石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究_宋战平.pdf

第41卷第4期 2013年8月 文章编号1001-1986201304-0061-05 煤田地质与勘探 COAL GEOLOGY 2.重庆大学土木工程学院，重庆400045; 3.昆明理工大学，云南昆明610059 摘要为定量描述不同应力条件下岩石材料声发射特性及其特性演变规律，分析不同应力条件下 岩石声友射参数与应力、变形的量化关系，对广西高峰矿石灰岩进行了单轴压缩、拉伸和劈裂条 件下的声发射特性试验，在此基础上将模糊自相似分维概念引入岩石的声发射试验分析中，就不 同应力条件下岩石声发射所表现出的自相似规律进行了研究．研究表明在压应力作用下石灰岩 声发射出现短暂的“钝化期”，其声发射事件率及能量率模糊容量维记数曲线出现了“最小一回升” 现象；在劈裂条件下石灰岩声发射事件频发且其声发射参数序列同样存在模糊自相似容量维特性， 但其模糊容量参数的演化过程未能观测到“最小一回升”现象；在直接拉伸试验中，由于“肢结、 引力”材料声发射活动具有瞬发性，不易监测，本次试验可测范围内无法计算其分维数，因此在 拉仲条件下岩石试样是否具有自相似性演化规律还有待于进一步的研究． 关键词岩石力学；声发射试验；不同应力条件；破坏演化规律 中图分类号TU45文献标识码ADOI 10.3969/j_issn.1001-1986.2013.04.015 Experimental study on acoustic emission characteristics and evolution regularities of limestone under different stress condition SONG Zhanping1, LIU Jing1, XIE Qiang 2, YU Xianbin 3 1. Xian University of A陀hitectureand Technology, Xian 710055, China; 2. College of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 3. Kunming Univers1σof Science and Technology, Kunming 610059, China Abstract In order to quantitatively describe the characteristics and evolution regularities of acoustic emission AE in different rocks under different stress conditions, the paper studied the quantitative relationship between AE pa- rameters of rocks, stress field and strain field based on laboratory tests. The paper firstly carried out the AE tests with conditions of axial compression, tension and splitting for limestone specimens of Gaofeng mine in Guangxi Provence, then introduced the fuzzy self-similarity fractal dimension concept and analyzed the self- similarity regularities of rock AE. It stated that the AE of limestone has a short deactivation period. The fussy dimension number cu凹esof AE event ratio and energy ratio have the phenomena of “minimal rising”. In the condition of splitting, the AE event frequency and AE parameter series also have fuzzy self similar dimension characters, how- ever, there is not the “minimal rising“ phenomena. In the direct tension test process, because the AE