刘城成,王创业,韩天宇,游茹,隋青瑞
(内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院,内蒙古 包头 014010)
岩石内部微裂纹受力的作用下闭合、扩展贯通过程中以瞬态弹性波释放应变能的现象叫做岩石的声发射(Acoustic Emission,AE)[1].声发射信号由材料内部微缺陷本身产生,每一个声发射信号都反映了材料内部微缺陷的动态发展信息[2].
张艳博等[3]发现室内岩石破坏试验与工程现场岩爆现象具有一致性;何满潮等[4]认为声发射主频的复杂组成成分与岩石裂纹的破裂模式相关;赵奎等[5]采用声发射信号的频域信息表征岩石内部裂纹演化特征;龚囱等[6]记录岩石破坏过程中不同的主频特征;王创业等[7]研究了石灰岩、砂岩与类岩石在单轴压缩条件下的力学特征及声发射特性;高臻炜等[8]开展了含贯通节理的细砂岩单轴模拟试验,研究了贯通节理的倾角、粗糙度对岩石破坏模式的影响.在单轴压缩声发射试验研究不断完善推进的同时,以石灰岩为研究对象的声发射波形分析补充了声发射方向研究对象和研究方法上的缺失,对岩土工程的安全建设具有重要的应用价值和现实意义.
以内蒙古乌海石灰岩为试验对象,进行单轴压缩声发射试验,采用主频时频域波形分析,研究和探寻石灰岩破裂失稳前兆.
1.1 试验试件
石灰岩试件产地取自内蒙古乌海卡布其矿区,按照国际岩石力学学会(ISRM)试验规程将石灰岩加工成Φ50 mm×H100 mm的标准圆柱形试件.测量记录每块石灰岩试件的质量及其尺寸对其按测量顺序进行编号,分别为Shy01～05,试件具体物理力学参数汇总至表1.
表1 石灰岩试件物理力学参数
1.2 试验设备
岩石加载系统采用微机控制电液伺服岩石压力试验机(SAS-2000,长春新科)和多通道声发射监测系统(SAEU2S,北京声华)进行岩石试样单轴压缩实验;在力学试验进行过程中同步采集与分析声发射特征参数.试验采用轴向等位移控制方式,以0.05 mm·min-1的加载速率进行加载,直至试件发生破坏.试验中声发射的采样频率为1 000 kHz,波形门限、参数门限、前放增益均设置为40 dB.试验设备见图1.
图1 试验设备
试验开始后,同步运行伺服加载系统、声发射信号采集系统,同时记录加载过程中的应力、应变及声发射信号的相关参数.
通过石灰岩试件在单轴压缩试验的表现,从声发射信号持续时间、石灰岩表面动态破坏、破坏面特征等方面进行分析.5个试件试验结果基本划分为2类,主要分析具有典型脆性岩爆试件Shy03和相对塑性延时破坏失稳的试件Shy05.通过试验后试件的破坏形态见图2及时间应力曲线见图3,分析2个试件的破坏面特征及其破坏模式.
图2 试件破坏形态(a)Shy03试件;(b)Shy05试件
图3 试件时间应力曲线
结合图2,3可知:在加载初期阶段,Shy03经历了一个较短的压密阶段,试件表面保持完整.试件加载1 845 s后,当应力接近峰值载荷53 MPa时,石灰岩破裂失稳,试件侧面出现明显宏观裂纹,石灰岩碎片从岩体表面抛射出来,伴随着巨大的爆破声,呈现典型脆性破坏特征.Shy03试件最终破坏面形貌如图3(a)所示,存在大量剪切裂隙和劈裂裂隙.此外,石灰岩碎块较大,整个石灰岩剥落,表明试件Shy03经历了剧烈的岩爆,整体失稳破坏持续时间较短,能量释放速度较快.
在加载初期,试件Shy05的特性与试件Shy03相似.当试件加载1 088 s,应力接近峰值载荷81 MPa时,石灰岩试件表面出现轻微的石灰岩破碎剥落,岩屑从剥落区滑出,表明试件处于破裂初期.随着载荷的不断增加,混合着岩尘的石灰岩碎片从试件表面喷射出来,试件表面出现明显的裂纹.随着加载持续1 408 s,喷射出少量岩屑,伴随着响亮的爆裂声,试件表面形成宏观裂纹,试件完全破裂失稳.从石灰岩开始破裂到完全失稳,历时320 s,轴向应力降至27 MPa.从最终破坏面形貌图2(b)可以看出,试件破坏模式有典型塑性变形特征,轴向剪切裂隙贯通,使整个岩体破裂失稳.
