向天元,謝學(xué)斌,周瀚

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

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單軸壓縮及劈裂條件下巖石的聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究

向天元,謝學(xué)斌,周瀚

(中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

利用INSTRON電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)和PCI-2型多通道聲發(fā)射測試系統(tǒng)，對取自盤龍鉛鋅礦的圍巖、未風(fēng)化礦體和微風(fēng)化礦體制成的試件分別進(jìn)行單軸壓縮和劈裂試驗(yàn)。研究結(jié)果表明：單軸壓縮時，圍巖和未風(fēng)化礦體的聲發(fā)射能率分別集中在彈性階段中后期和彈性階段，進(jìn)入塑性階段后兩者的聲發(fā)射能率均明顯減少；微風(fēng)化礦體在受壓全過程聲發(fā)射能率豐富；未風(fēng)化礦體和微風(fēng)化礦體的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量分別最低、最高。劈裂加載時，3種巖樣的聲發(fā)射能率在時序上的變化規(guī)律與其應(yīng)力在時序上的變化規(guī)律相一致，聲發(fā)射能率能反映巖石在受拉狀態(tài)下內(nèi)部損傷的演化趨勢；圍巖和微風(fēng)化礦體的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量分別最高、最低。單軸壓縮下巖樣的能量高于聲發(fā)射累計(jì)數(shù)，而劈裂時巖樣的能量與聲發(fā)射累計(jì)數(shù)大致相同；單軸壓縮下巖樣的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比劈裂時高。

巖石；單軸壓縮；劈裂；聲發(fā)射

聲發(fā)射是指材料在受到外荷載作用時內(nèi)部貯存的應(yīng)變能快速釋放產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象。聲發(fā)射作為一種動態(tài)檢驗(yàn)方法，可以連續(xù)、實(shí)時地監(jiān)測脆性材料在荷載作用下內(nèi)部的損傷演化，被廣泛用于研究脆性材料的失穩(wěn)破裂演化過程[1-2]。近年來，越來越多的研究者開展了不同的試驗(yàn)方法和試樣種類的巖石聲發(fā)射室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，如單軸及單軸加卸載試驗(yàn)[3-6]、三軸及三軸卸圍壓試驗(yàn)[7-9]和疲勞試驗(yàn)[10-11]等。在礦山工程中，巖石承受的最小主應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度時將發(fā)生拉伸破壞，如巷道頂板冒落就與拉應(yīng)力密切相關(guān)，給礦山安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅，因此許多研究者展開了不同巖石在直接拉伸和間接拉伸條件下巖石的聲發(fā)射特征研究[12-15]，揭示了巖石在拉應(yīng)力狀態(tài)下的破壞機(jī)制和聲發(fā)射特性。目前，國內(nèi)關(guān)于不同巖石的聲發(fā)射特性研究很多，但將已風(fēng)化巖石和未風(fēng)化巖石作對比研究的試驗(yàn)還較少。為研究盤龍鉛鋅礦不同性質(zhì)的礦巖的聲發(fā)射特性，對取自礦區(qū)的圍巖、未風(fēng)化礦體及微風(fēng)化礦體進(jìn)行單軸壓縮和劈裂試驗(yàn)，分析探討3種巖樣在不同加載條件下的聲發(fā)射活動規(guī)律及微觀破裂機(jī)制，為進(jìn)一步研究和揭示井下動力災(zāi)害演化過程及災(zāi)害發(fā)生機(jī)制提供判斷依據(jù)。

1　試驗(yàn)方案及內(nèi)容

1.1試樣制備

試驗(yàn)巖樣取自盤龍鉛鋅礦，分為圍巖、未風(fēng)化礦體及微風(fēng)化礦體3組，其中圍巖組取自采場頂、底板的白云巖，未風(fēng)化礦體組取自采場的新鮮鉛鋅礦礦體，微風(fēng)化礦體組取自在采場存放時間約1～2 a的鉛鋅礦體。3組巖樣各有6個試樣，6個試樣中的3個單軸壓縮試樣為50 mm× 50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)長方體，3個受拉試樣為Φ50 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體。圍巖組的平均密度為2.85 g/cm3，未風(fēng)化礦體組的平均密度為4.33 g/cm3，微風(fēng)化礦體組的平均密度為3.01 g/cm3，未風(fēng)化礦體組的含礦率大于微風(fēng)化礦體組。試件兩端面不平整度誤差小于0.05 mm，沿高度方向兩對邊長度誤差小于0.3 mm，符合工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。

