熊毅　　王卓雄　　白悦

(1．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆　400030;　2．重庆大学资源及环境科学学院，重庆　400030)



岩石试件单轴破坏过程的声发射特征研究★

熊毅1，2王卓雄1，2白悦1，2

(1．重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400030;2．重庆大学资源及环境科学学院，重庆400030)

摘要:针对隧道围岩稳定性预测问题，通过室内岩石力学试验，分析了三泉隧道内部石灰岩试件单轴破坏过程的声发射及微裂隙演化特征，得出了一些结论，有利于隧道围岩稳定性的控制。

关键词:围岩，声发射特征，微裂隙演化特征，稳定性

声发射是材料受外力作用出现变形或裂纹扩展，在其破坏过程中产生的瞬时应变能以弹性波的形式快速释放的现象［1-5］。由于自然界大部分的材料内部都含有或多或少的缺陷，在外界条件改变的情况下，内部缺陷状态发生改变，发出声音。从微观上看，声发射是由于材料内部晶体产生位错，微裂纹萌生且逐渐闭合、扩展;从宏观上看，声发射是由于材料内部出现大面积损伤或结构单元之间产生大幅度的相对运动而产生的。材料破坏失效的根本原因就是内部微裂纹的扩展与贯通。岩石作为非金属材料，强度很高，韧性很差，属于脆性材料，其声发射源主要为微裂纹开裂和宏观开裂［6-11］。进行单轴压缩条件下岩石试件破坏过程的声发射研究，可深入揭示岩石失稳破坏本质，从根本上认清其破坏的应力条件，为地下岩石工程灾害的预报预测提供理论基础。

1　研究背景

隧道的开挖主要有矿山法和新奥法，在这些开挖方法中都需要加强围岩稳定性方面的监测预警，防止由于地应力造成围岩失稳。三泉隧道地址位于重庆市南川区三泉镇境内，进洞口位于三泉镇石门沟沟口处，出洞口位于三泉镇半河乡天生桥北约50 m处。随着隧道的开挖长度不断增加，围岩的暴露面积也日益增大，为了保证隧道开挖安全高效的进行，减少开挖成本，亟待对围岩采取相应的防治措施，以免发生拱顶垮塌或岩爆等现象。本文对三泉隧道右洞内部石进行单轴压缩实验，并结合声发射方法对其破坏特征进行分析，希望能够对其围岩的稳定性监测及防治问题有所帮助，为隧道开挖过程中围岩失稳预测提供相关理论支持。

2　实验装置与实验方法

本次实验在重庆大学煤矿动力灾害学与控制国家重点实验室进行。经过对现场调研期间取得的三泉隧道右洞岩样，经取芯、切割、打磨等工序制成符合国际岩石力学学会建议的标准岩石力学试件，如图1所示。实验中主要使用的实验设备有:日本岛津公司生产的AG-Ⅰ250 kN型精密电子万能材料试验机、美国物理声学公司PCI-2型声发射测试分析系统、CCD高清摄像机，实验过程如图2所示。声发射检测仪是用来接收和处理声发射信号的机械设备，本次实验使用的美国物理声学公司PCI-2系统，该系统是对声发射特征参数/波形进行实时处理的双通道声发射系统。PCI-2系统主要由声发射检测仪主机、传感器、前置放大器等组成(如图3所示)。

实验步骤如下:以黄油作为耦合剂在岩石侧面粘贴四个声发射(如图4所示)，并检查探头接收到的信号是否正常。为了防止端面效应对实验结果的影响，安装试件前在其上下端面均匀涂抹一层黄油，并保证试件中心与试验机上下压头中心共线。轴向加载采用0．05 mm/min的位移控制，安装调整摄像机使其可以清晰的看到岩石试件正前方位置，设置声发射系统参数，完成后同时开启岛津试验机、声发射监测系统、CCD高清摄像机开始试验。试验中通过对岩石受力变形的位移、荷载控制，实时监测试件表面的细观裂纹演化过程及与之对应的声发射信号变化情况，并与应力—应变曲线相对比，从而研究磷矿石在轴向压缩条件下破坏失稳的力学及声发射特征。