of“glue, grav- ity”material has sudden occurrence, it is not easy to be monitored, the企actaldimension can not be calculated in the monitoring scope. So, whether the rock with tension condition has the self similar character evolution is also to be studied in future. Key words rock mechanics; stress conditions; acoustic emission test; evolution regularity of damage 岩石（体）中因含有大量的、不同成因和构造的内 部缺陷和微宏观裂隙而造成了其在微观构造上的不均 匀性。受以上结构构造非均质、非连续性影响，在外 荷载作用下岩石（体）的失稳破坏过程实质上是其内部 既有微裂纹的扩展、贯通以及新裂缝的产生、开裂直 收稿日期2013-01-27 至破坏的连续演化过程［）。以主裂纹开裂作为材料破 坏判据的损伤力学、断裂力学等近年来被引人岩石力 学的研究中并取得了一系列有意义的研究成果［2-5）。但 采用损伤力学、断裂力学等理论分析岩石（体）的失稳 破坏问题时的关键问题是要确定岩石（体）在不同应 基金项目国家“十二五”科技支撑计划课题（2012BAJ17B02）；国家自然科学基金青年科学基金项目（51008319; 第43批留学回国人员科研启动基金项目（教外司留［20111568号） 作者简介宋战平（1974-一），男，陕西蒲城人，博士，副教授，从事岩土力学教学及科研工作． ChaoXing 62 煤田地质与勘探第41卷 力条件下其由原生裂隙扩展、贯通和新裂缝产生、扩 张直至岩石（体）最后出现宏观贯通裂缝破坏的连续 演化过程中哪一个状态为破坏失稳的临界状态［句。岩石 在荷载作用下发生变形断裂并以弹性波形式释放出应 变能的现象称为岩石的声发射，岩石的声发射特性在一 定程度上反映了其内部微裂缝的发展状况［7-11］。 岩石是多裂纹、多相变的自然材料，其受力后的 声发射信号是多个声源信号叠加的结果，且试验过程 中因试验条件、试验装置等众多因素的影响和制约， 岩石声发射特性同其受力过程的对应关系研究目前 仍停留在定性分析的水平上，寻求新地、更有效地分 析方法是目前岩石声发射研究的难点和热点问题。 由法国数学家曼德勃罗特（Mandlebort）创立的分 形几何为人们从局部认识整体、从无限认识有限提供 了新的方法，为描述自然界中的不规则现象提供了一 种定量手段［12-14］。对岩石和类岩石材料的试验研究 表明［6,11-12］，岩石及类岩石材料的声发射特征序列在 时域和空间上均具有明显地分形特性。为定量描述不 同应力条件下石灰岩的声发射特性，分析不同应力条 件下的岩石声发射参数与其应力、变形的量化对应关 系，研究声发射过程中不同应力阶段的声发射特性演 化规律，本文对广西高峰矿典型石灰岩试样进行了单 轴压缩、拉伸和劈裂条件下的声发射试验；在分析不 同应力条件下石灰岩声发射特性及其差异性基础上 将模糊自相似性概念引人岩石声发射演化过程的分 析中，研究了不同应力条件下典型石灰岩声发射演化 过程中声发射事件率、能率的模糊自相似维数的变化 规律，以期在建立岩石受力变形过程同其声发射参数 间相关关系的研究方面做一些有益地尝试和探讨。 1 高峰矿典型石灰岩声发射试验 1.1 试样制备 广西高峰矿典型石灰岩单轴压缩、拉伸和劈裂声 发射特性试验中，拉伸试验采用5cmxlO cm圆柱形 试样，单轴压缩试验采用5cmx5 cmxlO cm的方形试 样，劈裂采用5cmx5 cm的圆柱形试样。 1.2 试验仪器 为减少试验中的读数误差，广西高峰矿典型石灰 岩单轴压缩、拉伸和劈裂声发射特性试验采用昆明理工 大学余贤斌等［10,15］研发的由动态电阻应变仪、高速模／ 数转换器和微机组成的岩石试验动态测试系统。该系统 充分利用微型计算机与AID转换器高速运转的特点， 将频率较高的声发射参数适时采入，具有实时、快速和 采集数据量大，界面友好，图形绘制精度高的特点［15-1句。 1.3 试验过程 利用岩石声发射参数测试系统对广西高峰矿石 灰岩分别进行了单轴压缩、直接拉伸和劈裂试验。在 声发射试验的同时相应地同步进行变形试验。将石灰 岩试样置于最大轴力2000 kN的材料压力试验机上 进行试验；为消除因加载速率引起的岩石速率效应， 单轴压缩试验过程中按0.5MPa/s的速度匀速加载， 直至试样破坏；由于岩石抗拉强度远低于其抗压强 度，在岩石拉伸和劈裂试验中按0.3MPa/s的加载速 率进行试验。