深部片麻巖破壞全過程聲發(fā)射時(shí)頻域信號(hào)特征及前兆預(yù)警研究

邵陸航，康志強(qiáng)，辛東夫，張晨，姚旭龍

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063210；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 唐山 063210)

0 引 言

近年來，我國淺部礦產(chǎn)資源由于開采而日益枯竭，深部開采將成為常態(tài)[1-3]。隨著開采深度增加，礦山突發(fā)性事故也日益增多，這將嚴(yán)重威脅著礦山及工作人員的財(cái)產(chǎn)和生命安全。因此，在巖石破裂導(dǎo)致災(zāi)害發(fā)生前進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警已成為保障安全生產(chǎn)的重要前提。L.D.W.I.Obert[4]最早發(fā)現(xiàn)巖石破裂損壞過程中聲發(fā)射信號(hào)有不同的特征，并將其應(yīng)用于巖石破裂及巖體穩(wěn)定性研究，為巖石的破壞失穩(wěn)研究提供了新方法。

國內(nèi)外學(xué)者基于巖石破裂失穩(wěn)過程所產(chǎn)生的不同聲發(fā)射信號(hào)特征，對(duì)巖石破裂失穩(wěn)前兆特征進(jìn)行了大量研究，并取得了一定的研究成果。張艷博等[5]通過單軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)飽水花崗巖破壞過程聲發(fā)射頻譜特征進(jìn)行研究，指出飽水花崗巖破壞過程聲發(fā)射各個(gè)主頻帶數(shù)量呈現(xiàn)“3→6→3”即先增大后減小的規(guī)律；付斌等[6]通過單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，對(duì)大理巖破壞聲發(fā)射特征進(jìn)行研究，指出整個(gè)循環(huán)加載過程中聲發(fā)射b值呈現(xiàn)V型變化趨勢(shì)，巖石臨近破壞前聲發(fā)射b值會(huì)出現(xiàn)大幅度波動(dòng)變化特征；叢宇等[7]、紀(jì)洪廣等[8]通過常規(guī)三軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)不同應(yīng)力路徑下大理巖聲發(fā)射破壞前兆特征進(jìn)行研究，指出聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率變化與巖石破裂有密切關(guān)系，不同圍壓下振鈴計(jì)數(shù)在巖石破裂前會(huì)呈現(xiàn)不同特征；曾鵬等[9]對(duì)粗砂巖變形破壞聲發(fā)射高低2個(gè)頻段占比隨時(shí)間變化進(jìn)行重點(diǎn)分析，指出粗砂巖在臨界破壞前，高低2個(gè)頻段頻率會(huì)分別出現(xiàn)最大值和最小值的特征；王春來等[10]、何滿潮等[11]、張艷博等[12]對(duì)巖爆試驗(yàn)過程中聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行分析，為預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生提供了重要理論依據(jù)。

綜上所述，學(xué)者們將聲發(fā)射作為研究手段，對(duì)巖石破裂失穩(wěn)進(jìn)行了大量研究，但這些研究大都是基于單一時(shí)域信號(hào)特征或單一頻域信號(hào)進(jìn)行研究的。本文選取金廠峪金礦埋深640 m巷道圍巖——片麻巖作為研究對(duì)象，在前人研究的基礎(chǔ)上，將聲發(fā)射和時(shí)頻域結(jié)合起來，以時(shí)間為主線，研究巖石受載全過程應(yīng)力-時(shí)間-聲發(fā)射時(shí)頻域參數(shù)變化特征，綜合分析巖石受載全過程時(shí)頻域信號(hào)特征、頻譜特征，探尋巖石破裂前兆信號(hào)，以期為礦山安全生產(chǎn)提供重要理論依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)系統(tǒng)由加載系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)組成，加載和聲發(fā)射系統(tǒng)設(shè)備如圖1所示。各系統(tǒng)主要采用的試驗(yàn)儀器具體如下。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備裝置

