单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

1、第 23卷 第 15期岩石力学与工程学报 23(15:249925032004年 8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug . , 2004 2003年 3月 7日收到初稿, 2003年 4月 24日收到修改稿。 * 国家“十五”科技攻关项目 (2001BA609A-09-02资助课题。作者 李庶林 简介:男, 39岁,博士后, 2000年于东北大学工程力学专业获博士学位,现任教授级高工,主要从事岩石力学、地压监测和地质灾害 等方面的教学与研究工作。 E-mail :shulin.li。单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究

2、*李庶林1, 2尹贤刚 2王泳嘉 1 唐海燕 2(1东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110004 (2长沙矿山研究院岩体力学研究所 长沙 410012摘要 在刚性试验机上,对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验,得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射 特征, 包括岩石应力 -应变曲线、 声发射事件数等, 研究了声发射事件数 (AE数 、 事件率与应力、 时间之间的关系。 研究表明:岩石在一次性加载过程中,不是所有的岩石都具有典型的 Kaiser 效应的声发射特征点;在弹性阶段的 初期和后期,随着应力水平的增加岩石声发射显著增加,特别在弹塑性高应力阶段,岩石声发射增长迅速;岩样 在试验接近峰值强

3、度时单位时间内的应力增长速度减小,声发射事件率出现明显下降,即出现相对平静阶段;声 发射事件率在不同应力水平变化很大,峰值强度后的声发射现象仍然明显,其声发射特征随岩样破坏形式的不同 而不同。关键词 岩石力学,岩石破坏,声发射,时间,监测和预报分类号 TU 45 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(200415-2499-05STUDIES ON ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICS OF UNIAXIALCOMPRESSIVE ROCK FAILURELi Shulin1,2, Yin Xiangang2, Wang Yongjia1, Fang Ha

4、iyan2(1School of Resources and Civil Engineering, Northeastern University, Shenyang 110004 China (2Division of Rock Mechanics, Changsha Institute of Mining Research, Changsha 410012 China Abstract Experiments on acoustic emission (AE characteristics of full-regime rock failure are carried out on sti

5、ffness test machine (MTS. The mechanical properties of rocks and acoustic emission characteristics, including full-regime curves, AE counts and AE rate, are obtained. The relations among AE counts, AE rate, stress levels, and time are analyzed in detail. The results show that the Kaiser effect does

6、not occur for every rock samples subjected to simple loading. During the initial and late stages of elastic domains, AE counts increase rapidly with the increase of stress level. But when the curve is near to the peak, AE counts obviously drop, which means that there is a relatively tranquil period.

7、 The AE rates change dramatically in different stages. In post-peak region, AE events stay evident and the AE characteristics depend on the failure type of rocks. Key words rock mechanics , rock failure, acoustic emission(AE, time , monitoring and prediction1 前 言岩石受力破坏的过程是其内部微破裂萌生、扩 展和断裂的过程,在这个过程中岩石

8、会产生声发射现象。这个现象早在 20世纪 30年代就由美国矿山 局的 Obert 所发现,并把声发射技术应用到矿山矿 柱岩体稳定性和岩爆的监测预报中 1。 自那时以来, 声发射技术在国外岩土工程和矿山岩体稳定性监测 方面得到推广应用 2。 我国金属矿山自 70年代开始 2500 岩石力学与工程学报 2004年应用该项技术来监测采场顶板的稳定性,随着声发 射监测设备的改进和发展,近年来岩石声发射监测 技术在矿山地压研究中得到了广泛的应用 36。 虽 然在岩石声发射监测技术的设备研制与开发和应用 研究方面已取得很大的成就,但岩石声发射技术是 理论研究落后于工程实际的少数学科,特别是对于 岩体失稳的