1.2試驗(yàn)設(shè)備

單軸壓縮試驗(yàn)的加載系統(tǒng)采用中南大學(xué)的INSTRON—1346電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)時加載速度為0.08 mm/min。劈裂試驗(yàn)的加載系統(tǒng)采用中南大學(xué)的INSTRON—1342電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)時加載速度為1.0～1.5 mm/min。聲發(fā)射測試系統(tǒng)均為美國物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的PCI—2型多通道聲發(fā)射測試系統(tǒng)。聲發(fā)射測試系統(tǒng)門檻值和前置放大增益均設(shè)為40 dB，采樣頻率為1～3 kHz。聲發(fā)射傳感器為R6α型諧振式高靈敏度傳感器。試驗(yàn)時位移、荷載及聲發(fā)射采集系統(tǒng)同步進(jìn)行，以保證單軸壓縮、劈裂試驗(yàn)分別與聲發(fā)射試驗(yàn)在時間上嚴(yán)格對應(yīng)。試驗(yàn)裝置實(shí)物圖如圖1所示。

圖1　試驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental equipments

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果分析

表1為3組巖樣在單軸壓縮條件下測得的力學(xué)參數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)，其中聲發(fā)射累計(jì)數(shù)(ΣN)是指巖樣破壞全過程的聲發(fā)射總計(jì)數(shù)，聲發(fā)射累計(jì)能量(ΣE)是指巖樣破壞全過程的聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)。從表中可知，圍巖組的抗壓強(qiáng)度和彈性模量波動范圍很小，說明圍巖組均勻性較好；未風(fēng)化礦體組因礦化差異，各試樣的抗壓強(qiáng)度和彈性模量也相差較大，非均質(zhì)特征明顯；微風(fēng)化礦體組含礦率雖低，但各試件受風(fēng)化作用影響程度不同使其抗壓強(qiáng)度和彈性模量離散較大，非均質(zhì)特征很明顯。由表1可知，微風(fēng)化礦體組的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和聲發(fā)射累計(jì)能量最高，且該組各試件之間聲發(fā)射水平相差很大；未風(fēng)化礦體組雖非均質(zhì)特征明顯，但各試件之間聲發(fā)射水平相差較小；而圍巖組均勻性較好，各試件之間聲發(fā)射水平相差不大；可見，風(fēng)化作用對礦巖的聲發(fā)射特性有很大影響。

反映巖石聲發(fā)射特征有多個參數(shù)，現(xiàn)采用聲發(fā)射能率(E)進(jìn)一步分析3組巖樣在單軸壓縮條件下的聲發(fā)射特性。圖2～4分別為圍巖W1-1，未風(fēng)化礦體K1-1和微風(fēng)化礦體F1-2的聲發(fā)射能率-時間-應(yīng)力曲線(每組巖樣選取一個代表性試件進(jìn)行分析)，從圖中可知，3組試樣在受壓破壞過程中聲發(fā)射特征存在相同點(diǎn)：1)在受壓過程中均有聲發(fā)射產(chǎn)生，即未出現(xiàn)破壞前的平靜期，這說明在單軸壓縮過程中巖樣內(nèi)始終有微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展；2)聲發(fā)射能率峰值出現(xiàn)在應(yīng)力峰值附近，部分試件在臨近峰值應(yīng)力時聲發(fā)射活動明顯下降，這與其他研究者所得結(jié)果一致[4,9]。目前，關(guān)于巖石破壞前聲發(fā)射活動突然下降或相對平靜的現(xiàn)象還沒有統(tǒng)一定論，仍需進(jìn)行大量的試驗(yàn)來研究和探討。

表1　單軸壓縮下巖樣的試驗(yàn)結(jié)果

在圖2～4中，不同試樣的聲發(fā)射能率-時間-應(yīng)力曲線也存在不同點(diǎn)。

圖2　圍巖W1-1單軸壓縮能率-時間-應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.2 Curves of stress and energy rate with time in uniaxial compression test for sample W1-1

圖3　未風(fēng)化礦體K1-1單軸壓縮能率-時間-應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.3 Curves of stress and energy rate with time in uniaxial compression test for sample K1-1

圖4　微風(fēng)化礦體F1-2單軸壓縮能率-時間-應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.4 Curves of stress and energy rate with time in uniaxial compression test for sample F1-2

1)圍巖的聲發(fā)射能率集中在彈性階段的中后期，突變點(diǎn)較多，部分突變點(diǎn)的能率值接近能率峰值。分析其原因，主要是圍巖的均勻性比未風(fēng)化礦體和微風(fēng)化礦體好，在加載初期和彈性階段前期表現(xiàn)出能量很低的聲發(fā)射，由材料試驗(yàn)機(jī)傳遞的能量被圍巖內(nèi)部慢慢吸收和積累，直至進(jìn)入彈性階段中后期，圍巖的應(yīng)力和應(yīng)變越來越接近峰值，微裂紋的發(fā)展進(jìn)入活躍階段，其所吸收的能量通過巖石形成宏觀破裂面快速釋放，此時能聽到巖石損傷時發(fā)出的巨響。

2)未風(fēng)化礦體的聲發(fā)射能率均集中在彈性階段，突變點(diǎn)少，原因是未風(fēng)化礦體成分比圍巖復(fù)雜，均勻性比圍巖低，局部單元強(qiáng)度不一，故進(jìn)入彈性階段后強(qiáng)度較低的局部就開始有微裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，所吸收和積累的能量逐漸釋放，聲發(fā)射能率開始快速增長，但沒有像圍巖那樣突然釋放應(yīng)變能，故能率突變點(diǎn)少。

