花崗巖損傷破壞的聲發(fā)射評(píng)價(jià)

劉　剛，　張艷軍，申志亮，　王一斐，　于　涵，　劉宏偉

（1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022；3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

花崗巖損傷破壞的聲發(fā)射評(píng)價(jià)

劉剛1，張艷軍2，申志亮3，王一斐3，于涵3，劉宏偉3

（1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，哈爾濱150022；3.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，哈爾濱 150022）

為評(píng)價(jià)花崗巖裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)損傷破壞狀況，在單軸壓縮方形花崗巖基礎(chǔ)上，通過全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及聲發(fā)射信號(hào)，利用聲發(fā)射能量和計(jì)數(shù)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線積分得到的能量，基于等時(shí)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)插值，擬合曲線，推導(dǎo)損傷演化方程，以此定量評(píng)估不同應(yīng)力下花崗巖損傷程度。結(jié)果表明：花崗巖宏觀破壞形態(tài)與應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值應(yīng)力瞬時(shí)下滑趨勢(shì)存在一致性。依據(jù)能量、聲發(fā)射計(jì)數(shù)和聲發(fā)射能量與損傷程度的數(shù)學(xué)解析式，與應(yīng)力-時(shí)間曲線結(jié)合分析，給出脆性花崗巖損傷三階段、預(yù)警時(shí)刻和報(bào)警點(diǎn)。根據(jù)特征參數(shù)優(yōu)缺點(diǎn)和敏感度，通過損傷時(shí)間敏感效應(yīng)優(yōu)化處理，劃分預(yù)警時(shí)刻六級(jí)區(qū)間。分析認(rèn)為，聲發(fā)射計(jì)數(shù)最早報(bào)警，聲發(fā)射能量出現(xiàn)在第二階段，最終通過能量變化判斷花崗巖失穩(wěn)。

花崗巖；聲發(fā)射；損傷；能量

0　引言

花崗巖屬火成巖，由地下巖漿噴出和侵入冷卻結(jié)晶形成。由于原生缺陷和原始損傷存在，非均質(zhì)性及各向異性明顯。巖石內(nèi)部缺陷在載荷作用下張開或閉合、擴(kuò)展，致使損傷加劇，同時(shí)以彈性波形式攜帶應(yīng)變能不斷向外釋放，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。聲發(fā)射波形蘊(yùn)含豐富巖石破壞損傷區(qū)及內(nèi)部信息。聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)巖石類材料裂紋閉合和擴(kuò)展十分敏感，被廣泛應(yīng)用于煤礦、天然氣和石油存儲(chǔ)、輻射廢物封存、地?zé)岽鎯?chǔ)、巖石和土體邊坡、大壩等損傷漸進(jìn)破壞監(jiān)測(cè)。故通過聲發(fā)射技術(shù)研究巖石損傷演化規(guī)律，能深刻挖掘巖石類材料破壞機(jī)制，并為預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)相關(guān)災(zāi)害事故打下堅(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)巖石類材料聲發(fā)射損傷破壞規(guī)律研究成果非常豐富，但多集中于討論不同加載應(yīng)力、控制方式和時(shí)間效應(yīng)下聲發(fā)射特征參數(shù)與損傷規(guī)律之間的關(guān)系［1-13］。其中，在室內(nèi)單軸聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)方面，徐子杰、李術(shù)方和肖福坤等研究了不同應(yīng)力水平、監(jiān)測(cè)手段、材料、巖石種類、實(shí)驗(yàn)路徑、分析角度下巖石損傷破壞的聲發(fā)射規(guī)律［1-8］。在三軸聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方面，趙洪寶、楊永杰和肖福坤等對(duì)型煤和原煤在不同瓦斯壓力、圍壓、開挖尺度下?lián)p傷演化聲發(fā)射規(guī)律開展了研究［9-13］。但針對(duì)花崗巖損傷演化致破裂過程的定量評(píng)估鮮有報(bào)道，為此，筆者在單軸壓縮方形花崗巖基礎(chǔ)上，通過全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線及聲發(fā)射信號(hào)，利用能量、聲發(fā)射計(jì)數(shù)和聲發(fā)射能量作為損傷參數(shù)，從多角度、多層次分析花崗巖損傷演化特征。

1　花崗巖聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)

