变粒岩破裂全过程声发射时频特性试验研究.pdf

第3 3 卷第4 期 2 0 1 3 年0 8 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM 町A L L U R G I C A l LE N G 矾E E R I N G V 0 1 ．3 3 №4 A u g u s t2 0 1 3 变粒岩破裂全过程声发射时频特性试验研究① 吴贤振1 ，刘建伟1 ，李金平2 ，刘祥鑫3 ，张艳博3 1 ．江西理工大学资源与环境工程学院，江西赣州3 4 1 0 0 0 ；2 ．闽西地质大队，福建三明3 6 5 0 0 1 ；3 ．河北联合大学矿业工程学院，河北唐山0 6 3 0 0 0 摘要通过变粒岩单轴压缩下声发射试验，采集了应力．应变曲线与声发射数据。联合应力曲线，总结了声发射积累计数和积累 能量的演化特征。利用W e l c h 谱估计法与小波能谱系数法分别对试件声发射信号功率谱密度及能量分布特征进行了分析。研究 表明，声发射积累能量比振铃积累计数能更好地预测岩石破坏；在试件破坏前或产生较大裂纹时，声发射信号峰值频率会有所下 降，其能量集中频段也在扩大；在[ 7 8k H z ，1 5 6k H z ] 频段能谱系数持续增大且其值超过5 0 ％的声发射信号出现频繁的现象，可作为 试件破坏失稳的前兆信息。结合岩石声发射信号时频特性，可为预测岩体破坏提供一种新思路。 关键词岩石力学；单轴压缩；声发射；W e l c h 谱估计法；小波能谱系数 中图分类号T D 3 1 5文献标识码Ad o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 4 ．0 0 1 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 4 0 0 0 1 一0 4 E x p e r i m e n t a lS t u d yo nT i m e - f r e q u e n c yC h a r a c t e r i s t i c so f A EG e n e r a t e dd u r i n gL e p t y n i t eF a i l u r eP r o c e s s W UX i a n z h e n l ，L I UJ i a n w e i l ，L IJ i n p i n 9 2 ，L I UX i a n g x i n 3 ，Z H A N GY a n b 0 3 1 ．F a c u l t yo fR e s o u r c ea n dE n g i n e e r i n g ，J i a n g x iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，G a n z h o u3 4 1 0 0 0 ，J i a n g x i ， C h i n a ；2 ．W e s t e r nF u j i a nG e o l o g i c a lP o 彬，S a n m i n g3 6 5 0 0 1 ，F u j i a n ，C h i n a ；3 ．C o l l e g eo fM i n i n ga n dE n g i n e e r i n g ， H e b e iU n i t e dU n i v e r s i t y ，T a n g s h a n0 6 3 0 0 0 ，H e b e i ，C h i n a A b s t r a c t T h r o u g ht h ea c o u s t i ce m i s s i o n A E t e s to fl e p t y n i t ew i t hu n i a x i a ll o a d i n g ，t h es t r e s s s t r a i nc u r v e sa n dd a t ao f A Ew e r eo b t a i n e d ．C o m b i n e dw i t ht h es t r e s sc u r v e ，t h ee v o l u t i o n a r yc h a r a c t e r so fA Ec u m u l a t i v ec o u n ta n de n e r g yw e r e a n a l y z e d ．