(1)加載系統(tǒng)：加載設(shè)備為TAW-3000電液伺服巖石三軸壓力機(jī)，開展單軸壓縮試驗(yàn)。該試驗(yàn)設(shè)備精度高、性能穩(wěn)定。

(2)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：采用美國(PAC)物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI-2型多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備進(jìn)行巖石損傷破壞全過程聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能率及波形的采集。

1.2 片麻巖試件制備

根據(jù)工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)(GBT 50266-2013)制備標(biāo)準(zhǔn)巖石試件。片麻巖試件尺寸為φ50 mm×100 mm，試件編號(hào)為KY-1，KY-2，KY-3，KY-4，KY-5，試件符合工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 試驗(yàn)過程

采用0.12 mm/min等位移加載方式進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射特性試驗(yàn)，其中，預(yù)加荷載設(shè)定為2 kN。布置4個(gè)聲發(fā)射傳感器(信號(hào)接收探頭)，兩兩對(duì)稱分布，信號(hào)前置增益為40 dB，采樣門檻為45 dB，采樣點(diǎn)數(shù)2 048個(gè)，采樣頻率為1 MHz。傳感器與試件接觸面涂抹凡士林，增加接觸面耦合性，為消除電流干擾,聲發(fā)射主機(jī)連接地線。試驗(yàn)過程中保證壓力機(jī)和聲發(fā)射裝置同時(shí)同步啟動(dòng)運(yùn)行，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.4 片麻巖試件單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線分析

通過對(duì)5組試件KY-1，KY-2，KY-3，KY-4，KY-5進(jìn)行試驗(yàn)，得到片麻巖試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線，如圖2所示，基本力學(xué)參數(shù)如表1所示。

圖2 片麻巖試件軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表1 片麻巖試件力學(xué)參數(shù)測(cè)定結(jié)果

由5組片麻巖試件抗壓試驗(yàn)結(jié)果可知，深部片麻巖單軸抗壓強(qiáng)度約為111.54 MPa，當(dāng)荷載大于片麻巖抗壓強(qiáng)度時(shí)，片麻巖產(chǎn)生突發(fā)式破壞現(xiàn)象。各試件應(yīng)力強(qiáng)度曲線呈現(xiàn)出明顯的峰值后迅速降低現(xiàn)象。

2 聲發(fā)射時(shí)域信號(hào)特征分析

2.1 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)及累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)變化特征

根據(jù)巖石應(yīng)力-時(shí)間曲線可將巖石受壓全過程劃分為4個(gè)階段。由圖3可知：片麻巖試件聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率在階段Ⅰ和Ⅱ呈現(xiàn)較低現(xiàn)象；在階段Ⅲ開始有明顯的上下浮動(dòng)特征，且相對(duì)前兩階段有明顯增大；聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)在階段Ⅳ呈現(xiàn)突增現(xiàn)象。通過分析KY-1和KY-3發(fā)現(xiàn)，片麻巖破壞前，累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)曲線斜率比前三階段明顯增大。由KY-1和KY-3綜合研究表明，片麻巖破壞前均存在一短暫時(shí)期，該時(shí)期內(nèi)片麻巖表現(xiàn)出聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率突增、累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)曲線斜率增大的前兆信號(hào)特征，說明巖石材料破裂擴(kuò)展加劇，即將發(fā)生失穩(wěn)破壞。故可將巖石破裂前聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)突增期(累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線斜率增大)作為巖石破裂前兆信號(hào)。

圖3 片麻巖應(yīng)力-(累計(jì))振鈴計(jì)數(shù)-時(shí)間關(guān)系曲線

2.2 聲發(fā)射能率及累計(jì)能量變化特征分析

巖石在外力作用下會(huì)產(chǎn)生變形，當(dāng)荷載大于巖石自身承載極限時(shí)則會(huì)產(chǎn)生破壞，其實(shí)質(zhì)則為能量之間的相互轉(zhuǎn)化。巖石受壓吸收能量，巖石破裂則對(duì)外釋放能量。采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)手段可對(duì)巖石變形破壞全過程釋放的能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，因此，通過聲發(fā)射分析巖石破裂過程能量變化特征，對(duì)于研究巖石的失穩(wěn)破壞具有重要價(jià)值。本文以巖石變形破壞時(shí)間為主軸，繪制片麻巖破裂全過程聲發(fā)射能率、累計(jì)聲發(fā)射能量及應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 片麻巖應(yīng)力-(累計(jì))聲發(fā)射能率-時(shí)間關(guān)系曲線