1.1試樣選取與制作

實(shí)驗(yàn)采用方形花崗巖試件，試件從一塊尺寸為50 cm×50 cm×50 cm立方體花崗巖切割制取，選取表面光滑、無明顯節(jié)理、裂隙試件，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較高一致性。樣品尺寸100 mm×25 mm×100 mm，為避免應(yīng)力集中并使聲發(fā)射信號(hào)真實(shí)準(zhǔn)確，利用雙端面磨平機(jī)對(duì)加載端面進(jìn)行處理，試件兩端面平整度小于0.05 mm，軸向偏差小于0.25°，共制取15塊標(biāo)準(zhǔn)試件。

1.2加載設(shè)備與聲發(fā)射設(shè)備

實(shí)驗(yàn)加載裝置采用吉林金力技術(shù)有限公司生產(chǎn)的TAW-2 000 kN微機(jī)控制電液伺服巖石三軸蠕變?cè)囼?yàn)系統(tǒng)，軸向壓力達(dá)2 000 kN，精度為0.001 kN，位移光碼器量程為30 cm，精度達(dá)0.001 mm，并能實(shí)時(shí)采集和繪制全程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

實(shí)驗(yàn)采用的聲發(fā)射設(shè)備由美國物理聲學(xué)公司開發(fā)的SH-Ⅱ型全天候健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該設(shè)備可實(shí)時(shí)采集聲發(fā)射波形，并對(duì)每個(gè)波形進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)數(shù)、能量、幅值、上升時(shí)間、定位和峰頻等聲發(fā)射特征參數(shù)圖，內(nèi)置波形處理軟件。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，聲發(fā)射門檻值設(shè)定為40 dB，前置放大器為40 dB，傳感器頻率響應(yīng)范圍為125～750 kHz，采樣頻率為1 MHz，實(shí)驗(yàn)采用八個(gè)nano30傳感器，傳感器用皮筋布置在試樣某一表面，平面四個(gè)，兩個(gè)側(cè)面各兩個(gè)，為了增加傳感器接收聲發(fā)射信號(hào)的效果，表面涂抹凡士林。為減少壓力機(jī)端面和試樣端面摩擦雜亂信號(hào)，試樣上下端面均涂抹凡士林。

1.3實(shí)驗(yàn)過程

為減小定位結(jié)果誤差，將試樣一面距離端面邊緣20 mm處用記號(hào)筆定點(diǎn)，兩個(gè)側(cè)面位置為距離上下端面20 mm且位于布置面中部，用皮筋固定傳感器，使其傳感器中心與定點(diǎn)位置一致并在接觸面涂抹凡士林，利用聲發(fā)射材料聲學(xué)矩陣自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)脈沖檢測(cè)傳感器與試樣耦合效果和平均波速，脈沖個(gè)數(shù)為五個(gè)，脈沖寬度為5 μs，脈沖間隔為100 ms。幅值均大于70 dB為耦合良好，記錄此時(shí)平均波速。在聲發(fā)射正常采集狀態(tài)下，采用斷鉛法驗(yàn)證定位精度。分別對(duì)各個(gè)面中部位置進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果偏差小于1 mm為合理。啟動(dòng)壓力機(jī)，實(shí)驗(yàn)采取壓力機(jī)軸向位置控制方式，加載速率恒定保持在0.002 mm/min，為使接觸面密實(shí)，預(yù)載力設(shè)置為0.5 kN。此時(shí)，聲發(fā)射系統(tǒng)和壓力機(jī)同步開始實(shí)驗(yàn)，直至試樣完全破壞，同時(shí)停止實(shí)驗(yàn)。共對(duì)15塊花崗巖采取單軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，文中選取較典型三組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行具體分析，其他結(jié)論類似，不再贅述。典型樣品基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　花崗巖基本物理力學(xué)參數(shù)Table1　Basic physical and mechanical parameters of granite

2　結(jié)果與分析

2.1基于能量的損傷評(píng)價(jià)

圖1a為花崗巖破壞全過程應(yīng)力－應(yīng)變曲線，圖1b為對(duì)應(yīng)的花崗巖破壞形態(tài)。由圖1可見，峰后曲線出現(xiàn)瞬時(shí)局部下滑，實(shí)驗(yàn)過程中有清脆斷裂聲，花崗巖屬于脆性破斷。將全程應(yīng)力－應(yīng)變曲線積聚與釋放的能量依據(jù)壓密階段Ⅰ、彈性階段Ⅱ、塑性階段Ⅲ和峰后階段Ⅳ劃分四個(gè)區(qū)間。

圖1　花崗巖單軸壓縮應(yīng)力－應(yīng)變曲線及破壞形態(tài)Fig.1 Granite uniaxial compression stress-strain curves and failure pattern