9、声发射监测预报应用方面,迄今为止仍 然是一大难题。这是因为人们尚未掌握岩石破坏的 前兆判据,实际应用中监测预报大多是基于经验判 断,缺乏可靠的判别依据和理论基础,致使监测预 报的成功率不高、效果不理想,这也是制约声发射 监测应用技术的一个关键点。因此,开展单轴受压 岩石破坏全过程声发射特征研究,深刻揭示岩石破 裂过程与声发射参数之间的关系,有助于我们进一 步认识岩石的破坏机理,提出合理的岩石破坏的前 兆判据。2 岩石声发射试验研究在受压岩石破坏全过程声发射特征研究方面, 国内外一些学者进行过广泛的室内试验研究,包括 岩石受压、张拉、剪切和断裂试验条件下的声发射 特征研究等,且主要是研究岩石峰值

10、强度前的应力、 应变与声发射参数之间的关系 79。对于单轴受压 岩石破坏全过程声发射特征,特别是声发射参数与 时间变量之间的特征关系则研究得不多,尚未见到 相关的报道。众所周知,在岩石受力变形直至破坏 的过程中,岩石塑性变形过程,是非等时变化的。 对于岩石声发射监测技术的应用来说,主要是依据 声发射参数对时间的变化过程来对岩石的稳定性进 行评价,时间是监测预报的一个基本变量。基于这 种思考,本文主要对单轴受压岩石破坏全过程、声 发射参数对时间变化特征进行试验研究,力图寻找 岩石破坏过程的声发射参数的时序变化特性,为岩 石声发射监测预报技术的现场应用提供依据,提高 岩石稳定性声发射监测预报的准确

11、率。试验采用加载控制系统和声发射监测系统 2套 装置。试验加载设备是 MTS851型液压伺服岩石力 学试验机,该试验机经改造将原来的模拟控制系统 升级为全数字计算机自动控制系统。该系统的配置 基于 Windows 平台的可视化操作软件, 可跟踪记录 当前荷载、应力、位移、应变值的大小,并同步绘 制载荷 -位移、应力 -应变曲线等。声发射监测系统 可对声发射事件自动计数、 存储, 可与计算机通讯, 实现对声发射的实时监测,并可进行波形和参数的 分析。试验装置见图 1。对取自三山岛金矿的斑状黑云母化花岗岩、绢 云母化花岗岩和辉绿岩、厂坝铅锌矿的结晶灰岩、 铅锌矿石、黑云母片岩等岩石试样进行单轴受压

12、岩 石破坏全过程试验,研究岩石受力、变形直至破坏 全过程声发射参数特征和时间过程特征等。通过试 验研究,探索单轴受压岩石变形直至破坏全过程的 时间特性、声发射参数的时间过程特性以及岩石破 坏全过程与声发射参数之间的特性等。试验时,保持加载过程与声发射监测同步。对 加载系统采用轴向应变控制加载,加载速率为 2×10-6 mm/mm·s-1。对声发射监测系统,设定声发射 监测的采样间隔为 50 s ,频率为 102104 Hz ,为 尽可能减少噪音的干扰,选择高的声信号触发电平 为 3.6或 4.5 mV,使试验只测定岩石单轴受压破坏 的声发射大事件。同时,为消除加载系统的环境

13、噪 音,在对试件进行加载前,应率定加载系统的噪音 图 1 试验装置图Fig.1 Experimental equipments第 23卷 第 15期 李庶林等 . 单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究 2501 水平。3 试验结果与分析岩石受力变形直致破坏全过程中,以恒定的加 载速度,保持加载系统和声发射监测系统同步进行。 MTS 系统以 4次 /s的间隔速度采集数据自动记录应 力、应变和时间,并同步绘制荷载 -位移、应力 -应 变曲线图;以等应力增量间隔或等时间间隔,读取 声发射仪记录的声发射事件数,并抽样存储声发射 事件的波形。在全部试验岩样中,大部分岩石受力变形的特 点大体上相近,都是经

14、历初始压密、弹性、塑性和 峰后破坏 4个阶段,只有辉绿岩的初始压密阶段不 明显。本次试验研究进一步观察了岩石在峰值点前 的受力变形特点,发现有的岩样在达到其峰值强度 的 85%90%之后,出现一段应力增长减缓、而相 对应的应变量明显增加的塑性变形阶段,这个阶段 在荷载 -位移图上很明显。特别是这个阶段的持续时 间较长, 但是时间参数在荷载 -位移曲线图上却被掩 盖了。具有这种特点的岩石,其在这一阶段的声发 射就出现明显的相对平静现象。图 2为试验测得的 具有这种特点的一典型的绢英岩化花岗岩岩样的荷 载 -位移曲线, 该岩样的破坏形式为典型的单一剪切 面破坏。从图 2中可以看出,该岩样具有明显的

