單軸壓縮條件下充填體—砂巖組合體破壞過(guò)程及前兆特征聲發(fā)射試驗(yàn)研究

趙 奎 宋 林 曾 鵬 謝文健 龔 囪 伍文凱 劉 宇

(1.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,江西 贛州 341000;2.江西省礦業(yè)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 贛州 341000;3.江西省地質(zhì)局生態(tài)地質(zhì)大隊(duì),江西 南昌 330001)

聲發(fā)射監(jiān)測(cè)是礦山常用的無(wú)損監(jiān)測(cè)手段,在礦巖體、礦柱及充填體的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)方面均發(fā)揮了重要作用,聲發(fā)射監(jiān)測(cè)過(guò)程一般要求將傳感器盡可能貼近監(jiān)測(cè)對(duì)象,從而防止聲發(fā)射信號(hào)過(guò)度衰減[1]。但實(shí)際采礦工程中,常常會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射傳感器無(wú)法直接安放在監(jiān)測(cè)對(duì)象表面的情形。以采用充填采礦法的礦山為例,聲發(fā)射傳感器有時(shí)須安放在隔條礦柱或充填體側(cè),達(dá)到監(jiān)測(cè)目的。因此,研究通過(guò)充填體介質(zhì)監(jiān)測(cè)巖石聲發(fā)射信號(hào)和通過(guò)巖石介質(zhì)監(jiān)測(cè)充填體聲發(fā)射信號(hào)特征具有一定的實(shí)際意義。

巖石類材料內(nèi)部損傷演化過(guò)程中往往伴隨聲發(fā)射現(xiàn)象[2-3]。學(xué)者們對(duì)巖石類材料損傷破壞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行研究,探究其破壞失穩(wěn)聲發(fā)射前兆特征,并取得了豐富的成果。張省軍等[4]研究了單軸壓縮下粗?；◢弾r、大理巖和砂巖等巖石破壞過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào),提出可根據(jù)累計(jì)聲發(fā)射數(shù)快速增加、聲發(fā)射能量快速釋放、聲發(fā)射b值下降到最低值作為巖石破裂失穩(wěn)的前兆信息;張艷博等[5]通過(guò)巷道巖爆模擬試驗(yàn),對(duì)該過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行聚類分析及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別,并建立了巖爆實(shí)時(shí)預(yù)警方法;曾鵬等[6]對(duì)粗砂巖單軸壓縮聲發(fā)射信號(hào)頻段占比隨應(yīng)力的變化特征進(jìn)行了分析,通過(guò)特征頻段占比及聲發(fā)射幅值關(guān)聯(lián)維數(shù)演化可更準(zhǔn)確地對(duì)巖石破壞前兆進(jìn)行判識(shí)和預(yù)測(cè);宋朝陽(yáng)等[7]對(duì)不同粒徑的弱膠結(jié)砂巖進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn),將聲發(fā)射信號(hào)主頻頻段增加作為其破壞前兆判識(shí)信息;張志博等[8]采用時(shí)—空維度聚類分析法分析了循環(huán)加卸載條件下煤樣破壞過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào),將無(wú)聲發(fā)射信號(hào)區(qū)域縮小、能量劇烈釋放作為煤樣失穩(wěn)破壞前兆判識(shí)信息;CHEN等[9]對(duì)不同節(jié)理角度的砂巖試件進(jìn)行剪切試驗(yàn),研究了不同節(jié)理角度條件下砂巖剪切破壞過(guò)程中的裂紋演化規(guī)律及其聲發(fā)射信號(hào)特征;梁學(xué)健等[10]開(kāi)展了不同灰砂比充填體單軸壓縮試驗(yàn),提出中、高頻信號(hào)明顯增加這一特征可作為充填體破壞前兆判識(shí)信息;趙奎等[11]基于顆粒流軟件建立了花崗巖等效晶體模型,對(duì)不同粒徑大小的花崗巖進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射模擬試驗(yàn),研究了晶粒大小對(duì)聲發(fā)射相對(duì)平靜期的影響規(guī)律,為相對(duì)平靜期現(xiàn)象應(yīng)用于巖石失穩(wěn)破壞的監(jiān)測(cè)預(yù)警提供了一定的依據(jù)。