試件FX－03和FX－04單軸抗壓強(qiáng)度分別為89.26和89.88 MPa，結(jié)果相近，但彈性階段斜率相差較大，而FX－06強(qiáng)度低于其他兩個(gè)試件，楊氏模量與FX－03一致。脆性花崗巖壓密階段明顯，彈性階段較長，塑性階段極短，峰前積聚大量彈性能，峰后瞬時(shí)釋放，彈性能部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，易造成重大動(dòng)力災(zāi)害，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。由于破壞階段極短且具有超長彈性階段（積聚彈性能），預(yù)判難度極大。通過敏銳性較高的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)手段獲取各階段聲發(fā)射特征參數(shù)變化規(guī)律，從而為破壞失穩(wěn)識(shí)別提供指導(dǎo)。從圖1b花崗巖破壞形態(tài)來看，F(xiàn)X－06左側(cè)集中破碎成小塊體，并在中部出現(xiàn)一條未貫通裂紋，曲線峰值階段出現(xiàn)一段平緩期（圖1a），表明微裂紋在此時(shí)擴(kuò)展、貫通，形成局部失穩(wěn)，峰后仍具有一定承載力。FX－04左側(cè)形成主貫通裂紋，由三段一定角度大裂紋拼接而成，峰值階段平緩臺(tái)階短于FX－06，破碎成三大塊體，微裂紋較少。FX－03形成縱向主控裂紋劈裂格局，局部微裂紋較少，從曲線來看，峰值階段明顯出現(xiàn)尖端，破裂也是瞬時(shí)失穩(wěn)。應(yīng)力－應(yīng)變曲線和破壞形態(tài)有較好的一致性。

能量積聚勢(shì)必造成壓力和變形增大，而應(yīng)力和變形是致使損傷加劇的主因，用能量表征損傷程度更具有實(shí)際意義。圖2橫坐標(biāo)加載階段N為1代表壓密完成階段，2代表彈性完成階段，3代表塑性完成階段，4代表峰后整個(gè)階段。花崗巖壓密階段儲(chǔ)存的彈性能較少，占峰前積聚能量的4.75%，彈性階段積聚了大量彈性能，占峰前積聚總能量的86.86%，前兩個(gè)階段不計(jì)入損傷范疇 （不考慮循環(huán)載荷損傷），彈性能卸載后將完全釋放，不對(duì)花崗巖損傷做功。塑性階段儲(chǔ)蓄能量相對(duì)較少，占峰前積聚能量的8.39%，但在極短時(shí)間內(nèi)完成，前期捕捉就尤為重要。峰后階段較離散，主要是破裂形式和程度不同導(dǎo)致的?；◢弾r峰前各階段能量呈現(xiàn)倒“V”形，壓密和彈性區(qū)間占據(jù)峰前積聚總能量的91.61%，對(duì)脆性材料損傷影響極低，可忽略不計(jì)，但對(duì)基于損傷預(yù)判極其重要，據(jù)此，從能量損傷比出發(fā)，建立損傷判別式，并對(duì)圖2進(jìn)行損傷分區(qū)，其中一階段為損傷低影響區(qū)，二階段為損傷影響區(qū)，三階段為損傷加劇區(qū)，其中二階段為警示區(qū)，三階段為報(bào)警區(qū)。

圖2　花崗巖各個(gè)階段能量轉(zhuǎn)化規(guī)律Fig.2 Granite energy conversion law at various stages

對(duì)峰前應(yīng)力－應(yīng)變曲線進(jìn)行積分，獲取峰前積聚的總能量，對(duì)圖1壓密階段、彈性階段、塑性階段分別積分，計(jì)算峰前積聚總能量與三階段能量的比，給出能量損傷程度：

其中，D1為基于能量損傷程度，D1=0表示無損傷，D1=1表示失穩(wěn)破壞。x、y、z分別為壓密、彈性、塑性階段損傷程度，均屬于0到1區(qū)間。當(dāng)為一級(jí)損傷時(shí)，取值范圍0＜x＜1，y=0，z=0。當(dāng)達(dá)到二級(jí)損傷時(shí)，取值范圍x=1，0＜y＜1，z=0。當(dāng)達(dá)到三級(jí)損傷，取值范圍x=1，y=1，0＜z＜1。預(yù)警區(qū)間，x=1，0.8＜y＜1，0＜z＜1。