15、初始 压密阶段, 随后进入弹性阶段。 从图中可以明显看出, 在接近峰值点之前、荷载 90 kN之后,应变增加迅 速,而应力增加缓慢,荷载 -位移曲线明显趋缓。 图 2 荷载 -位移关系曲线Fig.2 Load-displacement curve在峰值强度之后, 载荷 -位移出现了 3次应力突 降,从宏观的肉眼观察为几条临近的宏观斜裂纹之 间的岩桥破坏、裂纹沟通形成的最终破坏面。在临 近应力降之前,都出现了一段较长的时间延迟和声 发射事件的相对平静,然后是应力的突然降低,声 发射事件数的突然增加。3.2应力、应变与声发射之关系在所进行的试验研究中,对岩石声发射监测研 究全部是采用一次性加载方式

16、。通过试验发现岩石 在峰值前的声发射事件与应力、应变之间的关系具 有 2种典型的类型:第 1种类型是 AE 曲线与应力 -应变相近似,在初始压密阶段几乎不出现声发射现 象,在进入弹性阶段时声发射事件迅速增加,即出 现所谓的 Kaiser 效应的特征点, 有趣的是 Kaiser 效 应特征点一般出现在压密阶段的后期或是弹性阶段 的初期;第 2种类型是 AE 曲线近乎为直线,不出 现或不明显出现 Kaiser 效应特征点。这 2种典型的 试验结果见图 3。图 3(a, (b分别为第 1, 2种类型 的典型曲线。 (a 黑云母片岩 (b 结晶灰岩图 3 应力、应变与声发射关系Fig.3 Relati

17、ons of strain with stress and AE counts岩石峰值强度前,在弹性阶段的前期、后期和 塑性阶段的前期是声发射事件明显增加期;在弹性 阶段的中期,声发射事件比较稳定,图 3所示的试 验结果体现了这些特点。同时,这些特点在图 2的 荷载 -位移关系曲线上也有明显的特征, 从图中可以 明显看出,在弹性阶段的初期和后期,伺服控制采 样数字出现明显的跳动,绘制出的荷载 -位移关系 曲线出现明显的波动现象。应力 /MPa应变80604020AE数 /次0.000 00.002 50.005 0 0.007 5 0.010 0应变应力 /MPa755025AE数 /次 25

18、02 岩石力学与工程学报 2004年 在峰值强度后,大多数岩石的声发射事件数并 不减少,甚至有的岩样的声发射事件数大大增加, 最大声发射事件率有很多出现在峰值强度之后。声 发射的特征随着试样破坏的类型不同而不同。只有 当应力下降到峰值强度的 20%30%以下之后,声 发射事件数才产生明显的减少。 3.3 应力、声发射事件数与时间关系在常规的岩石力学试验中,只研究岩石应力、 应变之间的关系,一般都忽略时间效应的影响。由 于岩石的非均质性和受力变形全过程的非线性特 点,在进行岩石声发射试验研究中,充分考虑时间 效应是非常必要的。本研究表明,在岩样压密阶段的低应力水平时, 声发射事件数很少或无声发射

19、;弹性阶段声发射事 件数开始逐步增加,这一阶段大多数岩样声发射事 件数的累计值与应变之间的关系类似于应力 -应变 关系, 也就是说应力 -应变关系同声发射事件数与应 变之间有相似的关系这些结论与其他研究人员所得 结果基本是一致的。在弹性阶段,应力、应变增量 呈现等时增长的特点,正是应力、应变与时间之间 存在这种线性关系,在常规试验研究中可以忽略时 间效应的影响。图 4为一典型的应力、声发射与时 间关系曲线 (对应于图 2绢英岩化花岗岩 ,是以时 间为横坐标 (自变量 再现受压岩石破坏全过程的应 力、声发射事件特征的曲线。在应力水平超过其峰值强度的 85%90%之 后,大多数岩石的等应力增量间隔