P o w e rs p e c t r u ma n de n e r g yd i s t r i b u t i o no fr o c kA Es i g n a l sw e r ea l s oa n a l y z e db yu s i n gW e l c hp o w e rs p e c t r u m e s t i m a t i o na n dw a v e l e te n e r g ys p e c t r u mc o e f f i c i e n tm e t h o d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tc u m u l a t i v ee n e r g yi sb e t t e rt h a n c u m u l a t i v ec o u n ti np r e d i c t i n gr o c kf a i l u r e ．B e f o r et h ef a i l u r eo rf i s s u r eo c c u r r e do ns p e c i m e n ，p e a kf r e q u e n e yo fA E s i g n a ld e c l i n e dw i t hf r e q u e n e yr a n g eo fe n e r g yc o n c e n t r a t i o ne x p a n d i n g ．T h ep h e n o m e n o no fe n e r g ys p e c t r u mc o e f f i c i e n t i nt h ef r e q u e n c yr a n g eo f [ 7 8k H z ，15 6k H z ] i n c r e a s i n gw i t ho v e r5 0 ％A Es i g n a l sc r o p p i n gu pf r e q u e n t l y ，c a nb eu s e d a s p r e c u r s o r y i n f o r m a t i o nf o ra s s e s s i n gi n s t a b i l i t ya n dd a m a g eo fs p e c i m e n ，w h i c h ，t o g e t h e rw i t ht i m e f r e q u e n e y c h a r a c t e r i s t i c so fA Es i g n a l ，c a np r o v i d ea ne f f e c t i v et e c h n o l o g i c a lm e a n sf o rp r e d i c t i n gr o c kf a i l u r e ． K e yw o r d s r o c km e c h a n i c s ；u n i a x i a ll o a d i n g ；a c o u s t i ce m i s s i o n ；W e l c hp o w e rs p e c t r u m ；w a v e l e te n e r g ys p e c t r u m c o e f f i c i e n t 岩石因受载荷其内部会出现微结构面的产生、闭 合及扩展，进而快速释放不同能量、不同频率的弹性波 的现象，称为岩石声发射。声发射可反映岩石破裂过 程中所包含的诸多信息，研究岩石声发射时频特性演 化特征与岩石内部结构变化的内在联系，有助于进一 步认识岩体破裂失稳机理。相关研究已取得了许多宝 贵成果。7J 。大多数研究是针对常见岩石受压破裂下 岩石声发射时问序列参数或简单从频域特性开展的， 针对变粒岩受载破裂下岩石内部裂隙的扩展规律以及 ①收稿日期 基金项目 作者简介 从声发射的时频特性，重点分析频域特征还鲜有见刊。 本文采用声发射特征参数分析、W e l c h 谱估计法以及 小波能谱法，分析了变粒岩单轴受压下全程声发射信 号演化特征，相关结论对于更好地利用声发射技术预 测岩体破坏具有一定的理论与实践价值。 l 变粒岩单轴加载下声发射试验 试验采用的岩石试样为变粒岩 采自福建某金矿 围岩，结构致密完整 ，加工成尺寸为D 5 0m m 2 0 1 3 旬3 旬l 国家自然科学基金资助项目 5 1 1 7 4 0 7 1 ；江西省教育厅科技计划项目 G J J l 2 3 3 6 ；江西省教育厅青年科学基金资助项目 G J J l 2 3 6 4 ；江西理工大学研究生创新专项资金项目 Y C 2 0 1 2 一X 0 5 吴贤振 1 9 7 1 一 ，男，湖北公安人，副教授，搏士，硕士研究生导师，主要从事采矿工程、岩土动力学的科研与教学工作。 