图1　石灰石标准岩石试件

图2　试验过程设备布置图

3　实验结果分析

3．1石灰石单轴破坏全程应力—声发射—时间关系

对实验结果分析，得到单轴压缩过程中的应力、AE随时间变化曲线以及AE总计数随时间变化曲线，以1号试件为代表进行分析，可以看出应力—时间曲线与AE实时计数曲线对于反映岩石试件单轴破坏状态具有很好的一致性。

图3　PAC公司PCI-2型声发射测试分析系统

由图5可以看出:在oa阶段岩石试件处于微裂隙空隙闭合阶段，在轴向力的作用下，原始空隙裂隙开始闭合，在该过程中有少

图4　传感器布置形式

图5　1号试件的应力、AE实时计数—时间关系曲线

图6　应力、AE总计数—时间关系曲线

图6为实验所得岩石单轴破坏过程的应力、AE总计数—时间关系曲线，由图6可以看出随着岩石微破裂的不断发展岩石声发射AE总计数呈不断增大的趋势，且增长的幅度越来越大。在ab段，微弹性裂隙稳定发展阶段AE总计数—时间关系曲线开始稳定增大;在b点之后AE总计数—时间关系曲线上升到一个新的高度，然后保持一定的速度继续增大;到达c点附近时，AE总计数曲线增长速率发生了极大的改变，尤其是在岩石试件破坏的瞬间，AE总计数曲线直线上升。由AE总计数—时间曲线可以看出，在岩石破坏过程中，AE总计数呈“阶梯”状增长，且随着岩石破坏的发展“阶梯水平”的落差逐渐加大，“阶梯水平”逐渐减小。产生这种现象的原因是，随着应力的持续加载，岩石损伤破坏进程加快，AE信号突增频率加大，且增长的幅度也逐渐增大。

3．2基于CCD的试件破坏微裂隙演化规律分析

通过CCD高速摄像机实时监控试件在破坏过程中的裂隙演化特征，图7为不同时间试件表面裂隙演化过程。

由图7中不同时间岩石时间裂隙演化状态可以看到，在0 s～1 170 s时间内试件表面没有宏观裂隙产生，与图5和图6显示的ab阶段很少有声发射信号产生一致。在1 170 s时岩石试件前方上部左侧产生宏观微小裂隙，声发射监测数据显示该时间点AE计数较之前相比出现了较大的上升。1 200 s时岩石上部左侧裂隙向上部扩展，与此同时在岩石下部左侧角出现新的宏观裂隙，并且在1 242 s时该裂隙产生掉落，在其旁边又产生新的纵向裂隙。该过程在岩石试件的左上及左下位置都产生了微破裂，认为可能是由于该试件受力不均造成的，岩石试件端部不平行，造成试件左侧受力较大，产生端部效应使得试件受横向拉伸产生沿纵向的裂纹。在1 272 s时在试件下部中央位置产生纵向裂纹，并且随着实验进行该裂纹不断由下向上扩展，直到1 410 s时该裂纹与上部产生的新裂纹发生交叉，到1 422 s形成贯通裂隙，然后形成的裂纹在上下裂纹交叉处不断发展，在横向不断复杂，认为这是由于两部分岩块在裂隙面滑移摩擦造成该处应力集中，在交叉处产生横向的变形。在1 458 s时试件突然发生整体失稳，岩石试件由原先的宏观断裂面破坏为两部分，在右侧一部分突然产生多条纵向裂纹，在此同时，声发射AE计数也出现了大幅上升，认为这可能是由于岩石试件的突然破坏使得试件内积蓄的弹性应变能迅速释放，岩石试件突然卸压，造成试件内部不可见闭合裂隙的突然张开。由此分析认为隧道开挖过程中，应力集中是造成围岩失稳的主要原因，围岩破坏形式多为拉压破坏，因此在隧道开挖过程中需要采取合理的防治措施，如:开卸荷槽，预钻孔等，以减小围岩或掌子面应力集中。

图7　不同时间岩石时间裂隙演化状态

通过对三泉隧道岩石单轴压缩破坏全过程声发射特征的分析得出以下结论:

1)通过对应力—声发射AE计数—时间关系曲线及试件破坏微裂隙演化规律分析表明声发射AE变化规律与岩石试件破坏过程具有一致性，声发射是岩石破坏过程的伴生现象，因此在地下开采过程中可以通过监测掌子面、围岩的声发射信号，预防掌子面、围岩失稳等灾害。

