岩石破坏声发射与裂纹尺度增长试验研究.pdf

岩石破坏声发射与裂纹尺度增长试验研究 ① 王创业， 高 照， 刘 伟， 常新科 （内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 ０１４０１０） 摘 要 选取内蒙古哈不沁铁矿花岗岩为试验对象，进行了岩石单轴压缩声发射试验，研究采用声发射参量预测岩石破坏裂纹尺 度增长的可行性。 花岗岩的全应力⁃应变曲线和声发射各参量曲线分析结果表明，应变的逐渐增加加快了岩石内部聚集的弹性变 形能的释放，随着弹性变形能的释放，声发射的幅度、振铃计数、能量等越来越频繁地跳跃，当进入岩石破坏阶段时，声发射参量呈 现突发性增长。 对比分析了在声发射参量下预测裂纹尺度与实测裂纹尺度的相关性，结果表明，径向破坏裂纹尺度是轴向位移的 ２ 倍，且预测值与实测值非常吻合，预测的裂纹尺度能够反映岩石的损伤破裂过程，也能够描述岩石应变的发展过程。 关键词 声发射； 弹性变形能； 裂纹尺度； 径向破坏； 轴向位移； 损伤破裂 中图分类号 TU４５９文献标识码 Adoi１０．３９6９／ j．issn．０２５３－6０９９．２０１９．０１．００５ 文章编号 ０２５３－6０９９（２０１９）０１－００２１－０４ Experimental Study on Acoustic Emission and CracK Size Growth for RocK Failure WANG Chuang⁃ye， GAO Zhao， LIU Wei， CHANG Xin⁃ke （Institute of Mining， Inner Mongolia University of Science and Technology， Baotou ０１４０１０， Inner Mongolia， China） Abstract An acoustic emission testing was pered after uniaxial compression of the granite from Habuxin Iron Mine in Inner Mongolia， for exploring the feasibility of predicting rock failure and crack size growth with acoustic emission parameters． An analysis of the full stress⁃strain curve of the granite and curves of strain to acoustic emission parameters showed that a gradual increase in strain accelerated the release of elastic deation energy within the rock． And the release of elastic deation energy resulted in the amplitude of acoustic emission， ringing count and energy being more and more frequent． At the rock failure stage， there showed sudden increase for all acoustic emission parameters． The difference between the crack size predicted by using acoustic emission and the practical size was analyzed． The results showed that the radical fracture size was ２ times of axial displacement， and the prediction was in coincidence with