劉城成,王創(chuàng)業(yè),韓天宇,游茹,隋青瑞

(內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)與煤炭學(xué)院,內(nèi)蒙古 包頭 014010)

巖石內(nèi)部微裂紋受力的作用下閉合、擴(kuò)展貫通過程中以瞬態(tài)彈性波釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象叫做巖石的聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)[1].聲發(fā)射信號(hào)由材料內(nèi)部微缺陷本身產(chǎn)生,每一個(gè)聲發(fā)射信號(hào)都反映了材料內(nèi)部微缺陷的動(dòng)態(tài)發(fā)展信息[2].

張艷博等[3]發(fā)現(xiàn)室內(nèi)巖石破壞試驗(yàn)與工程現(xiàn)場巖爆現(xiàn)象具有一致性;何滿潮等[4]認(rèn)為聲發(fā)射主頻的復(fù)雜組成成分與巖石裂紋的破裂模式相關(guān);趙奎等[5]采用聲發(fā)射信號(hào)的頻域信息表征巖石內(nèi)部裂紋演化特征;龔囪等[6]記錄巖石破壞過程中不同的主頻特征;王創(chuàng)業(yè)等[7]研究了石灰?guī)r、砂巖與類巖石在單軸壓縮條件下的力學(xué)特征及聲發(fā)射特性;高臻煒等[8]開展了含貫通節(jié)理的細(xì)砂巖單軸模擬試驗(yàn),研究了貫通節(jié)理的傾角、粗糙度對(duì)巖石破壞模式的影響.在單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)研究不斷完善推進(jìn)的同時(shí),以石灰?guī)r為研究對(duì)象的聲發(fā)射波形分析補(bǔ)充了聲發(fā)射方向研究對(duì)象和研究方法上的缺失,對(duì)巖土工程的安全建設(shè)具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義.

以內(nèi)蒙古烏海石灰?guī)r為試驗(yàn)對(duì)象,進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn),采用主頻時(shí)頻域波形分析,研究和探尋石灰?guī)r破裂失穩(wěn)前兆.

1 試驗(yàn)過程

1.1 試驗(yàn)試件

石灰?guī)r試件產(chǎn)地取自內(nèi)蒙古烏海卡布其礦區(qū),按照國際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)試驗(yàn)規(guī)程將石灰?guī)r加工成Φ50 mm×H100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件.測量記錄每塊石灰?guī)r試件的質(zhì)量及其尺寸對(duì)其按測量順序進(jìn)行編號(hào),分別為Shy01～05,試件具體物理力學(xué)參數(shù)匯總至表1.

表1 石灰?guī)r試件物理力學(xué)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

巖石加載系統(tǒng)采用微機(jī)控制電液伺服巖石壓力試驗(yàn)機(jī)(SAS-2000,長春新科)和多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)(SAEU2S,北京聲華)進(jìn)行巖石試樣單軸壓縮實(shí)驗(yàn);在力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行過程中同步采集與分析聲發(fā)射特征參數(shù).試驗(yàn)采用軸向等位移控制方式,以0.05 mm·min-1的加載速率進(jìn)行加載,直至試件發(fā)生破壞.試驗(yàn)中聲發(fā)射的采樣頻率為1 000 kHz,波形門限、參數(shù)門限、前放增益均設(shè)置為40 dB.試驗(yàn)設(shè)備見圖1.

圖1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)開始后,同步運(yùn)行伺服加載系統(tǒng)、聲發(fā)射信號(hào)采集系統(tǒng),同時(shí)記錄加載過程中的應(yīng)力、應(yīng)變及聲發(fā)射信號(hào)的相關(guān)參數(shù).

2 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

通過石灰?guī)r試件在單軸壓縮試驗(yàn)的表現(xiàn),從聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)時(shí)間、石灰?guī)r表面動(dòng)態(tài)破壞、破壞面特征等方面進(jìn)行分析.5個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果基本劃分為2類,主要分析具有典型脆性巖爆試件Shy03和相對(duì)塑性延時(shí)破壞失穩(wěn)的試件Shy05.通過試驗(yàn)后試件的破壞形態(tài)見圖2及時(shí)間應(yīng)力曲線見圖3,分析2個(gè)試件的破壞面特征及其破壞模式.