綜上分析,學(xué)者們?cè)诓煌瑤r性巖石及類巖石材料破壞過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)特征及其預(yù)警方面做了大量研究,并取得了豐碩成果,但關(guān)于通過(guò)充填體介質(zhì)監(jiān)測(cè)巖石聲發(fā)射信號(hào)或通過(guò)巖石介質(zhì)監(jiān)測(cè)充填體聲發(fā)射信號(hào)特征方面的研究涉及較少。為此,本研究在室內(nèi)開(kāi)展砂巖及充填體—砂巖組合體單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn),分別在充填體—砂巖組合體兩側(cè)各安放同類傳感器,研究?jī)烧咧g聲發(fā)射信號(hào)的差異性,并基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)充填體—砂巖組合體的聲發(fā)射信號(hào)類型進(jìn)行識(shí)別分析,探究充填體—砂巖組合體破壞前兆判識(shí)信息,以期為礦山開(kāi)采過(guò)程中的圍巖與充填體組合礦柱破壞失穩(wěn)監(jiān)測(cè)及預(yù)警提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試件制備

試驗(yàn)參照充填采礦法回采過(guò)程(圖1)分別制備砂巖試件與充填體—砂巖組合體試件,具體步驟如下:

(1)砂巖試件制備。試驗(yàn)所用砂巖均取自同一塊結(jié)構(gòu)較完整的砂巖巖塊,巖塊取自江西贛南地區(qū),顏色為磚紅色,結(jié)構(gòu)致密,遇水無(wú)泥化現(xiàn)象。參照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)建議的尺寸和精度,共制備6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)圓柱體砂巖試件,尺寸為?50 mm×100 mm,編號(hào)為H1～H6。

(2)充填體—砂巖組合體試件制備。將制備的砂巖試件H4～H6對(duì)半切開(kāi),得到6塊半圓柱體砂巖試件,并將其置于標(biāo)準(zhǔn)型圓柱模具中,采用灰砂比1∶4、質(zhì)量分?jǐn)?shù)74%的充填料漿進(jìn)行澆筑,待其初凝后進(jìn)行刮模、脫模處理,然后置于YH-35B型標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)?；趯?shí)際開(kāi)采過(guò)程中,礦山有時(shí)在充填體構(gòu)筑完成1～2周后,進(jìn)行下一階段開(kāi)采工作,故本次試驗(yàn)充填體—砂巖組合體試件養(yǎng)護(hù)齡期為14 d。養(yǎng)護(hù)完成后,最終得到3個(gè)合格的充填體—砂巖組合體試件,編號(hào)為Z1～Z3(圖2)。

圖2 砂巖及充填體—砂巖組合體試件Fig.2 Specimens of sandstone and filling body-sandstone combination

本次試驗(yàn)對(duì)砂巖、充填體—砂巖組合體試件進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn),采集相應(yīng)的力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及聲發(fā)射原始數(shù)據(jù)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

本次試驗(yàn)采用中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研發(fā)的RMT-150C巖石力學(xué)加載試驗(yàn)系統(tǒng),試驗(yàn)全程采用位移控制方式,加載速率為0.002 mm/s。

試驗(yàn)聲發(fā)射采集系統(tǒng)采用PCI-Ⅱ型聲發(fā)射儀,AE傳感器選用2個(gè)型號(hào)相同的UT-1000傳感器,前置放大增益40 dB,采樣頻率為1MSPS,門檻值為40 dB。試驗(yàn)過(guò)程中,將AE傳感器安裝于試件側(cè)面居中位置,安放位置事先用比例尺標(biāo)記好點(diǎn)位并輕微打磨,然后在試件與傳感器接觸位置涂抹凡士林耦合劑使二者充分耦合接觸,并用膠帶將傳感器固定。為了對(duì)比分析,在充填體—砂巖組合體試件砂巖側(cè)與充填體側(cè)各布置1個(gè)聲發(fā)射傳感器,傳感器安裝于試件砂巖側(cè)(充填體側(cè))居中位置。試驗(yàn)設(shè)備與試件安裝連接如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)設(shè)備與試件安裝連接示意Fig.3 Schematic of installation and connection of test equipment and test piece