相比于声发射的参数分析,声发射主频能够更全面直观地反映声发射源信息.对声发射信号进行主频特征分析更有助于获得更多的石灰岩断裂信息.
3.1 声发射信号的主频提取方法
声发射频谱分析能有效反映声发射源的损伤特征,通常需要快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)将声发射波形信号从时域转换到频域[9].其中FFT转换公式为:
(1)
式中:x(t)为原信号时间域,kHz;X(f)为原信号频率域,mV.
利用Matlab搭建的主频分析提取处理平台,采用FFT频谱分析方法获得二维频谱,如图4所示.并将其幅值最高点对应的频率定义为声发射主频.
图4 声发射信号频谱特征图(a)频谱图;(b)原始波形
3.2 声发射信号频域特征演化分析
声发射频域信号中包含着大量岩石变形破坏过程中的内部裂纹断裂演化信息.声发射的能量能反映了岩石内部裂纹产生或扩展时所释放的弹性能.为了研究单轴压缩条件下石灰岩试件在变形破坏过程中的声发射信号主频和能量的变化特征,对采集到的声发射主频信号进行处理,并绘制如图5所示的声发射信号主频、轴向应力、声发射累积能量与时间之间关系曲线.
图5 声发射信号主频、轴向应力与时间之间的关系曲线(a)Shy03试件;(b)Shy05试件
通过分析图5可知,声发射主频的分布可分为3个频带:低(0～75 kHz)、中(75～125 kHz)和高(≥125 kHz)频段.对所有声发射频率的分析表明,试件的主频具有相似的演化模式.在加载初期,中频段信号较少.早期中频段信号的密度明显低于高频和低频信号的密度如图5(a).随着轴向压力的增大,破裂前夕中频段信号激增,伴随着石灰岩内部声发射能量增大,对应试件即将达到峰值应力也是破裂失稳的前兆.在石灰岩破坏失稳过程中频域信号随破坏阶段有明显变化,其中中频信号的差异最为明显.所选试件中Shy05的中频信号密度一直较高,试件Shy03的中频信号密度在试件破坏前夕密集出现,伴随声发射能量的激增,脆性破坏的现象更为明显,易出现岩爆现象.石灰岩破坏前中频段主频明显增加,此结果可作为石灰岩破裂失稳发生的具体特征指标.
石灰岩破裂过程中不同模式声发射信号演化规律根据石灰岩破裂模式和声发射特征(能量、幅值和主频)的关系分析,可知石灰岩声发射主频信号幅值与石灰岩破裂模式:高频高幅值、高频低幅值、低频高幅值、低频低幅值,分别对应小尺度高能量破坏、小尺度低能量破坏、大尺度高能量破坏、大尺度低能量破坏[10].主频幅值与声发射能量成正比,而声发射能量与石灰岩中裂隙大小呈正相关.换言之,试件脆性破坏现象越严重,声发射幅值越高.
结合图6可以看出,石灰岩声发射低幅值信号分布在低、中、高频带,而高幅值信号集中在低频带.试件Shy03的主频呈现以15～75 kHz为主的低频低幅值单峰状,对应破坏模式单一,以脆性剪切破坏为主.试件Shy05主频幅值向双峰转变,主峰频率在44.43 kHz幅值为1 692 mV,次主峰频率在23.44 kHz幅值为1 652 mV对应破坏模式复杂,塑性破坏特征明显.
图6 声发射信号主频、幅值散点图(a)Shy03试件;(b)Shy05试件
以上分析表明:主频的频率与破坏模式呈现变化规律.高频值信号反映了石灰岩裂隙的活动强度,高频值信号反映了石灰岩内部微裂隙的萌生扩展,低频值则显示石灰岩存在较大的宏观裂缝.主频幅值在石灰岩破裂强度中整体呈增加趋势,说明石灰岩中裂纹扩展能量释放加剧,声发射频谱的峰值形状也向低频单峰转变,可作为石灰岩破裂失稳脆性破坏的前兆.
1)在单轴压缩试验中,石灰岩声发射波形主要集中在15～75 kHz频带和125～175 kHz频带.
2)在观测到的声发射事件中,最高振幅总是与低主频率相关对应高能量大尺度的破坏.
3)可将石灰岩破裂前夕声发射中频信号明显增加,且岩爆现象在声发射主频幅值处在单峰时更为剧烈作为石灰岩破坏前夕过程中主频的演化特征.
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