2)在岩石破坏过程中AE总计数呈“阶梯”状增长，且随着岩石破坏的发展“阶梯水平”的落差逐渐加大，“阶梯水平”逐渐减小。产生这种现象的原因是，随着应力的持续加载，岩石损伤破坏进程加快，AE信号突增频率加大，且增长的幅度也逐渐增大。

3)由试件破坏微裂隙演化规律分析表明应力集中是造成围岩失稳的主要原因，围岩破坏形式多为拉压破坏，故认为在隧道开挖过程中需要采取合理的防治措施，如:开卸荷槽，预钻孔等，以减小围岩或掌子面应力集中。

参考文献:

4　结语

［1］Blake W．Microseismic applications for mining-a practical guide ［R］．United State Bureau of Mines，1982．

［2］Kaiser．E．J．A．study of acoustic phenomena in tensile tests ［D］．Dissertation．Technische Hochschule Munchen，Munich，FRG，1953．

［3］Goodman R E．Subaudible noise during compression of rock［J］．Geological Society of America Bulletin，1963，74(4):487-490．

［4］A．Lavrov．The Kaiser Effect in rocks:principles and stress estimation techniques(Journal review article)［J］．International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2003(40): 151-171．

［5］E．Tuncay．Relation between Kaiser effect levels and pre-stresses applied in the laboratory［J］．International Journal of Rock Mechanics＆Mining Sciences，2008(45):524-537．

［6］ 秦四清，李造鼎．岩石声发射技术概论［M］．成都:西南交通大学出版社，1993．

［7］ 李庶林，尹贤刚，王泳嘉，等．单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究［J］．岩石力学与工程学报，2004(15):2499-2503．

［8］ 张东明，白鑫．含层理岩石的AE特征分析及基于Kaiser效应的地应力测试研究［J］．岩石力学与工程学报，2016 (1):87-97．

［9］黎昕，周宗红，金小川，等．白云岩单轴压缩试验声发射特性研究［J］．中国安全生产科学技术，2013(10):10-14．

［10］ 邓琦，余贤斌，罗鹏辉．砂岩在单轴压缩条件下的声发射特性研究［J］．矿冶工程，2010(3):4-7，11．

［11］ 刘东燕，朱可善，胡本雄．含裂隙岩石受压破坏的声发射特性研究［J］．地下空间，1998(4):19-24，60．

中图分类号:TU411

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0050-03

收稿日期:2016-04-05 ★:国家级大学生创新训练项目(项目编号:201510611057)

作者简介:熊毅(1993-)，男，在读本科生;王卓雄(1997-)，男，在读本科生;白悦(1994-)，男，在读本科生量的声发射信号产生;在ab阶段岩石试件处于弹性变形至稳定发展阶段，该阶段的应力应变曲线近似呈直线型，前期为弹性变形阶段，后段为微破裂稳定发展阶段。由应力—时间曲线、AE实时计数—时间曲线可以看到，在该阶段前期声发射信号处于稳定变化阶段，后期声发射信号变化量变化较大，并且出现声发射信号突然增大的现象，表明该阶段后期存在裂隙的演化。在bc阶段为非稳定破裂发展阶段，或累进性破裂发展阶段，进入该阶段后，微破裂的发展出现了质的变化，破裂不断发展，直至时间完全破坏。AE实时计数—时间曲线可以看出该阶段的声发射信号较之前有很大的增加，且一直处于较高水平，表明该阶段岩石试件的微破裂不断发展，直至出现整体的失稳破坏。

Research on acoustic emission characteristics of rock specimens single shaft failure process★

Xiong Yi1，2Wang Zhuoxiong1，2Bai Yue1，2
(1．National Key Lab for Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400030，China; 2．College of Resources and Environment Science，Chongqing University，Chongqing 400030，China)

Abstract:This paper aims at excavation engineering problems of Sanquan tunnel and analysis the acoustic emission and micro cracks evolution characteristics of the Sanquan internal tunnel limestone specimens single shaft failure process through the indoor rock mechanics test．Above research results to control the stability of the surrounding rock of the tunnel．

Key words:surrounding rock，acoustic emission characteristics，evolution characteristics of micro fracture，stability