1.3 單軸抗壓強(qiáng)度

充填體—砂巖組合體試件的時(shí)間—應(yīng)力曲線(圖4)、單軸抗壓強(qiáng)度與砂巖試件存在明顯差異。在應(yīng)力水平較低時(shí),砂巖試件曲線表現(xiàn)為下凹彎曲狀態(tài),組合體試件曲線呈微傾斜緩慢上升;當(dāng)加載至峰值應(yīng)力附近時(shí),各試件均表現(xiàn)為上凸屈服狀態(tài)。同時(shí),砂巖試件的單軸抗壓強(qiáng)度明顯高于組合體試件,砂巖試件單軸抗壓強(qiáng)度平均值為52.91 MPa,而組合體試件的平均單軸抗壓強(qiáng)度為20.55 MPa,僅為砂巖試件的38.85%。

圖4 單軸壓縮下不同類型試件時(shí)間—應(yīng)力曲線Fig.4 Time-stress curves of different types of specimens under uniaxial compression

2 聲發(fā)射信號(hào)差異性分析

2.1 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)

聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)是聲發(fā)射信號(hào)超過(guò)某設(shè)定閾值的振蕩次數(shù),可反映聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度與頻度,常用于評(píng)價(jià)聲發(fā)射活動(dòng)性程度強(qiáng)弱[13]。充填體—砂巖組合體試件破壞過(guò)程中砂巖側(cè)與充填體側(cè)及砂巖試件破壞過(guò)程的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與峰前應(yīng)力百分比關(guān)系如圖5所示。

圖5 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)與應(yīng)力百分比關(guān)系(試件H 1、Z1)Fig.5 Relationship between acoustic emission ring count and stress percentage (specimen H 1 and Z1)

加載初期,組合體試件砂巖部分壓密過(guò)程中與充填體部分摩擦、擠壓,造成損傷,試件兩側(cè)均監(jiān)測(cè)到大量的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生,砂巖試件僅有少量聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生;當(dāng)加載至峰值應(yīng)力的80%左右時(shí),砂巖試件及組合體試件砂巖側(cè)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)均出現(xiàn)明顯的“激增”現(xiàn)象,而組合體試件充填體側(cè)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)“激增”現(xiàn)象相對(duì)不明顯;同時(shí),臨近峰值應(yīng)力,砂巖試件有少量振鈴計(jì)數(shù)值較高的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生,而組合體試件砂巖側(cè)與充填體側(cè)峰值破壞前聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)值均處于較低水平,與砂巖試件存在明顯差異。從整體上看,峰值應(yīng)力前砂巖試件中聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)整體呈“平穩(wěn)—激增”變化趨勢(shì),組合體試件砂巖側(cè)聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)整體呈“W”狀變化,組合體試件充填體側(cè)聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)整體呈“V”狀變化,相互之間存在明顯差異。

2.2 聲發(fā)射信號(hào)主頻

對(duì)各傳感器所采集到的聲發(fā)射信號(hào)原始波形文件進(jìn)行快速傅里葉變換,得到各試件破壞過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)主頻。根據(jù)聲發(fā)射采樣率(1 MSPS),得到其奈奎斯特(Nyquist)頻率為500 kHz,用MATLAB自帶小波包將聲發(fā)射信號(hào)分解到第4層,分別提取了16個(gè)頻段,各頻段長(zhǎng)度為31.25 kHz,分別為0～31.25 kHz,31.25～62.5 kHz,…,468.75～500 kHz[6]。分別得到砂巖、組合體(砂巖側(cè)與充填體側(cè)信號(hào))破壞過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)主頻、應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖6所示。

圖6 聲發(fā)射信號(hào)主頻與應(yīng)力百分比關(guān)系(試件H 1、Z1)Fig.6 Relationship between dominant frequency of acoustic emission signal and stress percentage (specimen H 1 and Z1)