the practical size． It is concluded that the predicted crack size can reflect the fracture process caused by damage， as well as rock strain development． Key words acoustic emission； elastic deation energy； crack size； radial damage； axial displacement； damage⁃caused fracture 岩石材料都含有天然的缺陷，当受到一些外力或 内力时，这些原有的缺陷就会造成岩石的变形和裂纹 扩展。 由于岩石的变形会伴随着能量的释放而发出弹 性波，借助这种声发射的现象，许多学者对岩石受力破 坏过程做了大量研究［１－２］。 目前为止，从内部裂纹的 发展来解释岩石宏观破坏机制［３－１３］具有重要意义。 本 文在岩石变形特征的基础上，应用声发射参量对岩石 径向裂纹尺度增长进行分析，进一步验证微裂纹尺度 增长模型对预测岩石裂纹变化的可行性。 １ 岩石单轴声发射试验 选用花岗岩为试验材料，在相同的力控加载下获 取岩样的力学特性及声发射（AE 序列）信息，对声发 射信息中振铃计数、能量、幅度等参量的合理利用来研 究岩石破坏过程中微裂纹的变化特征。 １．１ 试样制备 选取内蒙古哈不沁铁矿的上顶板花岗岩为试验岩 样，室内钻芯将岩石加工成直径 ５０ mm、高度 １００ mm ①收稿日期 ２０１８－０７－１４ 基金项目 国家自然科学基金（５１４6４０３6，５１５6４０４８） 作者简介 王创业（１９７6－），男，山西临猗人，副教授，主要从事采矿及岩石力学方面的教学与研究工作。 通讯作者 高 照（１９９３－），男，山西大同人，硕士研究生，主要研究方向为采矿及岩石力学。 第 ３９ 卷第 １ 期 ２０１９ 年 ０２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol．３９ №１ February ２０１９ 万方数据 的标准岩样。 试件加工需要保证试件两端面的不平整 程度误差不得大于 ０．１ mm；沿试件的高度，钻取试件 直径的误差不得大于 ０．３ mm；端面垂直试件轴线方 向，误差不大于 ０．２５。 具体试样信息如表 １ 所示。 表 １ 花岗岩试件信息 试件 编号 直径 ／ mm 高度 ／ mm 密度 ／ （gcm －３ ） 质量 ／ g Sd⁃１５２．２6１１．１８２．４４５８４．５ Sd⁃２５２．２6１０．９２２．４５５７４．７ Sd⁃３５２．２２１１．１２２．４３５７７．９ １．２ 试验设备 试验采用 HCT１6０E 单轴压力机配套 TST３８２７E 动静态应变仪收集数据，主要采集岩石应力⁃应变曲 线；声发射系统采用 SAEU２S 设备，可同时采集幅度、 振铃计数、能量、RMS 等参数。 整个试验过程中压力 机采用力控进行加载，加载速度为 １８０ N／ s，同时应变 仪以 １／４ 桥连接工作；声发射系统采用频率范围在 6０～ ４００ kHz 的高频 SR１５０ 传感器和 P 系列前置放大器。 声发射试验采用 ４ 通道数据采集，声发射传感器沿轴 向对称布置，每通道都对应于一个固定的传感器与前 置放大器，传感器采用胶水粘结气球固定，并在端部涂 有耦合剂来排尽空气和粘贴试件。 设置试验中门槛值 为 ２５ dB，采用高频探头 SM１５０ 采集数据，谐振频率为 ２０～４００ kHz，采样频率为 ５ ０００ kHz，试验中必须同配 套应变仪的压力机同时进行记录数据。 ２ 花岗岩试验应力分析 图 １ 为上顶板（编号 Sd）花岗岩单轴压缩下的全 应力⁃应变曲线。 体积应变 180 150 120 90 60 30 0 -3000-4000-2000 -1000010002000 Sd-1 Sd-3 Sd-2 3000 应力/ MPa 图 １ 上顶板花岗岩全应力⁃应变曲线 上顶板中岩石的单轴抗压强度基本一致，取其 ３ 组花岗岩中的平均值来表示上顶板花岗岩的整体单轴 抗压强度（１４２．