在能量損傷公式的應(yīng)用過程中，塑性階段對(duì)應(yīng)時(shí)間較短，發(fā)生危險(xiǎn)可能沒有足夠長的時(shí)間準(zhǔn)備，易造成風(fēng)險(xiǎn)，所以筆者建議選取彈性階段能量80%作為預(yù)警點(diǎn)，積聚能量達(dá)到該值時(shí)，采取減災(zāi)、避災(zāi)措施。針對(duì)脆性花崗巖，能量損傷比處于損傷一階段波動(dòng)可以忽視，而達(dá)到損傷二階段引起一定重視，超過74.24%預(yù)警值應(yīng)引起重視，在損傷三階段波動(dòng)處于極其危險(xiǎn)狀態(tài)，隨時(shí)可能發(fā)生災(zāi)害。通過損傷二階段塑性轉(zhuǎn)折點(diǎn)劃分，結(jié)合應(yīng)力-時(shí)間曲線，試樣FX－03處于441.57 s為時(shí)間預(yù)警點(diǎn)，463.17 s為時(shí)間報(bào)警點(diǎn)，破壞點(diǎn)為471.77 s。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和能量損傷比法確定損傷危險(xiǎn)分區(qū)，可以給出損傷程度值，并提出使用方式和閥值。

2.2基于聲發(fā)射計(jì)數(shù)的損傷評(píng)價(jià)

聲發(fā)射計(jì)數(shù)能夠體現(xiàn)裂紋擴(kuò)展釋放彈性波波動(dòng)的強(qiáng)度，也就是說通過聲發(fā)射計(jì)數(shù)可以反推裂紋破裂的尺度，聲發(fā)射計(jì)數(shù)值越大，內(nèi)部損傷越劇烈。由于試樣呈現(xiàn)相同規(guī)律，故選取FX－03進(jìn)行分析。

依托全程應(yīng)力－應(yīng)變曲線，利用origin軟件與聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行插值，得到聲發(fā)射計(jì)數(shù)與應(yīng)力－應(yīng)變曲線關(guān)系，為探索損傷規(guī)律的時(shí)間效應(yīng)，將應(yīng)力－時(shí)間曲線與聲發(fā)射曲線組合分析（圖3）。通過聲發(fā)射計(jì)數(shù)累計(jì)斜率將其分為五個(gè)典型階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)穩(wěn)定增長階段A、快速增長階段B、急速增長階段C、穩(wěn)定階段D和峰后線性增長階段E，峰后線性段公式為

其中，ε1為應(yīng)變，n為聲發(fā)射計(jì)數(shù)。每個(gè)對(duì)應(yīng)區(qū)間給出變化時(shí)間節(jié)點(diǎn)。壓密階段和彈性前期階段共同組成穩(wěn)定增長期，說明無論載荷大小均造成損傷的加劇。彈性中期為聲發(fā)射計(jì)數(shù)的快速增長階段，此時(shí)損傷程度加劇，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為峰值強(qiáng)度的74.5%，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為409.97 s。彈性階段后期聲發(fā)射計(jì)數(shù)急速增長，預(yù)示著損傷程度即將達(dá)到峰值，失穩(wěn)前兆信息，分界點(diǎn)為峰值強(qiáng)度的88.4%，對(duì)應(yīng)時(shí)刻為441.55 s。當(dāng)加載時(shí)間到471.77 s時(shí)，達(dá)到峰值89.24 MPa，出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，此時(shí)聲發(fā)射進(jìn)入約12.48 s穩(wěn)定期，損傷達(dá)到極值時(shí)，聲發(fā)射計(jì)數(shù)在此階段基本不再增長，此特性對(duì)于鑒別峰后作用明顯，也就是說聲發(fā)射計(jì)數(shù)快速增大后緊隨穩(wěn)定期，證明此時(shí)已經(jīng)失穩(wěn)破壞。殘余破壞階段，聲發(fā)射計(jì)數(shù)呈現(xiàn)微波動(dòng)線性增長，裂紋不斷擴(kuò)展貫通形成宏觀裂紋。

圖3　聲發(fā)射計(jì)數(shù)-應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系Fig.3　Acoustic emission counts-stress-strain-time diagram