由圖4分析可知，片麻巖受壓破壞全過程能量釋放過程可分為“平靜期”“緩慢增長期”“快速增長期”“活躍期”4個(gè)階段。以KY-1為例進(jìn)行分析，平靜期：能率近乎為0，累計(jì)能量占4.6%，此階段為片麻巖受壓初始階段，其內(nèi)部微裂隙受壓閉合，試件主要以吸收能量為主。緩慢增長區(qū)：該階段片麻巖內(nèi)部原生裂隙受壓完全閉合，片麻巖受壓吸收大量能量，以彈性應(yīng)變能形式存儲(chǔ)在其內(nèi)部，對(duì)外釋放能量相對(duì)較少，通過聲發(fā)射能量計(jì)算，占比為4.8%，呈現(xiàn)出較小的能量釋放，說明此階段片麻巖內(nèi)部伴隨有少量裂紋破裂?？焖僭鲩L期：此階段片麻巖經(jīng)歷前兩個(gè)階段受壓,存儲(chǔ)了大量的能量，片麻巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，其內(nèi)部開始產(chǎn)生大量裂隙結(jié)構(gòu)。前兩個(gè)階段吸收的能量開始釋放，通過聲發(fā)射能量計(jì)算分析，聲發(fā)射能率在數(shù)量級(jí)上較前兩個(gè)階段高出幾個(gè)，累計(jì)能率曲線斜率增大，累計(jì)能量在45 s時(shí)占比達(dá)到了5.6%，表明片麻巖內(nèi)部裂紋開始破裂擴(kuò)展釋放能量?；钴S期：此階段片麻巖聲發(fā)射能率呈現(xiàn)突增現(xiàn)象，能率峰值極高，裂隙快速發(fā)育擴(kuò)展，預(yù)示片麻巖即將失穩(wěn)破壞。累計(jì)能率曲線斜率直線式增長，尤以KY-1明顯，峰值應(yīng)力前短暫時(shí)間能量達(dá)到最大，累計(jì)能量達(dá)85.2%。片麻巖完全失穩(wěn)破壞，并快速釋放大量能量，該特征可作為片麻巖失穩(wěn)破壞的前兆預(yù)警信息。

3 聲發(fā)射頻域信號(hào)特征分析

3.1 聲發(fā)射主頻信號(hào)提取

巖石破裂過程中會(huì)釋放大量的能量，釋放的能量以彈性波的形式表現(xiàn)出來。文獻(xiàn)[14]研究指出，與時(shí)域參數(shù)相比，頻域特征往往具有本征性、唯一性的特點(diǎn)，能夠更好地反映巖石破壞機(jī)理。因此，分析巖石破壞釋放的波形信號(hào)可以更好地研究巖石的破裂演化機(jī)理。

聲發(fā)射信號(hào)作為一種非平穩(wěn)信號(hào)，利用快速傅里葉變換(FFT)可將波形信號(hào)由時(shí)域轉(zhuǎn)化至頻域，聲發(fā)射頻域轉(zhuǎn)化原理為[15]

(1)

式中：x(t)為原信號(hào)時(shí)間域的表達(dá)；X(f)為原信號(hào)頻域表達(dá)。

本文以KY-1第30個(gè)聲發(fā)射波形為例說明，聲發(fā)射信號(hào)傅里葉變化波形示意圖如圖5所示。利用MATLAB軟件對(duì)片麻巖試件破壞全過程各時(shí)刻聲發(fā)射波形信號(hào)進(jìn)行批量處理，得出主頻分布，如圖6所示。

