杨　睿

(山东科技大学土木工程与建筑学院)



岩石三轴压缩声发射信息时序特征

杨睿

(山东科技大学土木工程与建筑学院)

摘要岩石三轴压缩变形破坏演化过程可划分为压密闭合阶段、弹性阶段、弹塑性阶段、破裂发展阶段及残余塑性阶段等5个阶段，声发射特征能够较好地反映出岩样损伤破坏的演化过程。不同类型岩石因其内部组分、结构、均质度不同，其压缩破坏过程的声发射时序特征也不尽相同。研究结果表明：①内部裂隙较多的煤岩声发射时间序列较分散，时序特征呈群震型；②结构均匀致密灰岩的声发射事件数在破坏前集中出现，时序特征呈孤震型；③均质度介于两者之间的砂岩声发射时间时序特征呈主震型。

关键词岩石三轴压缩声发射特征时序特征变形破坏

岩石材料内部含有微裂隙、孔隙等天然缺陷，在外力作用下，内部微裂隙、孔隙扩展使得岩石内部发生损伤破坏，且在该过程中伴随着应变能的释放，并以弹性波的形式快速释放传播，该现象即为声发射[1-2]。岩石内部缺陷变化的丰富信息可通过声发射信号反映出，通过对声发射信息进行处理和分析，可判断岩石内部的损伤变化情况，得到岩石的破坏机制。由于不同岩样内部结构和组成存在较大的差异，使得不同岩样表现出不同的声发射时序特征，对不同岩样的声发射时序特征进行研究，对于采用声发射、微震预测岩体破裂具有重要的指导意义。

1试验分析

1.1试验设备及方法

本研究试验的煤、砂岩和灰岩取自杨村矿16#煤、16#煤顶板灰岩及3#煤顶板砂岩，参照《岩石力学试验试件加工规范》，将煤、灰岩、砂岩加工成标准岩样，直径50 mm，高度100 mm。采用MTS815.03岩石试验系统进行三轴压缩声发射试验，采用应力控制的方式增加围压，按静水压力的条件逐步施加围压至7 MPa 后保持围压恒定，采用位移控制的方式提高轴压至岩样破坏，轴向加载速率为0.002 mm/s。声发射仪型号为AE21C型，声发射探头采用单分量检波器，前置放大器增益为40 dB，主放大器增益为40 dB，调整阀值电压为1.0 V，探头拾取的声发射信号经前置放大和主放后，由声发射仪进一步处理成声发射参数(振铃计数率、能率等)。

1.2试验结果

获取的声发射参数中，有多个参数可反映岩石的力学特性[3-4]。由于声发射振铃计数率可较好地反映声发射发生的频度，故本研究采用声发射振铃计数率分析岩石压缩破坏过程中的声发射特性。煤、灰岩及砂岩在单轴压缩条件下的声发射试验结果见图1。

图1　岩石声发射振铃计数率

2岩石三轴压缩声发射特征

2.1岩石三轴压缩破坏声发射分析

一般情况下，岩石变形破坏演化过程可简化为5个阶段(图2)。

图2　岩石三轴压缩破坏一般过程

(1)压密闭合阶段(OA)。由于岩样内部存在原生裂隙、孔隙，在力的作用下，微裂隙闭合错动，会产生零星的声发射事件[5]。煤岩在该阶段的声发射信号多于灰岩、砂岩，主要是由于不同岩性岩样内部的结构组成不同，砂岩、灰岩的内部结构与煤样相比更加致密。

(2)弹性阶段(AB)。应力-应变曲线呈线性，岩石内部开始出现裂隙扩展，声发射事件数开始上升。与灰岩、砂岩相比，煤岩的声发射事件数较多，灰岩、砂岩的声发射事件数在开始阶段相对沉寂，而后出现部分声发射事件数。

(3)弹塑性阶段(BC)。在弹性阶段，岩样进入弹塑性阶段，岩样内部大量裂隙开始扩展、汇合，裂纹数目和尺度均较大。与煤岩的声发射事件连续增多的特点不同，砂岩在该阶段声发射事件在短时间内迅速增多，同样，灰岩的声发射事件也出现突增现象，灰岩、砂岩的声发射事件在该阶段均相对集中，但灰岩的集中区域范围较窄，即其声发射时间突发性较强。

(4)破裂发展阶段(CD)。应力峰值过后，岩样内部裂隙汇合、贯通，出现宏观裂纹，岩样破裂失稳，该阶段声发射事件数仍较高。煤、灰岩、砂岩的应力-应变曲线的表现形式不同，与煤岩相比，砂岩、灰岩在该阶段很快失去承载能力，产生脆性破坏，破坏后声发射事件数很低，而煤岩的应力-应变表现出近延性破坏的特点，破坏后仍有一定数量的声发射事件数。