试验中岩石的变形采用黠贴在试样表面 的电阻应变计测量，声发射试验采用沈阳电子研究所 生产的SFS-4B型声发射仪；用于接收声发射波的传 感器用胶贴于试样中部。 试验中首先采集l组试样的变形、荷载数据， 用最高速率单独采集声发射事件信号，完成1个循 环；然后再依次采集试样的变形、荷载以及声发射数 据，完成下一循环，如此循环直至试样破坏。 2 高峰矿典型石灰岩声发射试验分析 2.1 单轴压缩条件下的声发射试验分析 对广西高峰矿5块石灰岩试样进行单轴压缩试 验，图1给出了典型石灰岩单轴压缩条件下试样的声 发射特性试验曲线。 300 35 250 30 峙2运200 气主 150 20 4延 15 100 10；司「 50 5 0 0 30 60时间rs 120 li a）应力－卢发射率幽线 60 才干J到 50 40 25ε 革30 1乓毫当 20 10 to 。。 30 60 90 120 时间Is 30 b）应力－能率曲线 c罢国h25 20 15 10 5 。 一15050 250 450 650 850 微应变 c）应力－应变曲线 图1高峰矿典型石灰岩压缩应力、应变及声发射曲线 Fig. l Stress, strain and acoustic emission curves of the typical limestone in Gaofeng mine under compression test a.在加载初期，岩石试样声发射事件数少、能 率低，此时岩石的应力应变曲线基本呈直线； b.随着荷载的逐渐增加，岩石中逐渐出现低的 ChaoXing 第4期宋战平等石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究 63 声发射，该阶段石灰岩的声发射活动有所增加，但整 体而言此阶段声发射活动基本平静，此时岩石的应力 应变曲线基本上呈线性关系； c.在应力水平超过试样强度的60后，石灰岩 声发射活动剧增，其声发射事件率和能率均显著增 大，此时岩石的体积应变曲线出现拐点； d.在此后的继续加载过程中，石灰岩声发射活动 出现一暂短的“钝化期”，其后又迅速跃入“活跃期”； e.多数试件在接近其峰值强度的95时声发射 事件率和能率均达到最大值，试样出现宏观贯通裂纹 并失稳，岩石试样破坏并出现崩裂现象。 2.2 直接拉伸条件下的声发射试验分析 图2为高峰矿石灰岩拉伸试验条件下应力应变 和声发射特性曲线图。 40 35 30 25 是20 15 10 5 0 0 0.8 帽 0.6坠 0.4乓 0.2遇 。 30 60 90 120 150 时间Is a）应力－声发射率幽线 140 120 卢100 二尘80 ;;;, 60 . 40 20 0 0 0.8 国 0.61; 0.4.司 0.2型 。 30 60 90 120 150 日才问Is b）应力－能率曲线 微应变 -50 10 -30 -10 -0到 曰l F巨－0.41 乓-0. 当－0.81 c）应力－应变曲线1 图2高峰矿典型石灰岩拉伸应力、应变及声发射曲线 Fig. 2 Stress strain and acoustic emission curve of typical limestone in Gaofeng mine under direct tension test a.在直接拉伸条件下高峰矿典型石灰岩应力应 变曲线整体上波动较大，特别在加载初期曲线波动剧 烈，且该阶段5块试样声发射活动基本上均监测不到； b.随着拉应力的增加，在试样破坏前后的暂短时 段内岩石声发射活动突然增加，岩石声发射事件率和 能率急速跃人一个相当高的水平，此时声发射事件率 和能率幅值基本上同单轴压缩条件下的幅值相当；而 其后随着试件的破坏响声，声发射活动达到顶峰。 对比单轴压缩和直接拉伸条件下石灰岩声发射 特性的差异，在压缩条件下，即使在很低应力条件下， 岩石中也会出现较多的低能率的声发射活动；而在拉 伸条件下，即使在接近拉伸破坏强度的70时，石灰 岩声发射活动也基本上监测不到。 2.3 劈裂条件下的声发射试验分析 图3是典型石灰岩劈裂声发射试验曲线。 100 80 幡60 2页 创40 20 5 4 面ι2＼『气倒 。3 句，＆ 。出-IH1IV啊’咱111\J\llfNIYflll\MUJU, ,JI.咽，n1m,\.Jo 0 50 100 150 200 250 300 时间Is a）应力－卢发射率曲线 20「，5 4 甚10 咽岛建乓咱可 。3 句，‘ 。 50 I 00 150 200 250 300 日才间Is b）应）J－能率幽线 15 11 高7 150 250 350 微应变 c）应力－应变曲线 图3高峰矿典型石灰岩拉伸应力、应变及声发射曲线 Fig. 3 Stress strain and acoustic emission curve of the typical limestone in Gaofeng mine under direct spli忧ingtest a.