加載初期,組合體試件砂巖側(cè)與充填體側(cè)聲發(fā)射信號(hào)主頻主要集中在31.25～62.5 kHz頻段,同時(shí)存在少部分0～31.25 kHz與93.75～125 kHz頻段的聲發(fā)射信號(hào),而砂巖試件中的聲發(fā)射信號(hào)主頻幾乎全部集中在31.25～62.5 kHz頻段。隨著應(yīng)力水平不斷增加,砂巖試件聲發(fā)射信號(hào)主頻逐漸由31.25～62.5 kHz 1個(gè)頻段向31.25～62.5 kHz、62.5～93.75 kHz及93.75～125 kHz 3個(gè)頻段演化,組合體試件砂巖側(cè)與充填體側(cè)聲發(fā)射信號(hào)主頻逐漸由0～31.25 kHz、31.25～62.5 kHz與93.75～125 kHz 3個(gè)頻段向31.25～62.5 kHz及93.75～125 kHz 2個(gè)頻段演化。峰值應(yīng)力前,砂巖試件聲發(fā)射信號(hào)主頻由原先3個(gè)頻段向6個(gè)頻段向演化,并產(chǎn)生少量250～281.25 kHz及281.25～312.5 kHz高頻段聲發(fā)射信號(hào)。組合體試件砂巖側(cè)聲發(fā)射信號(hào)主頻由原先2個(gè)頻段向0～31.25 kHz、31.25～62.5 kHz、62.5～93.75 kHz與93.75～125 kHz 4個(gè)頻段演化;充填體側(cè)聲發(fā)射信號(hào)主頻由原先2個(gè)頻段向0～31.25 kHz、31.25～62.5 kHz與93.75～125 kHz 3個(gè)頻段演化,且93.75～125 kHz頻段聲發(fā)射信號(hào)量明顯少于試件砂巖側(cè);同時(shí)能夠發(fā)現(xiàn),峰值應(yīng)力前,組合體試件砂巖側(cè)與充填體側(cè)均未監(jiān)測(cè)到高頻段聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生,與砂巖試件存在明顯差異。

3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聲發(fā)射信號(hào)類型識(shí)別及分析

3.1 聲發(fā)射信號(hào)類型識(shí)別

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有信號(hào)向前傳遞,誤差反向傳播的特點(diǎn),也被稱為誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),在信號(hào)識(shí)別等領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用[5,14-15]。因此,本研究將大量已知的砂巖和充填體聲發(fā)射信號(hào)建立樣本庫(kù),利用提取的特征參數(shù)對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,誤差達(dá)到合理范圍后使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)組合體試件峰值破壞前的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,進(jìn)一步探究充填體—砂巖組合體破壞前兆判識(shí)信息,具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 聲發(fā)射信號(hào)類型與應(yīng)力百分比關(guān)系(試件Z1)Fig.7 Relationship between acoustic emission signal type and stress percentage (specimen Z1)

由圖7可知:組合體試件破壞過(guò)程中的聲發(fā)射信號(hào)主要為砂巖類聲發(fā)射信號(hào),充填體類聲發(fā)射信號(hào)較少。加載初期,組合體試件聲發(fā)射信號(hào)大部分為砂巖類聲發(fā)射信號(hào),充填體類聲發(fā)射信號(hào)較少,說(shuō)明此時(shí)組合體試件由砂巖部分起主要承載作用;超過(guò)峰值應(yīng)力的40%后,充填體類聲發(fā)射信號(hào)逐漸減少,試件聲發(fā)射信號(hào)幾乎全為砂巖類聲發(fā)射信號(hào);達(dá)到峰值應(yīng)力的80%后,充填體類聲發(fā)射信號(hào)數(shù)逐漸增加,表明此時(shí)試件砂巖部分內(nèi)部微裂紋萌生擴(kuò)展達(dá)到一定程度,承載能力降低,試件充填體部分承載作用增強(qiáng)[16];超過(guò)峰值應(yīng)力的90%后,試件砂巖類聲發(fā)射信號(hào)與充填體類聲發(fā)射信號(hào)數(shù)量均出現(xiàn)“突增”現(xiàn)象,說(shuō)明此時(shí)試件內(nèi)部微裂紋不斷擴(kuò)展、貫通,聲發(fā)射活動(dòng)十分劇烈,預(yù)示試件即將破壞,可作為組合體試件破壞前兆特征之一。