20、时间出现明显增 加,以时间为自变量时的声发射事件数则明显减少, 即出现峰值前的声发射事件相对平静期。表 1给出图 4 绢英岩化花岗岩岩样应力、声发射与时间关系曲线 Fig.4 Relation curves of time with stress and AE for phyllicgranite了部分岩样峰值前的试验测试结果,从表中可以看 出,在接近峰值前岩石等应力增量的时间是弹性阶 段的 1.52倍以上;对于结晶灰岩来说,虽然临近 峰值前的等应力增量时间间隔没有增加,但声发射 事件从前一个应力增量段的 93次降为 58次,出现 明显的应力降低现象。从图 4中可以看出,峰值强 度前的 AE

21、曲线趋于平缓,即出现 AE 平静期,同 时,还可以看出峰后声发射特性。图 5为结晶灰岩 声发射参数与时间关系曲线, 从图中可以明显看出, 在以时间为参数的坐标系中, AE 数在临近峰值点 时曲线趋于平缓, AE 事件率显著下降。在常规试验研究中,人们已经认识到在接近峰 值强度前的阶段应力 -应变的非线性性质。 但如果把 声发射事件数的累计数值直接叠放在不考虑时间的 这种应力 -应变曲线图上, 就会得出接近峰值强度前 的声发射事件数迅速增加的结论,本研究认为这是表 1 峰值强度前的应力、时间与 AE 数的试验结果Table 1 Test results of stress, intervals

22、of time and AE events before peak strength绢英岩化花岗岩辉绿岩结晶灰岩 黑云母片岩应力 /MPa 时间间隔 /s AE数 /次 应力 /MPa 时间间隔 /sAE 数 /次应力 /MPa时间间隔 /sAE 数 /次应力 /MPa 时间间隔 /sAE 数 /次50 23 4 75 28 1 30 20 68 90 25 90 55 26 2 80 26 7 35 25 128 95 25 98 60 23 5 90 25 6 40 35 109 100 20 81 65 24 3 95 27 2 45 35 93 105 20 84 70 23 3 10

23、0 26 18 50 35 58 110 20 84 75 23 2 105 29 8 55(峰值 115 25 10780 30 7 110 34 7 120 45 84 85 28 6 115 30 10 125(峰值 90 63 2 120 56 1896(峰值 125(峰值 52 9第 23卷 第 15期 李庶林等 . 单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究 2503 (aAE 数与时间关系(bAE 事件率与时间的关系图 5 结晶灰岩声发射参数与时间关系曲线Fig.5 Relation curves of AE parameters and time forcrystalline lim

24、estone由于没有考虑时间效应所致。值得一提的是,在矿山岩体声发射技术的监测 应用中,采场冒顶、片帮和岩爆发生前大多都出 现声发射事件的突然下降或出现相对平静期的现 象 1, 10。本试验研究也同样发现这样的现象,这绝对不是偶合,它说明在室内也可证实岩石破坏过程 中存在声发射平静期现象,并且它预示着岩石峰值 破坏的来临。4 结 语通过声发射试验研究表明,岩石声发射事件率 在不同应力水平时变化很大,岩石在弹性阶段随着 应力水平的增加而增加, 特别在弹塑性高应力阶段, 岩石声发射增长迅速。但有些岩样在试验接近峰值 强度时单位时间内的应力增长速度减小、声发射事 件率出现明显下降,即出现相对平静期,峰值强度 后的声发射现象仍然明显,其声发射特征随岩样破 坏形式的不同而不同。需要特别指出的是,一些岩 石试样在破坏前,其声发射事件率出现明显下降的 现象,这一特点可以用来解释现场岩体声发射监测时,在岩爆、冒顶片帮发生前出现声发射事件相对 平静期现象,它对于工程中的岩体稳定性声发射监 测预报、提高预报的准确性具有重要的指导作用和 实际