王创业， 李昕昊， 韩天宇， 刘城成

(内蒙古科技大学矿业与煤炭学院， 包头 014010)

目前，随着全世界能源的需求和矿产资源的开采需求，浅层资源逐年减少，国内外矿山逐步进入深层开采。因而开展系统的岩石破裂机理为深部开采的设计和施工起到了重要的理论和实际依据。然而由于岩石组成成分的复杂性，增加了研究的难度。采用类岩石材料能在一定程度上揭示岩石的破裂机理。黄彦华等[1]对类岩石材料试验的尺寸效应研究得出水泥石膏比与砂浆比对类岩石的力学性质会产生较大的影响；Ko等[2]进行了以石膏为类岩石材料的试验，以研究单调和循环荷载下类岩石的裂纹扩展特征，确定了类岩石亚临界裂纹扩展参数；申艳军等[3]探究了各材料对类砂岩力学性质的影响与最优配比。然而，对类岩石材料仅分析其力学性质并不能有效地分析其破裂机理。材料在受到外部荷载作用时，其中存储的应变能产生的弹性波快速释放现象称为声发射(acoustic emission,AE[4])。其在一定程度上能够反映岩石的破裂损伤程度。程铁栋等[5]研究了岩石破坏全过程声发射信号，为监测岩体破裂过程提供了新的依据和方法；王创业等[6]基于声发射频谱特性分析，分析了石灰岩破裂过程与声发射频域信号的关系；宋朝阳等[7]通过分析不同弱胶结性砂岩声发射时频域信号特征，提出了弱胶结砂岩的破坏前兆信息识别。

以上研究在一定程度上揭示了岩石或者类岩石在荷载作用下的力学特性或声发射特性。但是上述研究只是针对于岩石或者类岩石单独进行研究，而通过研究可知[8]，类岩石在力学性质、声发射时域、频域等性质上是存在相似之处的。鉴于此，在岩石和类岩石两类材料单轴压缩声发射试验的基础上，结合应力-应变、声发射时域、频域进行综合分析，探究岩石与类岩石两类材料破裂过程中的异同之处，为声发射技术运用于岩土工程和深部开采矿岩稳定性监测和理论提供可靠依据。

1 单轴压缩声发射试验

1.1 试样制备

研究所用石灰岩和砂岩取自内蒙古某露天矿区；类岩石材料，骨料选取20目石英砂，胶结材料选取425早强型水泥与3.0高强石膏粉，类岩石配比为骨料含量25%，水泥石膏比为9∶1，两类试件均制成50 mm×100 mm标准圆柱体试件，将制成的类岩石试样置于SHBY-40B标准恒温恒湿箱进行养护14 d[9]。试件分为3组，石灰岩Shy-1、Shy-2、Shy-3，砂岩 Sy-1、Sy-2、Sy-3，类岩石Lys-1、Lys-2、Lys-3。

1.2 试验内容及方案

岩石加载系统采用长春科新试验有限公司生产的SAW-2000微机控制电液伺服岩石压力试验机。声发射设备为北京软岛时代科技有限公司制造的DS5全波形声发射检测系统。

试验开始前，设定声发射系统波形门限10 mV，撞击鉴别2 000 μs，撞击锁闭时间2 000 μs，峰值鉴别时间500 μs，采样频率为3 MHz，设定后通过AST测试(auto sensor test)检测各通道畅通无误，随后以0.1 mm/min的加载速率进行加载，直至试样发生破坏停止加载。

2 试验结果与分析

试样力学参数如表1所示。

表1 试样力学参数Table 1 Rock mechanical parameters

将上述试件进行单轴压缩声发射试验，监测试验过程中试件力学性质及声发射参数特征等。限于篇幅，下文选用Shy-3、Sy-1、Lys-3进行分析。

2.1 轴向应力-应变曲线比较

图1为3种试样的轴向应力-应变(σ-ε)曲线。

图1 试样轴向应力-应变曲线Fig.1 Axial stress-strain curve of sample

由图1与表1知，单轴抗压强度由大到小为Shy-3>Sy-1>Lys-3最小；弹性模量则相反；而终值应变由大到小则依次为：Lys-3>Sy-1>Shy-3。Shy-3轴向应力-应变曲线斜率为三种试样中最高，到达峰值应力后岩石破坏并伴随明显响声，应力瞬间跌落，属于典型脆性破坏；Sy-1在临近峰值应力时斜率变缓，在达到峰值应力后，试样发生破坏，应力值瞬间下降，为脆性破坏；Lys-3在加载过程中轴向应力-应变曲线斜率最小，在达到峰值应力后应力呈现出缓慢下降趋势且继续产生应变，Lys-3与Sy-1的最大应变值相近，大约为Shy-3的2倍，为塑性破坏。Shy-3在应力达到80 MPa左右时，曲线出现轻微跌落的现象，此时应变持续增加，这是由于Shy-3在荷载阶段出现小规模表层颗粒弹射导致而成。3种试样的破坏形态如图2所示。