石灰岩试样在劈裂条件下的声发射活动与单 轴压缩条件下的声发射活动具有相似之处，在加载初 期，岩石声发射能率低，随着荷载的逐渐增加，岩石 声发射活动逐渐增加； b.在应力水平超过试样强度的60时，岩石声 发射活动剧增，其声发射事件率和能率均显著增大； 但在其后的加载过程中并未能监测到如同单轴压缩 状态时的暂短“钝化期”。 3 不同应力条件下石灰岩声发射特性差异分析 分析石灰岩声发射试验结果，不同应力条件下的 石灰岩声发射特性具有如下规律 a.压应力作用下，在岩石试验的全过程中，岩 石的声发射事件频发，但在初始应力阶段，其声发射 事件率少、能率低；且在应力达到其强度的60时， 岩石声发射活动出现短暂的“钝化期”； ChaoXing 64 煤田地质与勘探第41卷 b.在拉应力作用下，岩石为“胶结、引力”材料， 此时岩石的破坏为拉伸断裂破坏，在此过程中，岩石 声发射活动具有瞬发性，不易监测； c.在劈裂条件下岩石具有拉、压两重特点，此 过程中岩石声发射事件频发，但在低应力水平下其能 率较低；随着应力水平的增加，其能率水平逐渐增加， 但整体而言，其能率水平低于同水平时拉应力条件下 的声发射能率。 分析造成石灰岩声发射特性差异的原因，笔者认 为，石灰岩声发射特性的以上差异主要是因为岩石在不 同应力条件下的破坏机理不同造成的。在岩石的单轴压 缩和劈裂试验过程中，存在于岩石试样不同部位的原生 既有裂隙及岩石内部颗粒间的相对挤压和滑移摩擦造 成岩石即使在很低的荷载水平条件下声发射事件频发， 岩石声发射事件和能量在一定程度上反映了岩石中裂 隙的数量及开裂、滑移的程度。此监测结果同己有文 献中岩石单轴压缩条件下的声发射试验结论一致 ［弘10,15］，因此有理由相信岩石声发射特征的演化规律在 一定程度上代表了岩石应力．应变曲线的演化过程。 在单轴压缩试验过程中，当应力超过岩石极限抗 压强度值的60时，岩石试样声发射明显增多，岩石 的体积开始膨胀；在临近破坏时声发射猛烈增加，直 至岩石发生破裂。 在劈裂条件下，岩石试样的受力是相当复杂的， 在试件中部可以近似地认为是纵向受压，横向受拉。 就整个试验过程而言，其破坏可以看成是初期的压缩 和破坏时的剪切滑移，因此其特性与压缩试验具有相 同之处；但相对于压缩试验而言，劈裂过程中岩石出 现相对的剪切滑移，因此其声发射事件频率高，但其 能率水平较压缩试验低。 4 声发射现象的分形特征分析 就岩石材料而言，在试验过程中因声发射状态参 数数值的大小受岩石本身物理、力学等特征参数、温 度、湿度及试验条件等诸多因素的影响，且由于以上 诸因素具有多变性、随机性、模糊性以及彼此间的相 关性，因此，要用准确、定量公式综合表示以上诸因 素对岩石声发射参数的影响很难实现，甚或是不可能 的（6,17］。但从岩石声发射的试验图分析，石灰岩在不 同应力状态下的声发射过程中其事件率和能率的大 小表现出很大的随机性与离散性，具有明显的声发射 参数序列特征。 4.1 声发射试验过程中的分形分析方法 论文从分形动力学角度考察石灰岩试验过程中 的声发射演化非线性特征，研究石灰岩声发射参数的 分形演化规律。分析岩石的声发射参数特性，假设岩 石在试验过程中的某一时刻t的声发射参数（能率或 事件率）x取某一定值的概率为λ，则岩石试样声发射 过程可以表示为如下的随机过程 xX（λ，t （λε.｛］， tE T 1 式中x为声发射参数；λ为与状态有关的概率值；T 为过程总延续时间川劝概率空间；t为试验时间。 大量试验证明（6,13-14,17］，岩石及类岩石材料如式（1 所表述的声发射序列在时域和空间内均具有模糊自相 似性。模糊自相似可用一个模糊集合来描述，其相似 程度用相似从属度.e[O,I］表示，如A值越大，则表 示其相似程度越高；.＝1表示其过程完全相似［17］。 分析广西高峰矿典型石灰岩不同试验条件下声 发射参数的演化规律，定义岩石的声发射基本参数序 列T{t;},il,2，凡将参数序列按一定的应力水平 间隔划分为mmn）个应力区间。将每个区间内的声 发射基本参数序列段所表示的声发射事件率和能率 计算出来，这样就得到一个样本容量为m的样本 Y{y;}, iI,2,,m 2 将模糊集理论与分形理论中的模糊分维概念引 人式（2）进行分析，定义岩石声发射参数序列的模糊 容量维DR为（17] Dn lim匹0←Jim旦出二Jim生三生3 “ 1 so lnc I 号 In（二＇...）In（二..） l_____rl lkJhl 鸟＝LLY；一nLtjyj cI12-nI1J Ll;LYi－二Ll;LY; 4 5 . “ . I 6 ｛［三（马2七二）2][LY;2-;LY;l]}2 式中儿为声发射参数序列yt）的斜率；r；为声发射 参数的自相似相关系数。