９6 MPa）。 编号为 Sd⁃２ 的花岗岩试样， 在全应力⁃应变曲线中孔隙压密阶段和弹性变形阶段 没有明显的分界，Sd⁃１ 试样与 Sd⁃３ 试样都能体现出孔 隙压密阶段、弹性变形阶段和塑性强化阶段，Sd⁃３ 试 样在 ４０ MPa 以下处于孔隙压密阶段，４０～１００ MPa 处 于弹性变形阶段，１００～１５０ MPa 处于塑性强化阶段， 随后岩石发生破坏。 试验结果数据如表 ２ 所示。 表 ２ 花岗岩试验物理参数 试样 编号 弹性模量 ／ MPa 泊松 比 抗压强度 ／ MPa 抗拉强度 ／ MPa Sd⁃１6．２３０．２３１４２．３７１４．２４ Sd⁃２6．１３０．２３１３３．７８１３．３８ Sd⁃３6．２８０．２５１５２．７４１５．２７ ３ 岩石声发射与裂纹尺度增长分析 岩石裂纹的演化实质就是岩石内部在受压的过 程中会出现无序的微损伤，在有限的空间中生长、扩 张。 当内部微损伤的分布越来越多时，会在内部空间 中形成一组微损伤聚集的组合，随着时间的发展，在岩 样中间变形较大的部位微损伤会发展成为微裂纹，之 后裂纹发展成宏观的裂纹贯通连接、发生破坏。 ３．１ 声发射参量特征 采取各参量结合花岗岩应力⁃应变曲线分析的方 法，从声发射各个参量的变化情况来分析花岗岩受压 过程中的裂纹情况。 选取上顶板 Sd⁃３ 岩样具体分析， 选用声发射参量中的幅度、振铃计数、能力参量分析声 发射信息特征，应变⁃时间曲线结合参量来具体分析， 如图 ２ 所示。 从幅度变化来看，整个试验过程中在开始和结束 部分声发射幅度比较密集，开始时幅度阶梯式下降，结 束时幅度又阶梯式增加。 在 ３００ s 之前岩石的原有孔 隙随着压力增加逐渐闭合，幅度出现簇拥跳跃，随着时 间的发展，达到 ５００ s 之后幅度出现间歇性变化，在原 有的孔隙基础上或者周围部位开始有新的微缺陷形成 生长，并且相互之间的联系较弱，独立生长；时间发展 到 １ ５００ s 后，上一阶段生成的一些微缺陷开始连接， 在岩石试样的内部开始出现大小不一的微裂隙，且大 尺度微裂隙快速增长；到 １ ８００ s 后原有的微裂隙逐渐 发展为宏观裂纹，并且迅速扩展、贯通后发生破坏。 在振铃计数与能量变化中，振铃计数随着能量释 放而变化，因此两者具有相似性和相关性，都在岩石试 样初始加载中出现一次较大的变化，随后几乎都是在 均匀跳跃；只有到 １ ８００ s 后，随着宏观裂纹的出现才 开始出现大的跳跃，也呈现出逐级增加的现象；在发生 破坏的瞬间出现的振铃计数达到 ４．８ １０４次，能量释 放在 １ μs 时刻就达到了 ２．５ １０４mVμs。 ２２矿 冶 工 程第 ３９ 卷 万方数据 时间/s 3000 2000 1000 0 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 06003009001200180015002100 应变 幅度/dB 时间/s 3000 2000 1000 0 50000 40000 30000 20000 10000 0 06003009001200180015002100 应变 振铃计数 应变 振铃计数 时间/s 3000 2000 1000 0 25000 20000 15000 10000 5000 0 06003009001200180015002100 应变 能量/mV μs 应变 能量 应变 幅度 图 ２ Sd⁃３ 试样应变与声发射参量曲线 ３．２ 裂纹尺度增长特征 岩石裂纹的尺度与其岩石成分材料的晶粒大小有 着密切的联系，根据微缺陷成核无重叠聚集排列生长 形成微裂纹这一思想，文献［１４］推导了微裂纹尺度 Cmax与微缺陷累积成核数的关系来预测岩石裂纹尺度 的变化特征。 Cmax ＝ δ １ ＋ Nd（t）（Ds － D c） N（δC）Dc －（Ds－Dc） （１） 式中 δ 为覆盖尺码（取最小晶粒尺寸 ０．０１ mm）；Nd为 微缺陷总数；N（δ）为微裂纹总数；Dc为裂纹尺度⁃频数 分布分维数；Ds为粗糙表面分维数。 