圖2 試件破壞形態(tài)(a)Shy03試件;(b)Shy05試件

圖3 試件時(shí)間應(yīng)力曲線

結(jié)合圖2,3可知:在加載初期階段,Shy03經(jīng)歷了一個(gè)較短的壓密階段,試件表面保持完整.試件加載1 845 s后,當(dāng)應(yīng)力接近峰值載荷53 MPa時(shí),石灰?guī)r破裂失穩(wěn),試件側(cè)面出現(xiàn)明顯宏觀裂紋,石灰?guī)r碎片從巖體表面拋射出來,伴隨著巨大的爆破聲,呈現(xiàn)典型脆性破壞特征.Shy03試件最終破壞面形貌如圖3(a)所示,存在大量剪切裂隙和劈裂裂隙.此外,石灰?guī)r碎塊較大,整個(gè)石灰?guī)r剝落,表明試件Shy03經(jīng)歷了劇烈的巖爆,整體失穩(wěn)破壞持續(xù)時(shí)間較短,能量釋放速度較快.

在加載初期,試件Shy05的特性與試件Shy03相似.當(dāng)試件加載1 088 s,應(yīng)力接近峰值載荷81 MPa時(shí),石灰?guī)r試件表面出現(xiàn)輕微的石灰?guī)r破碎剝落,巖屑從剝落區(qū)滑出,表明試件處于破裂初期.隨著載荷的不斷增加,混合著巖塵的石灰?guī)r碎片從試件表面噴射出來,試件表面出現(xiàn)明顯的裂紋.隨著加載持續(xù)1 408 s,噴射出少量巖屑,伴隨著響亮的爆裂聲,試件表面形成宏觀裂紋,試件完全破裂失穩(wěn).從石灰?guī)r開始破裂到完全失穩(wěn),歷時(shí)320 s,軸向應(yīng)力降至27 MPa.從最終破壞面形貌圖2(b)可以看出,試件破壞模式有典型塑性變形特征,軸向剪切裂隙貫通,使整個(gè)巖體破裂失穩(wěn).

3 聲發(fā)射主頻頻域特征

相比于聲發(fā)射的參數(shù)分析,聲發(fā)射主頻能夠更全面直觀地反映聲發(fā)射源信息.對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行主頻特征分析更有助于獲得更多的石灰?guī)r斷裂信息.

3.1 聲發(fā)射信號(hào)的主頻提取方法

聲發(fā)射頻譜分析能有效反映聲發(fā)射源的損傷特征,通常需要快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)將聲發(fā)射波形信號(hào)從時(shí)域轉(zhuǎn)換到頻域[9].其中FFT轉(zhuǎn)換公式為:

(1)

式中:x(t)為原信號(hào)時(shí)間域,kHz;X(f)為原信號(hào)頻率域,mV.

利用Matlab搭建的主頻分析提取處理平臺(tái),采用FFT頻譜分析方法獲得二維頻譜,如圖4所示.并將其幅值最高點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率定義為聲發(fā)射主頻.

圖4 聲發(fā)射信號(hào)頻譜特征圖(a)頻譜圖;(b)原始波形

3.2 聲發(fā)射信號(hào)頻域特征演化分析

聲發(fā)射頻域信號(hào)中包含著大量巖石變形破壞過程中的內(nèi)部裂紋斷裂演化信息.聲發(fā)射的能量能反映了巖石內(nèi)部裂紋產(chǎn)生或擴(kuò)展時(shí)所釋放的彈性能.為了研究單軸壓縮條件下石灰?guī)r試件在變形破壞過程中的聲發(fā)射信號(hào)主頻和能量的變化特征,對(duì)采集到的聲發(fā)射主頻信號(hào)進(jìn)行處理,并繪制如圖5所示的聲發(fā)射信號(hào)主頻、軸向應(yīng)力、聲發(fā)射累積能量與時(shí)間之間關(guān)系曲線.

