大理巖單軸巖爆試驗聲發(fā)射信號特征研究

張俊思，梅甫定，梅志恒，毛 勇，羅衛(wèi)兵

（1.中國地質(zhì)大學（武漢）工程學院，湖北 武漢 430074；2.大冶有色金屬有限責任公司豐山銅礦，湖北 黃石 435000）

巖爆是突然的巖石破壞，常常有巖石的破碎和從圍巖中突出，并伴隨著能量的猛烈釋放，是一種動態(tài)力學現(xiàn)象[1，2]。巖爆作為金屬礦山深部開采時遇到的一種嚴重的地質(zhì)災害，嚴重威脅著井下作業(yè)人員和設(shè)備的安全。聲發(fā)射作為外在響應的一種，是材料在受到外部載荷或是內(nèi)力作用下發(fā)生變形、斷裂，貯藏的部分能量集中以彈性波方式釋放應變能的過程[3]。聲發(fā)射是伴隨受力和變形過程產(chǎn)生的，根據(jù)聲發(fā)射各種參數(shù)的強度、數(shù)量、頻率等特征分析材料變形破壞的過程，可以建立起聲發(fā)射特性與其變形過程的內(nèi)在聯(lián)系。

采用聲發(fā)射技術(shù)的研究可以歸為兩類，對聲發(fā)射信號簡化的波形特征參數(shù)的研究和對聲發(fā)射信號波形的頻譜分析?；谝陨涎芯?，本文選取聲發(fā)射振鈴計數(shù)、幅值和能量三個特征參數(shù)，以豐山銅礦深部大理巖為試驗對象，進行單軸巖爆模擬試驗，探索深部大理巖巖爆的發(fā)生機理，以期對工程實際具有指導意義。

1 試驗設(shè)計

試驗用大理巖巖芯取自湖北大冶豐山銅礦-440m埋深處，平均天然密度為2.656g/cm3，飽和密度為2.662g/cm3。遵循《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266-2013)要求，經(jīng)打磨加工成50×100mm標準圓柱形試件，用于試驗。

試驗過程中，加載系統(tǒng)選用MTS 815電液伺服測試系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)選用PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。四個聲發(fā)射傳感器布置在試件兩側(cè)，距離端部1cm左右，傳感器探頭均勻涂抹耦合劑，并用絕緣膠帶緊密固定。試驗開始時，加載系統(tǒng)同聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)同步開啟。

本試驗采取位移控制單軸一次性加載方式，加載至試件發(fā)生整體破裂后停止，加載速率0.0020mm/s。為有效降低環(huán)境噪音對試驗數(shù)據(jù)的影響，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)門檻值設(shè)為55dB。據(jù)此方法進行多組試驗，并發(fā)現(xiàn)試件破裂時均出現(xiàn)碎巖彈射，伴有炸裂聲響的輕微巖爆現(xiàn)象出現(xiàn)，從加載后破壞的試件中選取具有典型巖爆現(xiàn)象的兩試件P-1、P-3展開研究。

2 聲發(fā)射振鈴計數(shù)和幅值分析

通過對AE信號處理，獲得試件P-1、P-3 AE波形的幅值、振鈴計數(shù)的變化規(guī)律如圖1、圖2所示。

觀察發(fā)現(xiàn)AE信號振鈴計數(shù)的峰值與AE信號幅值的凸起相對應。在壓密階段，由于試樣內(nèi)部裂隙在受壓后閉合而產(chǎn)生較多AE信號。在試件P-1中，壓密階段加載用時占破壞全過程的19%。說明原生微裂隙、空隙在外界作用下壓實閉合消耗的時間較短，但是AE活動比較活躍。在裂隙被壓密后，AE振鈴計數(shù)出現(xiàn)了短暫的相對平靜期，但是AE幅值仍然比較活躍。在180s～220s左右，AE振鈴計數(shù)出現(xiàn)了一段密集的活動，此時，幅值出現(xiàn)了一次高潮。隨后，振鈴計數(shù)和幅值再次進入平靜期。在330s及以后，振鈴計數(shù)和幅值再次活躍起來，說明此時裂紋開始貫通、連接，最終形成宏觀裂紋，直至試件被破壞。

圖1 P-1時間-應力-振鈴計數(shù)-幅值

圖2 P-3時間-應力-振鈴計數(shù)-幅值

與試件P-1相比，試件P-3在整個加載過程中，振鈴計數(shù)的活動規(guī)律與試件P-1基本相同，但是幅值一直表現(xiàn)出中高強度。在壓密階段出現(xiàn)一些高幅值的撞擊，隨后幅值強度降低，進一步說明在壓密階段的高幅值聲發(fā)射信號主要是試樣內(nèi)部微裂紋、孔隙等細觀結(jié)構(gòu)在外界載荷作用下壓密所致。在試件破裂前，P-3和P-1的幅值均表現(xiàn)出急劇增加的趨勢，在時間上分別為330s及以后、320s及以后，大量高強度的幅值的聚集說明試件內(nèi)部裂紋開始擴展、貫通，試件即將破裂。