據(jù)此，筆者將峰前劃分損傷明顯三階段，逐層遞進(jìn)對(duì)損傷程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過聲發(fā)射計(jì)數(shù)累計(jì)值變化趨勢(shì)歸一化處理與損傷程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，給出三個(gè)階段的分段函數(shù)損傷演化規(guī)律。損傷一階段（聲發(fā)射計(jì)數(shù)穩(wěn)定增長期）擬合符合logistic規(guī)律（R2=0.991 9），損傷二階段（聲發(fā)射計(jì)數(shù)快速增長期）擬合符合allometric1趨勢(shì)（R2=0.985 3），損傷三階段（聲發(fā)射計(jì)數(shù)急速增長期）擬合符合allometric1趨勢(shì)（R2=0.983 3），通過階段連續(xù)化組合得到基于聲發(fā)射計(jì)數(shù)全過程損傷演化公式：

其中，a、b、c分別為一、二、三階段損傷聲發(fā)射計(jì)數(shù)累計(jì)值，D2為基于聲發(fā)射計(jì)數(shù)損傷程度，E為常數(shù)10。

2.3基于聲發(fā)射能量的損傷評(píng)價(jià)

聲發(fā)射能量是采集到波形包絡(luò)線的積分，能體現(xiàn)每個(gè)信號(hào)源釋放的能量，裂紋擴(kuò)展尺度越劇烈（損傷程度越大），釋放彈性波振動(dòng)幅度越大，所對(duì)應(yīng)能量釋放也就越明顯，故通過聲發(fā)射能量表征損傷程度具有合理性。

分析圖4可知，曲線變化規(guī)律與圖3極其相似，按照聲發(fā)射能量轉(zhuǎn)折點(diǎn)將其劃分成五個(gè)階段。聲發(fā)射能量的穩(wěn)定期較長，達(dá)到峰值載荷的78.6%，時(shí)刻為421.66 s，而快速增長期持續(xù)時(shí)間較聲發(fā)射計(jì)數(shù)的短，持續(xù)了39.87 s，為預(yù)判損傷破壞留出充足時(shí)間，在聲發(fā)射能量表征的急速增長期（峰值載荷96.7%），時(shí)刻為461.53 s，持續(xù)時(shí)間較短，但聲發(fā)射能量斜率極大，說明聲發(fā)射能量對(duì)損傷破壞前期極其敏感，峰后依然存在穩(wěn)定期，可以確定其失穩(wěn)破壞，脆性花崗巖失穩(wěn)后聲發(fā)射穩(wěn)定期與破壞時(shí)間基本持平。峰后聲發(fā)射能量保持線性增長，計(jì)算公式為

其中，ε2為應(yīng)變，j為聲發(fā)射能量。盡管峰值后總體失穩(wěn)，但局部依然以裂紋擴(kuò)展形式釋放彈性波，致使局部失穩(wěn)進(jìn)一步加劇，最終達(dá)到完全破壞。

圖4　聲發(fā)射能量-應(yīng)力-應(yīng)變-時(shí)間關(guān)系Fig.4 Acoustic emission energy-tress-strain-time diagram

依據(jù)聲發(fā)射計(jì)數(shù)思路，給出損傷演化過程與聲發(fā)射能量累計(jì)值的對(duì)應(yīng)關(guān)系：

其中，d、f、g分別為一、二、三階段損傷聲發(fā)射能量累計(jì)值，D3為基于聲發(fā)射能量損傷程度，e代表自然對(duì)數(shù)底數(shù)，約等于2.718。

2.4三種評(píng)價(jià)方法基于時(shí)間的優(yōu)化處理

通過能量、聲發(fā)射計(jì)數(shù)和聲發(fā)射能量分別對(duì)損傷破壞程度進(jìn)行定量評(píng)價(jià)，損傷程度評(píng)價(jià)的目的是為預(yù)判失穩(wěn)破壞做準(zhǔn)備，預(yù)判時(shí)間長短能為減災(zāi)避災(zāi)提供條件，所以基于三種評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，以時(shí)間為節(jié)點(diǎn)，綜合衡量損傷程度。

以聲發(fā)射計(jì)數(shù)最早做出反饋時(shí)刻為起點(diǎn)，此時(shí)單軸抗壓強(qiáng)度為峰值強(qiáng)度的74.5%，對(duì)應(yīng)時(shí)間t2為409.97 s。以聲發(fā)射能量加速增長為第二階段，此時(shí)達(dá)到峰值載荷的78.6%，時(shí)間t1為421.66 s。以聲發(fā)射計(jì)數(shù)急速增長為第三階段，此時(shí)為峰值強(qiáng)度的88.4%，對(duì)應(yīng)時(shí)間為441.55 s。以能量為第四階段，當(dāng)時(shí)間t3達(dá)到441.57 s為預(yù)警點(diǎn)。以聲發(fā)射能量急速增長為第五階段，此時(shí)為峰值載荷的96.7%，時(shí)間為461.53 s，以能量為第六階段，當(dāng)達(dá)到463.17 s為時(shí)間報(bào)警點(diǎn)，最終花崗巖失穩(wěn)破壞。