3.2 不同類型聲發(fā)射信號(hào)占比分析

為進(jìn)一步研究峰值應(yīng)力前組合體試件聲發(fā)射信號(hào)類型規(guī)律,對(duì)不同應(yīng)力百分比區(qū)間內(nèi)砂巖類聲發(fā)射信號(hào)占比進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[6,17-18],結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同應(yīng)力百分比區(qū)間內(nèi)砂巖類聲發(fā)射信號(hào)占比關(guān)系Fig.8 Proportion of acoustic emission signals of sandstone in different stress percentage intervals

峰值應(yīng)力前,組合體試件砂巖側(cè)聲發(fā)射信號(hào)中砂巖類聲發(fā)射信號(hào)占比較大,總體呈“降—升—降”變化趨勢(shì)。加載初期,砂巖側(cè)聲發(fā)射信號(hào)大部分為砂巖類聲發(fā)射信號(hào),說(shuō)明此時(shí)組合體試件由砂巖部分起主要承載作用;持續(xù)加載過(guò)程,試件逐漸被壓密,試件充填體部分逐漸開(kāi)始起承載作用并產(chǎn)生少量充填體類聲發(fā)射信號(hào),砂巖類聲發(fā)射信號(hào)占比逐漸下降;應(yīng)力持續(xù)增大,組合體試件砂巖部分內(nèi)部微裂紋逐漸萌生擴(kuò)展,產(chǎn)生大量砂巖類聲發(fā)射信號(hào),此階段試件充填體部分依然處于被壓密狀態(tài),只有少量充填體類聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生,砂巖類聲發(fā)射信號(hào)占比逐漸上升;當(dāng)加載至峰值應(yīng)力的70%～80%時(shí),試件砂巖部分已產(chǎn)生較大程度損傷,充填體部分承載作用迅速增強(qiáng)[16],內(nèi)部微裂紋不斷萌生擴(kuò)展,產(chǎn)生大量充填體類聲發(fā)射信號(hào),砂巖類聲發(fā)射信號(hào)占比逐漸下降,預(yù)示試件即將破壞。

4 結(jié) 論

(1)充填體—砂巖組合體試件的時(shí)間—應(yīng)力曲線特征與砂巖試件存在明顯差異。組合體試件的平均單軸抗壓強(qiáng)度明顯小于砂巖試件,為砂巖的38.85%。

(2)對(duì)比分析充填體—砂巖組合體與砂巖試件破壞前的聲發(fā)射信號(hào)特征發(fā)現(xiàn),砂巖試件臨近破壞前有少量250.0～281.25 kHz及281.25～312.5kHz頻段的較高頻信號(hào)出現(xiàn),而組合體試件兩側(cè)均未出現(xiàn)此頻段的聲發(fā)射信號(hào)。且組合體試件中所采集到的聲發(fā)射信號(hào)振鈴計(jì)數(shù)量整體少于砂巖試件,差異明顯。

(3)峰值應(yīng)力前,組合體試件中砂巖一側(cè)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)明顯的“激增”現(xiàn)象,同時(shí)產(chǎn)生大量93.75～125kHz頻段的聲發(fā)射信號(hào);而充填體一側(cè)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)“激增”現(xiàn)象相對(duì)不明顯,且只有極少量93.75～125 kHz頻段的聲發(fā)射信號(hào)。

(4)采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)組合體試件兩側(cè)采集到的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別,計(jì)算了不同應(yīng)力百分比區(qū)間內(nèi)的砂巖類信號(hào)的占比。組合體試件破壞過(guò)程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)以砂巖類信號(hào)為主;峰值應(yīng)力前,砂巖類信號(hào)的占比逐漸下降,充填體類信號(hào)的占比逐漸上升,這一現(xiàn)象可作為組合體試件破壞的前兆特征。