兩類巖石壓裂條件下的聲發(fā)射信號時域特征研究

摘要：本文對砂巖和花崗巖兩類巖石樣本分別進行了巖石單軸壓裂條件下的聲發(fā)射信號的觀測試驗。通過統(tǒng)計分析，研究了兩類巖石樣本的聲發(fā)射信號的時域特性。研究結(jié)果表明：砂巖和花崗巖的聲發(fā)射信號的時域特征都具有三個階段的模式。但由于巖性的不同，兩類巖石的聲發(fā)射信號產(chǎn)生的三個階段壓力特性和階段的組合結(jié)構(gòu)具有很大的差異。因此，在建立聲發(fā)射信號與監(jiān)測工程巖體失穩(wěn)的識別模式中，巖性也是重要的因素。

關(guān)鍵詞：聲發(fā)射;砂巖;花崗巖

An approach to the time characteristics of acoustic emission singles of two type of rocks under uniaxial compression loading

Abstract：In the paper，the experiments are performed for the acquisition of" acoustic emission singles from the sandstone and granite samples under the uniaxial compression loading and the time characteristics of the acoustic emission data of the two types of the rocks are analyzed statistically. The results shows that acoustic emission singles of the sandstone and granite are all of the modes of the three stages，and" the features of pressure and" combination of the three stages are various with the various lithology，which shows that the lithology is also one of the important factors in the recognization mode of rock mass failure" by" acoustic emission singles.

Key words：acoustic emission;sandstone;granite

1.引言

我國的聲發(fā)射技術(shù)研究起步較晚，在60年代末70年代初才開始這方面的工作。秦四清、李造鼎^[1][2][3]等對巖石的聲發(fā)射進行了大量的研究，包括巖石的Kaiser效應(yīng)、巖石聲發(fā)射的空間分形特征以及巖斷裂過程中的聲發(fā)射特征，從理論上導(dǎo)出了巖石聲發(fā)射的力學(xué)模型，以及巖石聲發(fā)射振鈴數(shù)與應(yīng)力強度因子的關(guān)系，并將它們分別應(yīng)用于巖石的地應(yīng)力測量和巖石開裂點的判斷上，提高了地應(yīng)力和巖石斷裂韌度的測量精度^[4]。張暉暉等人通過三軸應(yīng)力條件下大尺度巖石損傷破壞聲發(fā)射試驗，得到了3類不同巖石破壞全過程力學(xué)特征和聲發(fā)射特征。并得出結(jié)論巖石的破壞類型主要為脆性破壞，巖石在加載過程中有明顯的能量加速釋放現(xiàn)象^[5]。康志強等人進行了巖石受壓破裂過程應(yīng)力應(yīng)變及聲發(fā)射特性研究，得到巖樣在試驗載荷達到峰值前聲發(fā)射率與聲發(fā)射能量參數(shù)成正比關(guān)系，達到峰值后應(yīng)力大小與聲發(fā)射率和聲發(fā)射的能量參數(shù)不成正比關(guān)系的結(jié)論^[6]。

隧道施工過程中的監(jiān)控量測和監(jiān)測是保證施工人員的生命安全以及工程的順利進行的重要保證。基于聲發(fā)射技術(shù)的工程安全監(jiān)測方法具有無損、實時等特征。因此，本文以隧道開挖過程中常見的砂巖和花崗巖為樣本，研究了兩類巖石的聲發(fā)射信號時域特性，分析了勻速加載壓力條件下，巖石受力破壞特點和聲發(fā)射信號特性之間的對應(yīng)模式，旨在為發(fā)展聲發(fā)射技術(shù)在隧道施工程中的安全監(jiān)測應(yīng)用方法奠定應(yīng)用理論基礎(chǔ)。

2.試驗介紹

（1）試驗系統(tǒng)

聲發(fā)射信號是由于物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化從而釋放出的應(yīng)力能，信號弱，成分復(fù)雜，突發(fā)性強，及時的準確的捕捉聲發(fā)射信號是我們所設(shè)計的系統(tǒng)的主要目標，本論文所使用的是基于LabView的聲發(fā)射采集和處理系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由設(shè)備硬件子系統(tǒng)和驅(qū)動軟件子系統(tǒng)兩部分構(gòu)成。

1）設(shè)備硬件子系統(tǒng)

本論文試驗所用的硬件設(shè)備主要有：壓力試驗機、數(shù)字式測力儀、多道數(shù)據(jù)采集板卡、超生波傳感器。聲發(fā)射采集試驗系統(tǒng)的工作原理圖如圖1 所示。

2）驅(qū)動軟件子系統(tǒng)

試驗所用軟件是基于LabVIEW語言編寫的虛擬儀器軟件。主要有數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理軟件兩部分。采集軟件可以在巖石單軸壓縮條件下對聲發(fā)射信號進行實時數(shù)值采集并存儲。處理軟件的功能主要有：文件讀取、濾波、數(shù)據(jù)的時域分析、數(shù)據(jù)的頻域分析、處理結(jié)果的保存和顯示。