通過表2可以直觀判斷各種評(píng)判方法對(duì)應(yīng)的時(shí)間，第一次反饋來自聲發(fā)射計(jì)數(shù)，第二次反饋來自聲發(fā)射能量，第三次反饋來自聲發(fā)射計(jì)數(shù)，第四次反饋來自能量，第五次反饋來自聲發(fā)射能量，最終第六次反饋來自能量。綜合分析為聲發(fā)射計(jì)數(shù)最早報(bào)警，聲發(fā)射能量出現(xiàn)第二階段，最終通過能量變化判斷失穩(wěn)。

表2　三種評(píng)判方法時(shí)間關(guān)系統(tǒng)計(jì)Table 2 Three kinds of evaluation method time statistics s

3　結(jié)論

（1）花崗巖宏觀破壞形態(tài)與應(yīng)力－應(yīng)變曲線峰值瞬時(shí)下滑速度存在一致性。通過應(yīng)力－應(yīng)變曲線積分得到能量變化規(guī)律，得到各個(gè)階段能量損傷比與損傷程度對(duì)應(yīng)關(guān)系，給出脆性花崗巖損傷三階段、預(yù)警時(shí)刻和報(bào)警點(diǎn)。

（2）依據(jù)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和聲發(fā)射能量與應(yīng)變曲線斜率的變化特征，將曲線分成五個(gè)階段，通過峰前三個(gè)階段得到損傷演化過程中聲發(fā)射計(jì)數(shù)、能量分段函數(shù)方程。與應(yīng)力－時(shí)間曲線結(jié)合分析，給出預(yù)判時(shí)間點(diǎn)。

（3）通過能量、聲發(fā)射計(jì)數(shù)、聲發(fā)射能量與損傷預(yù)警時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系將其劃分預(yù)警六級(jí)區(qū)間。綜合分析為聲發(fā)射計(jì)數(shù)最早報(bào)警，聲發(fā)射能量出現(xiàn)在第二階段，最終通過能量變化判斷失穩(wěn)。

致謝：

該研究得到了黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題：基于聲發(fā)射的巖體損傷表征及流固耦合效應(yīng)研究；國家自然科學(xué)基金：沖擊地壓煤層能量傳遞與引導(dǎo)規(guī)律；國家自然科學(xué)基金：煤礦井下應(yīng)急救援中跨落巷道快速掘進(jìn)的支持。

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（編輯王冬）

Granite damage acoustic emission evaluation

LIU Gang1，ZHANG Yanjun2，SHEN Zhiliang3，WANG Yifei3，YU Han3，LIU Hongwei3
（1.Heilongjiang Ground Pressure&Gas Control in Deep Mining Key Lab，Heilongjiang University of Science& Technology，Harbin 150022，China；2.School of Mechanical Engineering，Heilongjiang University of Science& Technology，Harbin 150022，China；3.School of Mining Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper is concerned with an evaluation of the granite crack extension corresponding damage.The evaluation is performed by using the whole stress-strain curve and acoustic emission signal under uniaxial compression of granite sample and applying the AE energy and AE count and stress-strain curve integral gain energy and thereby obtaining data interpolation using the same time theory；deducing the damage evolution equation using fitting curve and performing the quantitative evaluation of the extent to which granite damage occurs under different stress.The experimental results show that there exists consistency between granite macro failure pattern and stress-strain curve peak transition curve；the determination of the three damage stages、early warning，and emergency alarm of brittle granites is accomplished by using the combination of mathematical analytical formula underlying the energy，AE counts and AE energy and damage degree with stress-time curve analysis；and the division of early warning time into 6 ranges is determined by the advantages and disadvantages of characteristic parameters and sensitivity as well as optimizing damage time sensitive effect.The comprehensive analysis shows that AE counts function by giving the first alarm，AE energy works on the second phase，and energy change provides the final judgment of granite instability.

granite；acoustic emission；damage；energy

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.06.009

TD315

2095-7262（2015）06-0615-06

A

2015－10－13

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51574115，51374097）；

劉剛（1986-），男，黑龍江省伊春人，助教，碩士，研究方向：巖石力學(xué)，E-mail：18944630110@qq.com。