圖5 聲發(fā)射信號(hào)頻譜圖

圖6 主頻分布圖

3.2 聲發(fā)射主頻頻帶劃分

巖石破壞全過程會(huì)產(chǎn)生大量的波形信號(hào)，試件KY-1共產(chǎn)生15 324個(gè)波形信號(hào)，試件KY-3共產(chǎn)生15 868個(gè)波形信號(hào)。將采集的波形信號(hào)通過快速傅里葉變換，提取主頻值，得到片麻巖試件KY-1和KY-3受壓全過程中聲發(fā)射主頻隨時(shí)間變化關(guān)系，繪制主頻隨時(shí)間變化曲線，如圖7所示。

圖7 片麻巖破裂全過程聲發(fā)射主頻、應(yīng)力隨時(shí)間變化關(guān)系曲線

由圖7可知，片麻巖單軸壓縮破壞全過程聲發(fā)射信號(hào)主頻值分布在0～200 kHz內(nèi)，主頻值呈現(xiàn)出明顯的頻段分布特征。根據(jù)主頻值密集程度劃分為5個(gè)頻帶，如表2所示。定義0～40 kHz為低頻頻帶，>40～80 kHz為中低頻頻帶，>80～130 kHz為中頻頻帶，>130～160 kHz為中高頻頻帶，>160～200 kHz為高頻頻帶。由圖7分析可知，片麻巖試件聲發(fā)射主頻主要分布在頻帶Ⅰ、頻帶Ⅲ及頻帶Ⅴ，其中頻帶Ⅱ和頻帶Ⅳ有零星分布。

表2 頻帶劃分表

3.3 聲發(fā)射主頻特征分析

文獻(xiàn)[14]研究指出，巖石破壞所釋放的不同聲發(fā)射頻率預(yù)示著不同的破壞形式。由圖7分析可以發(fā)現(xiàn)，試件KY-1和試件KY-3破壞全過程頻率值分布整體表現(xiàn)出較好的一致性。綜合分析可知，巖石破裂聲發(fā)射主頻值主要分布在頻帶Ⅰ、頻帶Ⅲ及頻帶Ⅴ。頻帶Ⅰ內(nèi)頻率值呈現(xiàn)先增大后減小再增加，最后部分頻率缺失的頻譜特征。頻帶Ⅲ內(nèi)頻率值貫穿巖石破壞整個(gè)過程，表現(xiàn)出相對(duì)均勻的分布特征，巖石破裂前期呈現(xiàn)頻率密度迅速增大現(xiàn)象，且頻率值呈現(xiàn)明顯減小趨勢(shì)。頻帶Ⅴ總體呈現(xiàn)先減小后增大的頻率密度分布特征，巖石破裂前期頻率密度迅速增大，頻率值呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。各頻段呈現(xiàn)出不同的分布特征，頻帶Ⅰ和頻帶Ⅴ跨尺度范圍約為40 kHz，頻帶Ⅴ跨尺度范圍約50 kHz。

由片麻巖試件宏觀破壞形式可以看到，試件KY-1和試件KY-3均呈現(xiàn)出以張拉劈裂破壞為主的破壞形式，5組片麻巖試件破壞形式如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，片麻巖破壞主頻主要在80～130 kHz內(nèi)，且貫穿巖石破裂的整個(gè)過程，可以認(rèn)為頻帶Ⅲ對(duì)應(yīng)片麻巖的主要破壞形式。試驗(yàn)結(jié)果表明，單軸壓縮下深部片麻巖呈現(xiàn)出以張拉劈裂破壞為主的破壞形式。

圖8 片麻巖試件破壞形式

由圖7可知，巖石變形破壞全過程中，各個(gè)頻帶均有頻值分布。本文以時(shí)間為主軸(按試件KY-3試驗(yàn)時(shí)間劃分)，進(jìn)行巖石破壞全過程分析：

(1)非線性壓密階段(時(shí)間0～93 s)：片麻巖內(nèi)部微孔隙、微裂隙受壓閉合，片麻巖吸收能量，部分微裂隙相互貫通破裂向外釋放少量能量。因此，此階段聲發(fā)射信號(hào)會(huì)產(chǎn)生不同頻帶的頻率值。