＆；为计算标度，可取其值为 1 、2或别的自然数。 一般情况下n5，取＆；为1、2、3、4、6、12, μ分别取该时间段内的最大值。利用最小二乘法公 式求得上述六组lnC和lne之间的斜率，即为DR。选 定应力水平区间，依次类推，就可以求得DR随时间 或应力水平变化的序列值。 4.2 不同应力条件下石灰岩声发射分形特征分析 根据定义的模糊容量维计算方法对广西高峰矿石灰 岩试样在压缩、拉伸和劈裂条件下的声发射分形演化过 程进行分析，图4给出了石灰岩单轴压缩试验条件下声发 射事件率和声发射能率序列自相似系数的到快型曲线。 从不同应力条件下的声发射分形演化过程计算 结果和图4中的压缩条件下声发射事件率和声发射能 ChaoXing 65 宋战平等石灰岩声发射特性及其演化规律试验研究第4期 ∞ nυ nuF AU oe om率 7 平件 均水事 t 力射 、约地咙 －守 AnJ＝p →MW 相川W 』AU 可3 』AU －a丁，＆ 』AU L0 06哼，，。，、JAa哼句3呵，＆－EAUnuJ 。。0805n608080。0608句， nununυnunvnunUAUnUAU 剖制Mm 『皿 FB 非但gM霄达协稳创记 毒草0.90 坚0.88 喜0.86 也0.84 器。82 适量0.80 毫0.78 叫0.76 世σIO20 30 40 50 60 70 EσσToo 相对应jJ水平M b）声发射能量率 图4单轴压缩条件下声发射参数分维变化曲线 Fig. 4 Fractal dimensional variation of acoustic emission of limestone under compression test of single axis [1］左字军．动静组合加载下的岩石破坏特性研究［D）.长沙中南 大学，200416-58. [2］张平，贺若兰，李夕兵，等．深部岩石渐进破损本构模型及其 应用［几工程力学，2007,2412 146-152. [3］周枫．裂隙对媒岩超声波速度影响的实验一一以沁水盆地石炭 系煤层为例［几煤田地质与勘探，2012,402 71-74. [4] MANSUROV V A. 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[17）辛厚文．分形理论及其应用协句．北京中国科技大学出版社， 1993. 参考文献 率序列自相似系数的变化曲线可以看出在压缩试验 中，当应力水平达到岩石极限强度的60时，石灰岩 声发射事件率和能量率模糊容量维曲线突然上升，此 时，试件达到破坏临界状态；而在该应力水平上岩石 声发射事件率和能量率的模糊容量维数出现最小值， 之后又继续回升，即在石灰岩试件的临界断裂处发生 了所谓的“最小一回升”现象，因此，声发射过程自相 系数的最小值预示着宏观破坏的来临。纪洪广、蔡美 峰等”，11）对类岩石材料混凝土在临界破坏状态下所表 现的声发射自相似性模式的研究同样也证明其临界状 态存在“最小一回升”模式。 对劈裂条件下石灰岩声发射演化规律的分析同 样证明其存在模糊容量维特性，但在本文的研究中其 破坏临界状态不明显，其模糊维容量维参数的演化过 程未能观测到所谓的“最小一回升”现象。 对拉伸条件下的石灰岩声发射试验，因拉伸试验 中声发射活动的突发性使得在本试验可测范围内无 法计算其分维数，在拉伸条件下岩石试样是否具有自 相似性演化规律还有待于进一步的深入研究。 结论 a.在压应力作用下，摩擦性材料的石灰岩在受 力全过程中均有声发射活动，但在低应力水平时其声 发射事件少、能率低；在荷载应力达到岩石极限强度 的60时，岩石声发射出现短暂的“钝化期”。此时岩 石事件率及能量率模糊容量维记数曲线出现了“最小 一回升”现象，而该最小值即预示着宏观破坏的来临。 这一结果为现场用声发射技术监测围岩的稳定性提 供了试验依据。 b.在劈裂条件下岩石具有拉、压两重特点，因此 在整个劈裂试验中岩石声发射事件频发，但在低应力 水平下其能率较低；随着应力水平的增加其能率水平 将逐渐增加；但就整体而言，其能率水平低于同水平 时压应力条件下的声发射能率，这部分是因为劈裂条 件下岩石的强度较低。劈裂条件下典型石灰岩声发射 参数序列同样存在模糊自相似容量维特性，但其破坏 临界状态不明显，其模糊维容量维参数的演化过程未 能观测到“最小一回升”现象。 c.在直接拉伸试验中，“胶结、引力”材料声发射 活动具有瞬发性，不易监测；本次典型石灰岩直接拉 伸试验中，因声发射活动的突发性使得试验可测范围 内无法计算其分维数。因此，在拉伸条件下岩石试样 是否具有自相似性演化规律还有待于通过试验进一步 的深入研究。 5 ChaoXing