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 L 1 0 0m m 的圆柱体，对试样进行仔细研磨，使其平行 平整度符合试验规程。 试验系统如图I 所示。加载设备为武汉岩土力学 研究所研制的R M T 一1 5 0 C 型电液伺服刚性试验机，单轴 加载速率为0 ．0 0 3m m ／／s ；声华公司生产的S A E U 2 S 声发 射系统，门槛值设为4 0d B ，采样点数取81 9 2 ，采样率为 1 0M H z ；中心频率为1 5 0k H z 的通用型谐振式传感器。 图1 试验系统 在岩石试样两端涂上黄油并安装于加载设备上，利 用真空脂将传感器固定于试样表面，同步启动试验机和 声发射仪，连续加压岩石试样，直到试样破坏，记录全过 程的力学参数、应力．应变曲线以及声发射数据及信号。 2 声发射信号特征参数分析 由于变粒岩属于脆性岩石，强度较高，当荷载达到 峰值后就直接发生脆性破坏。如图2 所示，试件a 和 试件b 的抗压强度分别为1 4 0M P a 和6 8M P a ，两者存 在较大差异，主要因不同岩石试件本身内部缺陷各异 对试件的强度产生不同程度的影响。随着加载的进 行，应力逐渐增大，变粒岩试件声发射活动在不同阶段 有着不同的变化特征。试验所用试件质地坚硬且结构 完整致密，其内部含有较少微裂隙等缺陷，因此，试件 在加载初期的声发射活动较少，声发射振铃积累计数 与积累能量缓慢增加且处于较低水平。如图2 a 所 示，在应力值达到1 0 0M P a 时，试件a 的声发射振铃积 累计数与积累能量均出现一段激增，此时应力值达到 岩石抗压强度的6 2 ％左右，这是因内部出现能最终导 致试件破坏的主裂纹所致；在应力值达到最大之前，两 声发射特征参数均有一段“平静期”，增长速率非常 小。如图2 b 所示，试件b 的声发射振铃积累计数与 积累能量在应力值为5 0M P a 时便开始快速增大，直到 应力达到最大，两声发射参数才随之出现激增；在应力 值达到最大之前，积累能量出现- - ／J - 、段“平静期”。应 力值达到最大之后，变粒岩试件两声发射参数均处于 平稳状态，增长极少，但参数曲线在岩石破坏后均出现 上扬现象，这是因为破坏后的岩块可能产生相对滑移、 摩擦等以致声发射振铃计数和能量依然保持增长趋 势。分析表明，声发射振铃积累计数与积累能量可以 很好地描述变粒岩破裂过程，声发射积累能量比振铃 积累计数能更好地预测岩石的破坏失稳。 咎 一 X 籁 k 嚓 娶 求 糍 应力／M P a 应力／M P a 图2 变粒岩应力- 振铃积累计数与应力- 积累能量关系 a 试样a ； b 试样b 3 声发射信号W e l c h 功率谱特征分析 信号的功率谱反映了信号携带的诸多重要特征， 利用功率谱提取信号特征是信号处理领域的重要内 容。经典的功率谱估计方法主要有直接法和间接法两 种，但存在性能不稳定的问题，W e l c h 功率谱估计法是 比较有效的众多改进方法之一。本文采用W e l c h 功率 谱估计法作为岩石声发射信号功率谱特征的分析手 段。为了更好地利用W e l c h 谱估计法对岩石受压破裂 过程中声发射信号进行功率谱特征分析，文中规定了 部分W e l c h 谱特征参数，如图3 所示。其中，峰值频率 指在整个区间内最高功率谱相对密度点对应的频率 e 蚕 量 嚣 霉 雷 接 罂 频率／k I I z 图3声发射信号W e l c h 谱特征参数示意 万方数据 第4 期吴贤振等变粒岩破裂全过程声发射时频特性试验研究 值，用．厂表示；能量集中频段是指大多数相对功率谱密 度分量所处的频段，用c 表示；N 为总频段；能量占比 为能量集中频段与总频段的比值，用r 表示。 利用S A E U 2 S 声发射仪配套的全波形声发射检测 软件W a e 2 0 0 2 分别回放试验采集的岩石试件破裂全 过程的声发射波形，采用隔几取一的方法提取目标信 号。统计出目标信号的峰值频率．厂和能量占比r ，重现 岩石受压破裂全过程中声发射信号的，和r 各自的演 化情况，见图4 ～5 。 