3 歸一化處理分析

3.1 線性函數(shù)歸一化方法

設(shè)樣本數(shù)據(jù)值域為[Min,Max]，則線性函數(shù)歸一化表達式為：

式中：x、y 分別為轉(zhuǎn)換前、后的值；Max、Min 分別為樣本的最大值和最小值。

線性函數(shù)歸一化具有以下性質(zhì)：①樣本的大小關(guān)系保持不變；②樣本的相對距離保持不變。采用線性函數(shù)歸一化處理巖爆過程中監(jiān)測到的各物理量，在同一尺度下觀察個物理量的變化規(guī)律，能夠較迅速、有效的識別巖爆發(fā)生前兆。

3.2 歸一化結(jié)果分析

由于AE信號各個參量的物理值值域和量綱都不一樣，不利于快速的分析出各個參量的突變點出現(xiàn)的先后順序，也影響各參量之間的關(guān)聯(lián)性分析。因此，筆者選取AE信號的幅值、振鈴計數(shù)和能量三個特征參數(shù)進行歸一化處理，綜合分析同一尺度下各個參量的變化規(guī)律，為巖爆的預警研究提供綜合依據(jù)。

圖3 P-1應力及AE參數(shù)歸一化值變化

本文采取線性函數(shù)歸一化處理方法，對AE全波形信號后處理獲得振鈴、能量和幅值參數(shù)變化規(guī)律，這里采用巖石破壞時的AE累計數(shù)量Na對AE數(shù)N進行歸一化處理。既歸一化比率為：n=N/Na。

AE特征參數(shù)的歸一化比率變化如圖3、圖4所示。在初始加載階段雖然產(chǎn)生少量AE信號，但相比后期巖石破裂的振鈴計數(shù)數(shù)量和對應的幅值及能量極少，說明在壓密階段，AE各特征參數(shù)的歸一化比率均很小。隨后，在三種累計曲線中，AE幅值累計曲線首先開始增大，試件P-1和P-3中時間點分別為80s和170s，此時對應著裂紋的萌生。之后，AE能量累計曲線和AE振鈴計數(shù)累計曲線開始增大，從中可以發(fā)現(xiàn)，AE幅值累計曲線能夠快反映裂紋的產(chǎn)生，這一特征可以作為巖爆預警的依據(jù)。

觀察曲線后可以發(fā)現(xiàn)AE振鈴計數(shù)累計曲線和AE能量累計曲線都呈臺階式增長，圖4中P-1累計振鈴計數(shù)曲線和累計能量曲線表現(xiàn)的尤為突出，一共出現(xiàn)兩次臺階，此時曲線接近垂直狀態(tài)，可以直接反映巖石的宏觀破裂。在巖石整個加載過程中，AE累計能量增長曲線和AE累計振鈴計數(shù)增長曲線的總是相互伴隨，同步增加。從中可以說明，振鈴計數(shù)的記錄是伴隨著能量的釋放，即高振鈴計數(shù)高能量。

觀察AE幅值累計增長曲線，發(fā)現(xiàn)在試件破裂前，曲線的增長會有一個“臨界點”，分別在試件P-1和P-3的270s、260s左右。這一點可作為巖石彈性變形階段和裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段的分界點，在“臨界點”前巖石處于彈性變形階段，幅值累計曲線斜率較小。此后，隨著載荷的不斷增加，曲線斜率逐漸增大，裂紋開始穩(wěn)定擴展，直至試件被破壞。這一“臨界點”可以作為巖爆發(fā)生的前兆特征點，為巖爆預警提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

（1）通過實驗發(fā)現(xiàn)試件的聲發(fā)射振鈴計數(shù)和幅值活動規(guī)律基本吻合，但聲發(fā)射振鈴計數(shù)在試件破壞前具有明顯的相對平靜期，這可以為工程實際中的巖爆預警提供理論依據(jù)。

（2）試件在壓密階段，由于巖石內(nèi)部原有裂隙、空洞被壓實，振鈴計數(shù)和幅值的數(shù)量明顯增加，但信號強度不高。隨著試樣內(nèi)部微裂紋的不斷擴展、萌生，產(chǎn)生大量的高幅值、高振鈴計數(shù)的聲發(fā)射信號。

（3）在幅值、振鈴計數(shù)和能量三種累計曲線中，幅值累計增長曲線最快開始增大，對裂紋的響應時間最短。AE累計能量增長曲線和AE累計振鈴計數(shù)增長曲線的總是相互伴隨，同步增加。幅值累計增長曲線的初始增長點和曲線增長的“臨界點”均可以作為巖爆發(fā)生的前兆特征點，為工程實際中此類災害的發(fā)生提供防范指導。