(2)線彈性階段(時(shí)間>93～200 s)：該時(shí)間段內(nèi)，頻帶Ⅰ和頻帶Ⅲ內(nèi)頻率值相對(duì)減少，說明片麻巖處于線彈性階段時(shí)，片麻巖吸收大量的能量，其內(nèi)部新生裂紋極少幾乎無新生裂紋破裂擴(kuò)展。

(3)屈服階段(時(shí)間>200～230 s)：此階段頻帶Ⅰ和頻帶Ⅴ頻率密度開始迅速增長，說明巖石內(nèi)部開始產(chǎn)生大量新生裂紋。

(4)破壞階段(時(shí)間>230～267 s)：該時(shí)間段內(nèi)頻帶Ⅰ內(nèi)頻率密度開始迅速減小，頻帶Ⅴ內(nèi)頻率密度開始迅速增加，說明片麻巖內(nèi)部由屈服階段產(chǎn)生的新生裂紋開始迅速破裂擴(kuò)展，片麻巖隨時(shí)可能產(chǎn)生失穩(wěn)破壞?？蓪⑵渥鳛槠閹r破裂的前兆特征，并且該特征與片麻巖失穩(wěn)破壞時(shí)域前兆特征基本同步，時(shí)頻域信號(hào)具有較強(qiáng)的耦合性。

分析試件KY-1和KY-3可知，片麻巖試件破裂前聲發(fā)射主頻頻率密度分布呈現(xiàn)明顯的不同特征。片麻巖破壞前期，頻帶Ⅰ內(nèi)頻率密度呈現(xiàn)明顯的減少現(xiàn)象，部分頻值出現(xiàn)“缺失”現(xiàn)象；頻帶Ⅲ和頻帶Ⅴ頻率密度呈現(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，且頻帶Ⅲ和頻帶Ⅴ頻率信號(hào)呈現(xiàn)明顯的“下移”現(xiàn)象。故可將片麻巖破裂前低頻頻帶“缺失”和中頻、高頻頻帶“下移”現(xiàn)象作為片麻巖破裂前兆信號(hào)。

4 結(jié) 論

(1)金廠峪金礦埋深640 m深部巷道片麻巖試件單軸抗壓強(qiáng)度約為110 MPa，單軸壓縮下以張拉劈裂崩落破壞為主、剪切破壞形式為次的復(fù)合型失穩(wěn)破壞。

(2)聲發(fā)射時(shí)域信號(hào)在片麻巖破裂全過程不同階段表現(xiàn)出不同的特征，在片麻巖破裂前聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)會(huì)呈現(xiàn)“單峰型”突增現(xiàn)象，累計(jì)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)增長率持續(xù)增大；聲發(fā)射能率呈現(xiàn)突增現(xiàn)象，能率峰值極高，累計(jì)能率曲線斜率近直線式增長。

(3)聲發(fā)射主頻值隨時(shí)間變化呈現(xiàn)明顯的頻段分布特征。根據(jù)主頻值密集程度劃分為5個(gè)頻段，片麻巖試件破壞主頻值主要在0～200 kHz內(nèi)。片麻巖失穩(wěn)破裂前會(huì)產(chǎn)生低頻帶“缺失”和中高頻帶“下移”的破裂前兆信號(hào)。

(4)片麻巖失穩(wěn)破壞前，聲發(fā)射時(shí)頻域前兆特征基本同時(shí)出現(xiàn)，具有較好的耦合性，通過聲發(fā)射時(shí)頻域相結(jié)合的方法可為研究巖石破裂前兆提供一定的理論基礎(chǔ)。

本文是針對(duì)金廠峪金礦目前開采礦段巷道圍巖進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)取樣和試驗(yàn)研究與分析，此研究方法及研究結(jié)果能較好地反映該礦山的片麻巖失穩(wěn)破裂前兆特征。未來還需要結(jié)合其他深部礦山作進(jìn)一步研究，以期得到普適性的規(guī)律。