(5)残余塑性阶段(DE)。岩样破坏后，塑性变形继续增大，岩样达到其残余强度，声发射事件数持续减小，甚至消失。

岩样的破坏过程及其声发射时序特征与其内部的结构组成密切相关，煤、灰岩、砂岩表现出不同的声发射时序特征，在应用声发射特征对岩样破裂失稳进行预测时，应根据不同岩样的声发射特征分别进行预测，因此有必要分析不同岩样的声发射时序特征。

2.2岩石三轴压缩破坏声发射时序特征

地震的时间序列表现类型有：①群震型，最大震动释放的能量在总能量中的比例小于80%，且在序列中振动频度高，能量波动大，许多震级相差较小的振动在主震前发生[6-7]；②主震型，主震释放较大的能量在总能量中的比例超过90%，震前振动较多，次震、主震的震级差别较大；③孤震型，主震能量在总能量的比例达到99%，前震较少，次震级与主震相差较大。与地震序列相比，声发射时间序列虽然在能量、震级方面均存在一定的差别，但仍可仿照地震序列的表现类型[8-9]将其分为群震型、主震型、孤震型等3类，如图3所示。

图3　声发射类型

由于不同岩样的内部组成结构不同，使得不同岩样表现出不同的声发射时序特征[7]。岩样内部存在数据较多、尺度较大的裂隙时，从加载初期开始，岩样内部裂隙便开始发展，直至岩样失稳破裂，声发射时序特征呈渐进式“主震型”；岩样内部裂隙数量较少，尺度也较小时，主破裂前声发射事件数较少，声发射时序特征呈“孤震型”；当岩样内部裂隙分布特征介于上述两者之间时，加载初期，声发射事件数较少，在岩样破坏前裂隙汇合、贯通，声发射事件数开始迅速增大，表现为“主震型”。

煤岩是一种内部微裂隙、孔隙、节理等软弱结构面发育的非均质塑性体，其由大小、形状不同的颗粒物胶结、叠压形成，具有较大的不均匀性，因而煤岩的声发射事件数较分散，且波动也较大，在破坏前后的声发射事件数及能量均较大，因此，对于煤岩而言，其声发射时序特征呈“主震型”。作为一种典型沉积岩石，砂岩主要由沙粒及填充物构成，不同的组成成分可能造成不同的砂岩具有不同的结构组成，但对于结构较均匀、致密的脆性砂岩而言，在三轴压缩条件下声发射事件数在破坏前后集中出现，试验初期及塑性阶段声发射事件数则较少，时间序列特征呈“主震型”。与煤岩、砂岩相比，试验所用的灰岩强度更大，结构也更加致密，脆性特征明显，在加载初期声发射事件较少，在岩样破裂前声发射事件数突增，并且随着岩样的破坏，声发射又再次沉寂，声发射时序特征表现为“孤震型”。

3结论

(1)由于不同岩样内部结构、组成存在较大的差异，使得不同岩样表现出不同的声发射时序特征，对不同岩样的声发射时序特征进行研究，对于采用声发射、微震预测岩体破裂，具有重要的指导意义。

(2)不同岩样三轴破坏演化过程一般可分为5个阶段，即压密闭合阶段、弹性阶段、弹塑性阶段、破裂发展阶段及残余塑性阶段，声发射特征可较好地反映出岩样损伤破坏的演化过程。

(3)不同岩样的声发射时序特征可分为震群型、主震型、孤震型等3类。煤岩作为一种典型的塑性体，其声发射时间序列较分散，波动变化较大，时序特征呈“主震型”； 较均匀致密砂岩的声发射事件数在破坏前后集中出现，时序特征呈“主震型”；硬度较大、结构致密的脆性灰岩在失稳破坏时声发射事件数出现突增现象，并且随着岩样的破坏声发射又再次沉寂，时序特征表现为“孤震型”。

参考文献

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(收稿日期2016-03-01)

Temporal Characteristics of Rock Acoustic Emission Information under Triaxial Compression

Yang Rui

(College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology)

AbstractThe rock acoustic emission characteristics under triaxial compression shows that the evolution process of rock deformation and damage can be divided into five stages,they are compaction closed stage,elastic stage,elastic-plastic stage,fracture development stage and residual plastic stage.The evolution process of rock samples deformation and damage can be reflected effectively by the rock acoustic emission characteristics.Due to the difference of internal components,structures and homogeneous degree of different types of rocks,the acoustic emission temporal characteristics of different types of rocks are also different with each other.The research results show that:①the acoustic emission time series characteristics of the coal rock with more internal fractures is scattered,its temporal characteristics is belongs to group shock type;②the acoustic emission events of the limestone with the characteristics of uniform and compact structure are appeared mainly before rock deformation and damage,its temporal characteristics is belongs to isolated shock type;③the sandstone with the characteristics lies between coal rock and limestone,its temporal characteristics is belongs to main shock type.

KeywordsRock triaxial compression, Acoustic emission characteristics, Temporal characteristics, Deformation and damage

杨睿(1995—)，男，266590 山东省青岛市黄岛区前湾港路579号。