从采集的声发射 （AE 序列）信息中分离出孤立的成核数和聚集的成核 数，其中聚集的成核数为微缺陷总数，孤立成核数为微 裂纹总数。 从式（１）得出分形维数是预测微裂纹尺度增长的 核心参量之一，但目前分形维数的计算方法有很多种， 岩石表面粗糙度采用下式计算 df ＝ ２ lgP lgA Ds ＝ d f （２） 式中 P 为试件周长；A 为试件接触面积。 计算得出花 岗岩试件 Sd⁃３ 的表面粗糙分维数 Ds＝１．３２。 岩石微裂纹的尺度⁃频数分维数类似于 b 值，通常 都采用下式来计算 b 值 lgN ＝ a － bM（３） 式中 M 为地震震级（声发射中的幅度除以 ２０ 来代表 震级）；N 为 M＋ΔM 范围的地震次数；a 为地震活动常 数；b 为地震学中的 b 值（lgN 与 M 的直线斜率的绝对 值）。 选取 １ ０００ 个样本容量，以 ΔM ＝ ０．５（相当于 １ dB）进行计算拟合，求得 Sd⁃３ 试样的 Dc＝０．２９。 经过对微裂纹尺度增长的统计分析，得出其最大微 裂纹尺度扩张在径向上的变化增量曲线，对比与在轴向 方向上的变化增量曲线，发现轴向的岩石压缩尺度都在 ３～４ mm 之间变化，而径向的岩石破坏裂隙尺度都在 6～８ mm 之间变化，也就表明在单轴压缩中岩石的径向 最大微裂纹尺度是轴向最大微裂纹尺度的 ２ 倍。 其中 径向方向的最大微裂纹尺度演化曲线如图 ３ 所示。 体积应变 180 150 120 90 60 30 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0100020003000 应力/ MPa 微裂纹尺度/ mm 应力-应变 微裂纹尺度 图 ３ 径向最大微裂纹尺度演化曲线 图 ３ 中的岩石试样的最大微裂纹尺度曲线开始急 剧增加，随后几乎平稳发展，进入到最后阶段又开始急 剧增加，这表明中间过程是岩石微裂纹生成、独立生 长、发展的过程。 从裂纹增长曲线可以将岩石的损伤 分为 ４ 个阶段原有孔隙压密阶段、弹性损伤阶段、弹 塑性损伤强化阶段、破坏阶段。 其中两条曲线的相交 表明原有孔隙压密阶段的完成，在应力⁃应变曲线中近 似直线变化的阶段为弹性损伤阶段，呈现圆弧曲线变 化的为弹塑性损伤强化阶段，随后微裂纹尺度急剧增 加为破坏阶段。 裂纹增长曲线能很好地反应岩石损伤裂纹增长情 况，从应力⁃应变曲线结合裂纹增长曲线也能很好地反 应岩石变形的各个阶段。 其中 Sd⁃３ 最大微裂纹尺度 ３２第 １ 期王创业等 岩石破坏声发射与裂纹尺度增长试验研究 万方数据 为 ０．７０ mm，轴向中位移变化为 ０．３５ mm。 ３．３ 裂纹尺度预测与实际尺度变化的对比 在预测裂纹尺度的增长变化中，只有表面粗糙度 分维数采用理论测度关系式求得，这与岩石实际的粗 糙度有着一定的差值。 选用岩石试件破碎后的块度数 量和特征块度的尺度，采用碎块数与块度尺度的相关 性得出确定的分维数（lgN 与 lg（１／ R）组成的坐标下的 直线斜率），具体统计与计算结果如表 ３ 所示。 表 ３ 破碎块度特征与计算结果 试件 编号 不同碎块尺寸（mm）下的碎块数分维数 １０２５４５6５７０８０实测理论误差／ ％ Sd⁃３３４２３１１５２１．２７１．３２３．７９ 花岗岩破碎形态是从块状到粉末形式破碎，主要 由拉应力从试样中间部位造成拉伸破坏，且较大的、较 完整的块状呈现出漏斗的形状。 图 ４ 为裂纹增长尺度 预测与实测对比。 可见图中实测裂纹尺度增长曲线与 预测裂纹增长曲线基本吻合，实测数据普遍略大于预测 值，但在岩石的体积变形中误差都小于 １０％。 从实测的 曲线数据得出Sd⁃３ 试样最大微裂纹尺度为 ０．７6 mm， 轴向中位移变化为 ０．３８ mm，差值为 ０．０6 mm，误差为 ７．９％。 结合曲线的变化可以得出采用微裂纹增长模 型来预测裂纹尺度变化是完全可行的。 时间/s 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.00 5001000150020002500 裂纹尺度/mm 预测值 实测值 图 ４ 裂纹增长尺度预测与实测对比 ４ 结 论 １） 采用力控加载下的花岗岩，其上顶板的抗压强 度都在 １４２．