由图4 可知，随加载的进行，应力不断增加，试件 a 声发射信号的峰值频率，总体上呈下降趋势，在 [ 2 0 0s ，4 0 0s ] 区间内稳定在1 0 0k H z 左右，应力在4 0 0 s 时达到极限抗压强度，试件发生破坏；在2 0 08 、4 1 0s 时，曲线出现了极低的，值，应力值分别达到最大值的 1 8 ％、9 9 ％，此为岩石内部发生较剧烈的裂纹生成及扩 展等活动所致；试件破坏后，应力直降为0 。试件a 声发 射信号的能量占比r 总体上呈上升趋势，尤其是在[ 1 6 0 s ，4 0 0s ] 范围内，能量占比r 值大部分在2 0 ％以上；在 [ 2 0 0s ，3 5 0s ] 时段内，岩石内部出现主破裂，能量占比 均很高。分析说明，在试件破坏之前，声发射信号峰值 频率一直在下降，其能量集中频段范围则不断扩大。 如图5 所示，随着加载，试件b 的声发射信号的峰 值频率．厂总体上也是下降，之后在[ 5 0k H z ，1 2 0k H z ] 间波动；在[ 1 6 0s ，4 0 0s ] 时段，即在最大应力值的 2 5 ％一1 0 0 ％范围，．厂值大部分为5 0k H z 左右；试件在 4 0 0s 时破坏，之后应力直降为O 。试件b 声发射信号 誉 ＼ 丑 句 删 箍 时间／s 图4 试件a 的应力- 峰值频率与应力一能量占比关系 ■ 皇 杂 倒 日 叟 杂 倒 时间／s 图5 试件b 的应力- 峰值频率与应力- 能量占比关系 的能量占比r 总体上呈波动上升趋势，在[ 5 0s ，2 0 0s ] 与[ 3 0 0s ，4 0 0s ] 时段，r 值均处于较高水平，前者为岩 石内部微裂纹生成、扩展等引起，后者为岩石主裂纹出 现所致。分析表明，试件在产生较大裂纹时或破坏之 前，声发射信号峰值频率有所下降，其能量集中频段范 围则不断扩大。 4 声发射信号的小波能谱系数特征分析 利用M A T L A B 编程对变粒岩试件目标信号进行 以d b 6 为小波基的6 层小波分解，可得各层重构信号 能量与原始信号能量比，即小波能谱系数。图6 、图7 分别为试件a 、试件b 破裂全程声发射信号小波能谱 系数演化图，包括戈- Y - z 三维色图和z ．Y 面二维色图。 通过演化图可以直观地了解变粒岩受压破裂全程中声 发射信号能量的变化趋势。由图6 和图7 可知，变粒 岩试件声发射信号主要能量分布在C A 6 层、C D 6 层、 C D 5 层和C D 4 层，主要频率范围是[ 0 ，6 2 5k H z ] ，随着 加载的进行，各层能量占比也在不断变化。 如图6 a 所示，试件a 声发射信号的C A 6 层与 C D 5 的能谱系数在加载初时相对较大，随着加载的进 行而减小，直到试件破坏之后回升；C D 6 层与C D 4 层 的能谱系数则是随加载的进行由小变大，尤其在临近 试件破坏时，其系数值达到最大。在表征试件a 受压 破坏信息前兆方面，C A 6 层与C D 6 层表现出极大的优 H_互＼静鬃覃J彗 万方数据 4 矿冶工程第3 3 卷 势，如图6 b 中A ～D 区域所示。C D 6 层即[ 7 8k H z ， 1 5 6k H z ] 层能谱系数的增大，可预示着试件破坏失稳 的发生；尤其是当C D 6 层能谱系数超过5 0 ％的声发射 信号出现频繁时，表明试件已进入破坏临界状态。 a 墨 鬏 I l { ∈ 整 龊 铡 七 ” 击 发 射 信 号 声发射信号 “e g - ．C D l 分解尺度 C D lC mC mC D 4 C D 5 C D 6 C A 6 分解尺度 零 ＼ 籁 懈 整 箍 鲻 七 图6 试件a 破裂全程声发射信号小波能谱系数演化图 a x ．Y 一。三维色图； b z y 面二维色图 a 零 籁 1 j { 5 整 箍 鲻 。刁 声 发 射 信 号 C D l C D 2 C n 3C I MC D 5 C D 6C A 6 分解尺度 摹 ＼ 籁 垛 整 疆 燃 乓 图7 试件b 破裂全程声发射信号小波能谱系数演化图 a z Y 一。三维色图； b z 一 ’面二维色图 由图7 a 得知，在加载整个过程中，试件b 声发 射信号的C A 6 层与C D 6 的能谱系数演化情况相似，均 是先减小后增大，不同的是C A 6 层在试件破坏临近点 突然又开始减小，而C D 6 层依然持续增大；C D 5 层与 C D 4 层的能谱系数则均是在加载不久便增大，而后又 减小，经过一段平稳期，在接近试件破坏时，均有少许 正向波动。