图2 试样破坏形态Fig.2 Specimen failure pattern

利用橡皮筋固定试样可以最大程度的保留岩石破裂形态，由图 2可知，Shy-3破坏后表面形成多条与平面几乎成垂直角度且贯穿试样的裂缝，属于劈裂破坏； Sy-1与Lys-3破裂后均形成一条与试件轴方向趋于45°的主裂缝，两者同属于单斜面剪切破坏，但Sy-1较Lys-3破坏严重，试样出现碎块脱落，且中间位置形成鼓包。

2.2 声发射时域参数分析

声发射时域参数主要包括：事件率、累积事件、能率、累积能量等[10]。上述参数能够直观反馈对岩石破裂信息。

2.2.1 阶段划分选取

确定岩石变形阶段的方法主要有：裂纹体积应变法、轴向应变法、轴向刚度法等，而荷载岩石的力学性质与其内部微裂缝的发育和贯通情况密切相关，使得裂纹体积应变法在岩石力学工程中应用较为广泛[11]。

结合裂纹体积应变法可将岩石加载过程分为五个阶段：裂纹闭合压密阶段(Ⅰ阶段)、线弹性变形阶段(Ⅱ阶段)、裂纹稳定扩展阶段(Ⅲ阶段)、裂纹不稳定扩展阶段(Ⅳ阶段)、峰后破坏阶段(Ⅴ阶段)。具体划分结果见图 3。

2.2.2 声发射事件率对比分析

声发射事件率是指单位时间内声发射事件发生的次数，而累积事件数是单位时间内声发射事件的累加。通过图 3分析Shy-3、Sy-1、Lys-3声发射事件率、累积事件数与时间-应力曲线的关系，可以直接反映岩石内部缺陷的活跃度。

图3 声发射事件率、累积事件数、应力与时间关系曲线Fig.3 AE event rate, cumulative event number and time-stress relationship curve

分析图3可知，Lys-3与其他两种试样在声发射事件率分布情况呈现较大差异，累积事件数表现为不同增长速率。以下对三种试样的演化特征进行具体分析。

由图 3(a)可知，Shy-3总体呈现为前期声发射事件率主要分布于低水平内(1～20个/s)高水平事件率(50～100个/s)较为离散，随着荷载的加大，事件率出现缓慢增大的趋势。Shy-3由于岩样内部较为复杂存在较多原生大孔隙，使其在Ⅰ、Ⅱ阶段中产生突发性破坏而产生高事件率。由图 3(b)可知Sy-1总体呈现为前期低事件率后期高事件率的“指数”型。随着应力的逐渐增大，进入Ⅲ阶段，Sy-1内部发生质的变化，从原生孔隙发展为微裂缝的萌生、融会贯通，声发射事件活跃，事件率发生陡增。由图 3(c)可知Lys-3事件率曲线的整体变化趋势呈现为先下降后上升的“U”形特征，通过试验分析得出，Lys-3内部存在大量的孔隙，在Ⅰ阶段内部空隙大量闭合而产生较高事件率，随着空隙压密结束事件率降低，直至在达到峰值应力95%前，内部各裂隙不稳定扩展，使得事件率快速上升。Shy-3在Ⅲ阶段事件率突增随后恢复正常现象与图1所示应力出现小幅度跌落现象相关。

由图 3累积事件数可知，Shy-3与Sy-1在荷载作用下均呈现线性上升趋势，而Lys-3在试验中期会出现相对平缓上升趋势，这与Ⅱ、Ⅲ阶段事件率下降相吻合。三类试样破坏时累积事件数终值由大到小依次为：Shy-3>Sy-1>Lys-3，表明在荷载作用下，声发射的响应程度，Shy-3产生的内部缺陷最多，Lys-3最少。

试验发现，在临近达到峰值应力前(Ⅳ阶段)，Sy-1与Shy-3声发射事件率会出现突然的降低和低事件率的缺失现象，将这种现象称为“声发射相对平静期”且视为破裂前兆识别信息[12]，而由于Lys-3内部成分较为单一，分布均匀度较好，仅在峰值前声发射事件率激增而没出现“声发射相对平静期”现象。但需要指出的是，Shy-3的“声发射相对平静期”现象相对不明显，且出现两次缺失现象。这与Shy-3结构较脆硬，内部裂隙为突发性破坏为主相关。