３７ MPa 左右，达到抗压强度后即刻发生破 坏，主要以拉应力状态下发生 X 状斜面断裂破坏，破 坏形态从块状到粉末，块体较完整的呈现出漏斗状。 ２） 随着岩石弹性变形能的释放，声发射信息中的 幅度、振铃计数、能量等都随着弹性变形能的释放不断 变化。 随着应力增加，声发射幅度初期呈现阶梯式下 降，后期呈现阶梯式增加，中间过程平稳均衡发展；在 弹性变形能的释放过程中，振铃计数与能量都在后期 达到了峰值，从后期能量的释放中可以看出岩石在破 坏阶段，内部聚集的弹性变形能得到了充分释放。 ３） 由花岗岩裂纹尺度增长曲线可将岩石的损伤 划分为 ４ 个阶段原有孔隙压密阶段、弹性损伤阶段、 弹塑性损伤强化阶段、破坏阶段。 结合应力⁃应变曲线 发现，两者相交表明原有孔隙压密阶段完成，应力⁃应 变曲线中近似直线部分为弹性损伤阶段，呈弧型变化 的曲线为弹塑性损伤强化阶段，随后进入破坏阶段。 ４） 预测与实测裂纹尺度增长整体上非常吻合。 其中所选岩石预测与实测的误差为 ７．９％，结果误差小 于 ０．１ mm，预测中径向裂纹尺度是轴向位移变化的 ２ 倍，轴向位移变化也在试验设置的 ３～５ mm 之间，因此 微裂纹尺度增长模型完全可以预测裂纹尺度的变化， 若从岩石轴向位移的尺度增长来预测岩石微裂纹的尺 度增长，其发展结果会更准确。 参考文献 ［１］ 高保彬，李回贵，刘云鹏，等． 单轴压缩下煤岩声发射及分形特征 研究［J］． 地下空间与工程学报， ２０１３，９（５）９８6－９９１． ［２］ 张志镇，高 峰． 单轴压缩下岩石能量演化的非线性特性研究［J］． 岩石力学与工程学报， ２０１２，３１（6）１１９８－１２０７． ［３］ 张国凯，李海波，夏 祥，等． 岩石细观结构及参数对宏观力学特 性及破坏演化的影响［J］． 岩石力学与工程学报， ２０１6，３５（７） １３４１－１３５２． ［４］ 张国凯，李海波，夏 祥，等． 单轴加载条件下花岗岩声发射及波 传播特性研究［J］． 岩石力学与工程学报， ２０１７，３6（５）１１３３－ １１４４． ［５］ 许 江，陆丽丰，杨红伟，等． 剪切荷载作用下砂岩细观开裂扩展 演化特征研究［J］． 岩石力学与工程学报， ２０１１，３０（５）９４４－９５０． ［6］ 彭 俊，蔡 明，荣 冠，等． 裂纹闭合应力及其岩石微裂纹损伤 评价［J］． 岩石力学与工程学报， ２０１５，３４（6）１０９１－１１００． ［７］ 彭 俊，荣 冠，周创兵，等． 岩石裂纹闭合效应及其定量模型研 究［J］． 岩土力学， ２０１6，３７（１）１２6－１３２． ［８］ 马春德，胡顺喜，王业顺，等． 引入外参数的声发射系统在地应力 测量中的应用［J］． 矿冶工程， ２０１７，３７（２）１－５． ［９］ 乔 兰，王 旭，李 远． 深部花岗闪长岩破坏过程声发射及特征 应力特性试验研究［J］． 岩石力学与工程学报， ２０１４，３３（S１） ２７７３－２７７８． ［１０］ 王 利，毛原春，叶金生，等． 基于微缺陷成核序列的岩石微裂纹 生长和损伤演化模型［J］． 工程力学， ２０１３，３０（８）２７８－２８6． ［１１］ 程立朝，许 江，冯 丹，等． 岩石剪切破坏裂纹演化特征量化分 析［J］． 岩石力学与工程学报， ２０１５，３４（１）３１－３９． ［１２］ 王 伟，王奇智，石 露，等． 爆炸荷载下岩石 I 型微裂纹动态扩 展研究［J］． 岩石力学与工程学报， ２０１４，３３（6）１１９４－１２０２． ［１３］ 王志国，王 梅，张国庆，等． 帷幕体单轴压缩破裂声发射空间演 化规律与分形特征研究［J］． 矿冶工程， ２０１７，３７（１）５－９． ［１４］ 王 利． 岩石损伤演化理论与数值模拟［M］． 杭州浙江大学出 版社， ２０１５． 引用本文 王创业，高 照，刘 伟，等． 岩石破坏声发射与裂纹尺度增 长试验研究［J］． 矿冶工程， ２０１９，３９（１）２１－２４． ４２矿 冶 工 程第 ３９ 卷 万方数据