圖1 聲發(fā)射采集試驗系統(tǒng)工作原理圖

（2）試驗方案

本試驗?zāi)康脑谟谔骄吭趩屋S壓裂條件下砂巖和花崗巖兩類樣本的聲發(fā)射信號的特征，實驗方案主要包括壓裂巖石樣本選取和壓裂加載速率。綜合考慮實驗結(jié)果的代表性和實驗的工作量， 選取巖性均勻的砂巖和花崗巖塊，每類巖塊分別切割選取了5個試驗樣本。巖石單軸壓裂試驗采用2.5 KN/s的勻速加載，采用2只48KHz的超聲換能器同步采集巖石聲壓裂過程中的發(fā)射信號。試驗方案設(shè)計見表如下：

表1" 試驗方案

組別

巖石類別

樣本尺寸

加載速率（KN/s）

樣本個數(shù)

A組

砂巖

10cm×10cm×10cm立方體

2.5

5

B組

花崗巖

10cm×10cm×10cm立方體

2.5

5

（3）試驗步驟

1）準備試驗材料

2）連接并調(diào)試觀測儀器。觀測儀器的連接如下：將信號采集板卡插入計算機的標準總線擴展槽內(nèi)，兩支換能器分別連接板卡的兩個采集通道，采集板卡和換能器之間通過接線盒連接。由計算機控制的設(shè)計的軟件控制采集板卡的采集功能。計算機、采集板卡以及接線盒完全接地。

3）固定換能器。用固定器將兩個換能器分別固定在試驗樣本塊的兩個相對的表面，以凡士林涂作為換能器與試塊相接觸表面的偶合劑。

4）試塊固定。將試塊置于壓力區(qū)正中位置，固定壓力機上下兩葉，打開壓力機開關(guān)，準備加壓。

5）同時啟動單軸壓裂試驗和聲發(fā)射采集試驗。以恒定加載速率加壓，開始巖石單軸壓裂試驗，同步啟動采集軟件，實時地采集聲發(fā)射信號并存儲，與此同時密切觀察試驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象并及時記錄。

圖2" 試驗現(xiàn)場照片

3.聲發(fā)射信號時域特征分析

時域分析主要分析巖石試件在勻速加載壓力直至破壞的時間范圍內(nèi)，聲發(fā)射信號出現(xiàn)的頻數(shù)和振幅強度的變化特征，建立巖石受力破壞特點和聲發(fā)射信號特性之間的對應(yīng)模式。

1）背景干擾噪聲的分析

由于實驗中壓力機等機械設(shè)備運行時存在強大的聲噪聲背景，對試驗的背景干擾噪聲進行分析，是正確分析聲發(fā)射信號特性的重要基礎(chǔ)。圖3是在所有實驗設(shè)備正常運行，但未加載巖石試件條件下測量記錄的背景干擾噪聲的時間記錄波形圖。通過對時間記錄波形圖統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)背景干擾噪聲的振幅幅值分布在2mv-3mv之間。

圖3" 背景干擾噪聲波形圖

2）兩類巖石樣本聲發(fā)射信號時域分析

（1）砂巖樣本聲發(fā)射信號時域分析。試驗發(fā)現(xiàn)，各個砂巖樣本的時域分布規(guī)律基本一致，不失一般性，圖4中顯示了1號砂巖樣本在勻速加載壓力直至破壞的時間記錄波形圖。圖中記錄以每15s為一間隔連續(xù)顯示。以15s時間為單位，并以背景噪聲干擾振幅為2.5mv，對所有5個有砂巖樣本的聲發(fā)射事件進行了時域振幅分析，分別統(tǒng)計振幅大于2倍、3倍、4倍、5倍、10倍背景噪聲干擾振幅的聲發(fā)射事件數(shù)。圖5 為統(tǒng)計的各級別幅值的事件數(shù)隨壓力增大的變化趨勢以及各級別幅值的聲發(fā)射事件占各壓力段信號總數(shù)的比例規(guī)律圖。圖中左邊縱坐標為聲發(fā)射事件個數(shù)，右邊縱坐標為試驗時加載壓力，橫坐標代表試驗的時間，以秒為單位。圖中不同顏色的直方形表示各級幅值的聲發(fā)射信號事件數(shù)。從圖中可以得出以下結(jié)論：

a.從整個試驗過程來看，砂巖聲發(fā)射活動較為活躍的階段共有三個，對應(yīng)壓力范圍為37KN-150KN、260KN-290KN和290KN-330KN。我們將這三個階段稱為加載初期、加載中期、加載后期。

b. 在上述三個聲發(fā)射活動較活躍時期內(nèi)，加載后期的聲發(fā)射事件數(shù)最多，幅值也最大，其聲發(fā)射活動也最為強烈。

c. 隨著聲發(fā)射事件幅值的增大，其所占各時間段聲發(fā)射事件比例減小。幅值大于2倍、3倍、4倍、5倍、10倍背景干擾幅值的事件數(shù)占各段總事件數(shù)比例范圍分別為0.4-0.6、0.25-0.33、0.07-0.16、0.04-0.13、0.01-0.07。

