。在未來的科技發展過程中可以不斷完善，并做進一步研究分析，促進巖石蠕變聲發射特征的深入發展。