圖5 聲發(fā)射信號(hào)主頻、軸向應(yīng)力與時(shí)間之間的關(guān)系曲線(a)Shy03試件;(b)Shy05試件

通過分析圖5可知,聲發(fā)射主頻的分布可分為3個(gè)頻帶:低(0～75 kHz)、中(75～125 kHz)和高(≥125 kHz)頻段.對(duì)所有聲發(fā)射頻率的分析表明,試件的主頻具有相似的演化模式.在加載初期,中頻段信號(hào)較少.早期中頻段信號(hào)的密度明顯低于高頻和低頻信號(hào)的密度如圖5(a).隨著軸向壓力的增大,破裂前夕中頻段信號(hào)激增,伴隨著石灰?guī)r內(nèi)部聲發(fā)射能量增大,對(duì)應(yīng)試件即將達(dá)到峰值應(yīng)力也是破裂失穩(wěn)的前兆.在石灰?guī)r破壞失穩(wěn)過程中頻域信號(hào)隨破壞階段有明顯變化,其中中頻信號(hào)的差異最為明顯.所選試件中Shy05的中頻信號(hào)密度一直較高,試件Shy03的中頻信號(hào)密度在試件破壞前夕密集出現(xiàn),伴隨聲發(fā)射能量的激增,脆性破壞的現(xiàn)象更為明顯,易出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象.石灰?guī)r破壞前中頻段主頻明顯增加,此結(jié)果可作為石灰?guī)r破裂失穩(wěn)發(fā)生的具體特征指標(biāo).

4 聲發(fā)射主頻頻譜特征

石灰?guī)r破裂過程中不同模式聲發(fā)射信號(hào)演化規(guī)律根據(jù)石灰?guī)r破裂模式和聲發(fā)射特征(能量、幅值和主頻)的關(guān)系分析,可知石灰?guī)r聲發(fā)射主頻信號(hào)幅值與石灰?guī)r破裂模式:高頻高幅值、高頻低幅值、低頻高幅值、低頻低幅值,分別對(duì)應(yīng)小尺度高能量破壞、小尺度低能量破壞、大尺度高能量破壞、大尺度低能量破壞[10].主頻幅值與聲發(fā)射能量成正比,而聲發(fā)射能量與石灰?guī)r中裂隙大小呈正相關(guān).換言之,試件脆性破壞現(xiàn)象越嚴(yán)重,聲發(fā)射幅值越高.

結(jié)合圖6可以看出,石灰?guī)r聲發(fā)射低幅值信號(hào)分布在低、中、高頻帶,而高幅值信號(hào)集中在低頻帶.試件Shy03的主頻呈現(xiàn)以15～75 kHz為主的低頻低幅值單峰狀,對(duì)應(yīng)破壞模式單一,以脆性剪切破壞為主.試件Shy05主頻幅值向雙峰轉(zhuǎn)變,主峰頻率在44.43 kHz幅值為1 692 mV,次主峰頻率在23.44 kHz幅值為1 652 mV對(duì)應(yīng)破壞模式復(fù)雜,塑性破壞特征明顯.

圖6 聲發(fā)射信號(hào)主頻、幅值散點(diǎn)圖(a)Shy03試件;(b)Shy05試件

以上分析表明:主頻的頻率與破壞模式呈現(xiàn)變化規(guī)律.高頻值信號(hào)反映了石灰?guī)r裂隙的活動(dòng)強(qiáng)度,高頻值信號(hào)反映了石灰?guī)r內(nèi)部微裂隙的萌生擴(kuò)展,低頻值則顯示石灰?guī)r存在較大的宏觀裂縫.主頻幅值在石灰?guī)r破裂強(qiáng)度中整體呈增加趨勢,說明石灰?guī)r中裂紋擴(kuò)展能量釋放加劇,聲發(fā)射頻譜的峰值形狀也向低頻單峰轉(zhuǎn)變,可作為石灰?guī)r破裂失穩(wěn)脆性破壞的前兆.

5 結(jié)論

1)在單軸壓縮試驗(yàn)中,石灰?guī)r聲發(fā)射波形主要集中在15～75 kHz頻帶和125～175 kHz頻帶.

2)在觀測到的聲發(fā)射事件中,最高振幅總是與低主頻率相關(guān)對(duì)應(yīng)高能量大尺度的破壞.

3)可將石灰?guī)r破裂前夕聲發(fā)射中頻信號(hào)明顯增加,且?guī)r爆現(xiàn)象在聲發(fā)射主頻幅值處在單峰時(shí)更為劇烈作為石灰?guī)r破壞前夕過程中主頻的演化特征.