2.2.3 声发射能率对比分析

试样受载破裂过程实质上是能量吸收和释放的过程，而声发射能率是单位时间内声发射所释放的能量。Shy-3、Sy-1与Lys-3能率、累积能量和应力随时间变化关系见图4。

图4 声发射能率、累积能量、应力与时间关系曲线Fig.4 AE energy rate, cumulative energy, stress and time curve

根据声发射能率数量级的不同，将三种试件能量释放过程可分为两个阶段(图 4)，将声发射能率较高阶段定义为“活跃期”，将能率较低阶段定义为“缓慢释放期”。

由图4通过试验分析得出，“缓慢释放期”主要是以吸收压缩能为主，产生较低能量，累积能量增长缓慢，呈现近水平状；“活跃期”出现在荷载后期，此时试样裂隙大量发育，当主破裂发育贯通整个试样时，缓慢期所吸收压缩能大量释放，使得累积能量呈现爆发式上升，斜率近似于垂直。因此根据声发射能率分布情况可大致将试样分为两类。第一类为Shy-3和Sy-1，在试样荷载破裂过程中，声发射能率的释放可分为两阶段“缓慢释放期”和“活跃期”。Shy-3较Sy-1“活跃期”更长，原因为Shy-3更符合脆性岩石特征，内部颗粒复杂，在荷载至900 s左右时，试样内部持续发生小破坏而导致“活跃期”更长；Sy-1为细砂岩，内部颗粒单一且均匀性较好，“活跃期”则相对出现较晚。第二类为Lys-3，在破裂过程中可将声发射能率分为活跃期Ⅰ、缓慢释放期、活跃期Ⅱ。而Lys-3前期出现“活跃期Ⅰ”的主要原因是Lys-3是由水泥、石膏胶结石英砂而成，在试样制备的过程中，内部不可避免出现大量气泡，在Lys-3与压力机紧密接触后，内部微裂纹在荷载的作用下出现闭合和滑移，而这一阶段会释放大量能量，当大部分裂纹闭合后，Lys-3开始以吸收压缩能为主，能量缓慢下降并趋于稳定发展。在荷载后期，Lys-3内部裂隙大量发育且贯穿，释放大量能量，为“活跃期Ⅱ”。

Sy-1的累积能量曲线呈直线缓慢上升趋势，Shy-3在“活跃期”和Lys-3“活跃期Ⅱ”累积能量曲线出现多次台阶式增长的特征，这与临近峰值应力前Shy-3出现表面小颗粒弹射和Lys-3出现小规模表面脱落相关。

为比较三种试样在“活跃期”与“缓慢释放期”阶段内释放能量的差异性，以各阶段峰值能率为依据，分析三种试样所释放的峰值能率，结果如表2所示。

表2 试样各阶段峰值能率Table 2 Peak energy rate at each stage of the sample

分析表 2可知，3种试样在各阶段内峰值能率呈现较大不同，“缓慢释放期”由大到小依次为：Shy-3>Sy-1>Lys-3；“活跃期Ⅱ(活跃期)”：Shy-3>Sy-1>Lys-3；在累积能量最大值方面：Shy-3>Sy-1>Lys-3，从此可以发现，结构越致密，越坚硬的岩石，在整个荷载过程中所释放的能量也越大。

2.3 声发射频域参数分析

由于声发射信号的多样性和不确定性，单一地从时域方面很难反映信号的全部特点。而通过声发射采集的波形信号进行转换获取的频域参数能更加全面地反映出试样内部破裂的本质信息[13]。

DS5声发射采集系统为全波形采集，每个小波形文件由1 024个电压值组成，通过对信号去噪处理后进行快速傅里叶变换(fast Fourier transform，FFT)，得到与信号时间相对应的频率参数[14]，图 5为主频频率、轴向应力随时间演化图。

图5 声发射主频、应力随时间演化特征Fig.5 AE requency, stress evolution characteristics over time

由图5分析可知，Shy-3、Sy-1和Lys-3在进行受载破坏全过程中，声发射信号主频值主要分布于0～250 kHz，按照频率从低到高进行排序，依次将主频值分为低频、中频、高频3个区间，分别对应为0～75、75～125、125～250 kHz，下文不再赘述。Shy-3与Sy-1在低频区间均存在2条贯穿频带(#1、#2)，而Lys-3仅存在1条贯穿频带(#1)，中频区间仅Shy-3存在一条频带(#3)在高频区间Shy-3存在2条(#4、#5)、Sy-1存在3条(#3、#4、#5)相对密集贯穿频带，Lys-3仅仅只有一条贯穿频带(#3)。3种试样之间频带范围各不相同，详细内容请如表3所示。