就加载全过程中变粒岩试件b 声发射信号 各频段能谱系数演化特征而言，高能量频段从初期的 以C A 6 层、C D 6 层、C D 4 层 图7 b 中A 、B 、C 区域 为主，发展到中期的以C A 6 层 图7 b 中D 区域 为 主，之后便是以C D 6 层 图7 b 中E 、F 区域 为主，最 后则是试件b 破裂失稳。分析表明，在岩石加载过程 中，声发射信号C D 6 层小波能谱系数随荷载增加而增 大，能谱系数在5 0 ％以上的声发射信号频繁出现的现 象，可作为试件破裂失稳的前兆信息。 5结论 1 在单轴压缩下，结合应力、声发射振铃积累计 数与积累能量可以很好地描述变粒岩破裂过程，并认 为声发射积累能量比振铃积累计数能更好地预测岩石 破坏。 2 利用W e l c h 谱法能够很好地提取岩石破裂整 个过程中不同阶段声发射信号的功率谱特征，并在文 中定义了岩石声发射W e l c h 功率谱图能量集中频段、 能量占比等特征参数，发现变粒岩声发射信号峰值频 率在试件破坏之前或产生较大裂纹时有所下降，而其 能量集中频段范围则不断扩大。 3 在运用小波变换分析岩石声发射频域特性时， 提出利用声发射信号z Y 面二维色图来判断试件的破 坏的新方法。在岩石加载过程中，在[ 7 8k H z ，1 5 6 k H z ] 频段能谱系数持续增大且能谱系数大于5 0 ％的 声发射信号频繁发生的现象，可作为试件破坏失稳的 前兆信息。 4 结合岩石受压破裂全过程声发射信号时频特 性，可为判断岩体破坏失稳提供可靠前兆信息，是一种 比较有效的技术手段。 参考文献 [ 1 ] HL i u ，PKKL e e ，YT s u i ，e ta 1 ．A c o u s t i cE m i s s i o nB e h a v i o ro fB r i t - t l eR o c k sU n d e rU n i a x i a lC o m p r e s s i o n [ C ] ∥2 0 0 0S E MI XI n t e r n a - t i o n a lC o n g r e s s a m p ；E x p o s i t i o no nE x p e r i m e n t a lM e c h a n i c s ，2 0 0 0 1 7 8 1 8 1 ． [ 2 ]RP f i k r y l ，TL o k a j i c e k ，CL i ，e ta lA c o u s t i cE m i s s i o nC h a r a c t e r i s t i c s a n dF a i l u r eo fU n i a x i a l l yS t r e s s e d G r a n i t i cR o c k s t h eE f f e c to fR o c k F a b r i c [ J ] ．R o c kM e c h a n i c sa n dR o c kE n g i n e e r i n g ，2 0 0 3 ，3 6 4 2 5 5 2 7 0 ． 下转第1 0 页 ●●■㈧喇穗誓I 万方数据 矿冶工程 第3 3 卷 昌 量 ＼ 型 蛙 仁 蜷 娶 量 暑 ＼ 迥 蛙 k 辎 匿 量 E ＼ 迥 蛙 k j 毫； 娶 量 量 ＼ 遥 蛙 k 辎 匿 图8 顶板下沉岩移量及累计岩移量与时间的关系 a 断面①； b 断面②； C 断面③； d 断面④ 4 结论 通过理论力学和数值模拟对不同规格的进路进行 分析，并将计算结果应用于试验采场中，通过现场试验 得出如下结论 1 随着进路开挖，预留原岩顶部的全尾砂充填体 内产生一自然平衡拱，拱体内的尾砂体重力即为作用 在进路上方预留原岩层上的荷载。随着开挖进路跨度 增大，平衡拱的拱高不断增大，预留原岩的荷载不断 增加。 ． 2 当开挖进路一侧为充填体一侧为矿体时，顶板 最大主应力发生在矿体侧帮的顶板中，因此在对开挖 进路支护过程中要加强对矿体侧帮顶板的支护。 3 通过现场监测，当进路宽1 ．5m 、高1 ．6m 时， 顶板不发生破坏，采场回采安全。该进路规格可应用 于三山岛金矿其他残矿回采的采场。 参考文献 [ 1 ] 周崇仁．矿柱回采与空区处理[ M ] ．北京冶金工业出版社， 1 9 8 9 ． [ 2 ] 朱昌玉．采空区矿柱安全回采技术与实践[ J ] ．金属矿山，2 0 0 8 7 1 5 7 1 5 9 ． [ 3 ]樊名玉．上向连续进路尾砂充填法回采顶底柱的采场稳定性分 析[ J ] ．中国矿山工程，2 0 0 7 ，3 6 3 1 7 - 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