圖4" 1號砂巖樣本聲發(fā)射信號的時間記錄波形圖

圖5" 全部砂巖樣本各級幅值聲發(fā)射事件數(shù)統(tǒng)計圖

同樣地，不失一般性，取其中1號花崗巖樣本為例其原始波形圖如下：

圖6 1號花崗巖樣本聲發(fā)射信號時間記錄波形圖

（2）花崗巖樣本聲發(fā)射信號時域分析。圖6為 1號花崗巖樣本在勻速加載壓力直至破壞的時間記錄波形圖。類似的，通過對所有花崗巖樣本的聲發(fā)射事件數(shù)進行統(tǒng)計，做出各級別幅值的事件數(shù)隨壓力變化趨勢以及各級別幅值的聲發(fā)射事件占各壓力段信號總數(shù)的比例規(guī)律圖（圖7）

圖7 全部花崗巖樣本各級幅值聲發(fā)射事件統(tǒng)計圖

分析研究圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，在勻速加載壓力條件下，花崗巖聲發(fā)射事件數(shù)和事件強度都遠遠大于砂巖的聲發(fā)射事件數(shù)和事件強度，但也存在與砂巖的聲發(fā)射事件類似特征：

a.花崗巖聲發(fā)射事件數(shù)較多的時期也可分為加載初期、加載中期、加

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載后期三個階段：0-150KN、260KN-485KN、600KN-670KN階段。

b. 在上述三個聲發(fā)射活動較活躍時期內(nèi)，加載后期的聲發(fā)射事件數(shù)最多，幅值也最大，既聲發(fā)射活動也最為強烈。

c.聲發(fā)射信號幅值越大，其事件數(shù)占同時間段聲發(fā)射事件總數(shù)的比例越小。幅值大于2倍、3倍、4倍、5倍、10倍背景干擾幅值的事件數(shù)占各時間段段事件數(shù)比例變化范圍分別為：0.35-0.75、0.18-0.26、0.06-0.18、0.04-0.15、0.01-0.08。

由于聲發(fā)射信號是試件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)的變化所釋放的以應(yīng)力波為形式的能量。聲發(fā)射信號的幅值大小與信號的能量的成正比，幅值大能量則大，幅值小能量則小，三個聲發(fā)射信號主要階段也就是三個主要的能量釋放階段。因此我們可以基于能量的觀點解釋兩類巖石樣本的三個聲發(fā)射事件集中階段現(xiàn)象：在加載的初期，小能量的聲發(fā)射信號所占比例較大，大能量的信號所占比例較小，說明試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有變化但是很微小，在此階段，試件內(nèi)部本身的微小裂隙被壓密，試件從高能量狀態(tài)過度到低能量狀態(tài)，因此才有聲發(fā)射信號的產(chǎn)生，但是因為結(jié)構(gòu)變化較小，因此所釋放的能量也較小。第二個階段，也就是加載中期階段，聲發(fā)射信號事件數(shù)很少且絕大部分幅值較小，釋放的能量也很小，可以視作試件處在彈性壓密階段，狀態(tài)穩(wěn)定，裂隙發(fā)育不強烈。第三階段，也就是加載后期，聲發(fā)射事件數(shù)急劇增多，且幅值較大的聲發(fā)射事件所占比例也逐漸增大，幅值較小的事件比例逐漸減小，因此能量釋放也較猛烈。此時試件內(nèi)部裂隙發(fā)育強烈，在試驗過程中也可以聽到噼噼啪啪的聲響，試件本身出現(xiàn)明顯的裂隙，最終失穩(wěn)破壞。

對比將砂巖和花崗巖時域分析結(jié)果，可以得知：

a. 高密度的花崗巖抗壓強度更大，樣本壓裂持時更長。花崗巖樣本的聲發(fā)射事件數(shù)和事件強度遠遠大于砂巖樣本。

b. 砂巖和花崗巖樣本聲發(fā)射信號產(chǎn)生的階段都可以分為三個階段：加載初期、加載中期和加載后期。

c.花崗巖相較于砂巖，加載初期出現(xiàn)的更快，剛一加壓就有聲發(fā)射信號產(chǎn)生，而砂巖剛加載的時候幾乎沒有聲發(fā)射信號產(chǎn)生。

d.花崗巖加載中期在時間上更靠近加載前期，而砂巖加載中期更靠近加載后期。

結(jié)論

勻速加載壓力條件下，砂巖和花崗巖的聲發(fā)射信號的時域特征具有三個階段模式。但由于巖性的不同，兩類巖石的聲發(fā)射信號產(chǎn)生的三個階段壓力特性和階段的組合結(jié)構(gòu)具有很大的差異。因此，在建立聲發(fā)射信號與監(jiān)測隧道開挖工程巖體失穩(wěn)的識別模式中，巖性也是重要的因素。

參考文獻：

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