表3 试样各频带范围及频带占比Table 3 Sample of each frequency band range and frequency band accounted

试验表明，声发射信号主频值的分布特征与时间应力存在紧密联系。声发射高频值所对应试样微裂纹与小孔隙的萌生和发展，低频值所对应大裂纹和孔隙的压密过程[15]。以此通过主频信号对试样破裂过程进行描述。由图 5(a)与表 3得出，Shy-3试样主频频带跨度最小的为#5频带，16 kHz，跨度最大为#3频带，47 kHz。主频信号主要集中于低频区间(0～75 kHz)，占比92%。在第Ⅰ阶段，随着试样在荷载作用下原生裂纹与孔隙压密，所对应的#1、#2低频带产生大量信号，由于新裂隙的萌生和发育极少，所对应的#4、#5高频带只有少量信号；当进入Ⅱ阶段，试样原生裂缝压密基本完成，低频值信号趋于稳定，而随着荷载增加，试样萌生新的裂纹，所对应的高频带信号增多；从第Ⅲ阶段开始，大约在临近1 000 s时，Shy-3在中频区间出现大量信号并逐渐形成#3主频带；且伴随着新裂纹的萌生、裂纹的持续压密以及大裂纹的出现，#1、#2、#4、#5频带也出现信号增多趋势。这是因为Shy-3质地较硬，强度较高，在受载中期时发生小规模碎石崩出而导致声发射信号出现复杂离散化。

图5(b)表 3与可知，Sy-1试样主频带跨度范围均为25 kHz，且主频信号主要集中于高频区间(125～250 kHz)，占比63%。Ⅰ阶段，Sy-1以低频信号为主，代表原生裂隙与孔隙压密，而微裂纹的萌生所对应的高频区间只出现为数不多信号；第Ⅱ阶段至Ⅴ阶段，随着内部新裂缝的孕育与发展，Sy-1信号增多，频带分布广且趋于复杂，说明破坏模式趋于复杂，相比而言，Shy-3破坏更加复杂。

由图 5(c)与表 3可知，Lys-3试样主频带跨度范围除#3频带为50 kHz，其余均为25 kHz。主频信号较为均匀，低频区间(0～75 kHz)46%、高频区间(125～250 kHz)54%。在Lys-3声发射主频信号特征，与其他两种试样有较大的不同，在最初的Ⅰ阶段，Lys-3同时出现了低频(#1)、高频(#3)两条频带，且观察整个荷载过程，上述2条频带始终出现，这是因为Lys-3属于人工制作而成，故存在大量的微小孔隙、裂缝，且质地较软，导致原生裂缝压密和新生裂隙萌生同时进行，由此推断出Lys-3的破裂是由内部孔隙、大裂纹的压密膨胀与新裂缝的产生共同影响。

3 结论

通过对三种试样进行单轴压缩试验与声发射试验研究发现，类岩石与岩石在荷载过程中力学与声发射特性呈现出不同，且砂岩与石灰岩在荷载过程中声发射特性也有所区别。

(1)单轴抗压强度为石灰岩>砂岩>类岩石。在达到峰值应力后，石灰岩和砂岩瞬间破坏，而类岩石则保持一定残余强度，前者为脆性破坏，后者为塑性破坏。

(2)石灰岩总体事件率偏低，但在临近破坏前出现事件率突增现象；砂岩整体呈现为前期事件率低后期事件率高的“指数”型；类岩石事件率表现为荷载前期产生大量声发射事件，伴随进入中期阶段，事件率下降并趋于稳定，临近峰值应力前事件率缓慢上升，变化趋势类似“U”形。岩石在到达峰值应力前出现低事件率的缺失现象，类岩石不明显。

(3)声发射能率演化特征方面，仅类岩石存在两个“活跃期(Ⅰ、Ⅱ)”与“缓慢释放期”，其他试样只存在“缓慢释放期”“活跃期”。石灰岩与类岩石在临近破坏前出现相似能率跳跃式增长特征。

(4)声发射频域方面，岩石Ⅰ阶段以低频信号为主，为岩石原生裂隙与孔隙压密。Ⅱ阶段以后，信号增多，频带分布广且趋于复杂，说明岩石破坏形式趋于复杂，相比而言，石灰岩破坏更为复杂。类岩石在整个荷载阶段，出现高、低频信号共存，证实类岩石破裂由原生裂隙压密与新生裂隙共同影响。