3)圍巖和未風(fēng)化礦體的聲發(fā)射能率在彈性階段后期到達(dá)峰值，進(jìn)入塑性階段后聲發(fā)射能率反而下降，標(biāo)志圍巖和未風(fēng)化礦體破壞的前兆。進(jìn)入塑性階段后，圍巖和未風(fēng)化礦體均有宏觀裂紋，而聲發(fā)射信號開始下降，這說明圍巖和未風(fēng)化礦體在彈性后期已有大量微裂紋擴(kuò)展并貫通，且兩者在峰值荷載后均立即失去承載力，表現(xiàn)出脆性破壞特征。

4)微風(fēng)化礦體的聲發(fā)射能率在加載初期明顯高于圍巖和未風(fēng)化礦體，進(jìn)入彈性階段后，聲發(fā)射能率繼續(xù)增長，但增長幅度有限，有少量的突變點(diǎn)，突變點(diǎn)的能率值不高；進(jìn)入塑性階段后，微風(fēng)化礦體的能率突變點(diǎn)明顯增多，且突變點(diǎn)的能率值大部分接近能率峰值；與圍巖和未風(fēng)化礦體不同的是，峰值應(yīng)力后，微風(fēng)化礦體表現(xiàn)出一定的“延性”，其承載力緩慢下降，聲發(fā)射活動也逐漸減少。分析原因，主要是微風(fēng)化礦體受風(fēng)化影響，內(nèi)部原生裂紋較多且結(jié)構(gòu)單元強(qiáng)度分布不均，一開始聲發(fā)射信號就比圍巖和未風(fēng)化礦體豐富。進(jìn)入彈性階段后，微風(fēng)化礦體內(nèi)的微裂紋持續(xù)產(chǎn)生和擴(kuò)展，聲發(fā)射活動十分活躍。進(jìn)入塑性階段后，微風(fēng)化礦體聲發(fā)射能率持續(xù)增長直至峰值，這點(diǎn)與圍巖和未風(fēng)化礦體不同，這與該巖樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。巖樣在加載完畢后十分破碎，表面呈片狀剝落，中部有橫向膠結(jié)層，破壞后試件沿該膠結(jié)橫斷面裂開，其破壞形態(tài)如圖5所示。在塑性階段橫向的膠結(jié)層使微風(fēng)化礦體中的微裂紋只能局部貫通，形成大小不一的碎塊，各碎塊之間相互擠壓摩擦使微裂紋進(jìn)一步發(fā)展，巖石更為破碎，聲發(fā)射信號也繼續(xù)產(chǎn)生。到達(dá)峰值強(qiáng)度后，微風(fēng)化礦體各碎塊相互滑移、剝落，聲發(fā)射信號減少，巖石承載力逐漸下降。

圖5　微風(fēng)化礦體F1-2破壞形態(tài)Fig.5 Failure mode of sample F1-2

2.2劈裂試驗(yàn)結(jié)果分析

表2為圍巖、未風(fēng)化礦體和微風(fēng)化礦體在劈裂條件下的試驗(yàn)結(jié)果，從巖樣的抗拉強(qiáng)度來看圍巖的離散性比其他兩組巖樣小，表明圍巖的均質(zhì)性比未風(fēng)化礦體和微風(fēng)化礦體好，這點(diǎn)與單軸壓縮情況相同。從聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量來看，圍巖W3-3和未風(fēng)化礦體K3-1明顯比其他試件高，這與2個試件的破壞形態(tài)有關(guān)。圖6中從左至右依次為圍巖W3-3，未風(fēng)化礦體K3-1和微風(fēng)化礦體F3-1劈裂破壞形態(tài)圖，從圖中可看出，圍巖W3-3劈裂破壞后有2條宏觀裂縫，未風(fēng)化礦體K3-1劈裂破壞后裂縫呈“S”型，而其他試件劈裂破壞形態(tài)與微風(fēng)化礦體F3-1一樣，均只有1條徑向直線形裂縫，這說明圍巖W3-3和未風(fēng)化礦體K3-1的破裂面面積明顯大于其他試件，而宏觀破裂面的產(chǎn)生過程中伴隨聲發(fā)射，因此圍巖W3-3和礦體K3-1的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量明顯高于其他試件，而其他試件的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量相差相對較小，這使圍巖組的平均聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量最高，微風(fēng)化礦體的平均聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量最低。

為進(jìn)一步了解3組巖樣在劈裂試驗(yàn)下的聲發(fā)射特性，對3組巖樣的聲發(fā)射能率進(jìn)行分析。圖7～9分別是圍巖W3-2，未風(fēng)化礦體K3-1和微風(fēng)化礦體F3-1的聲發(fā)射能率-時間-應(yīng)力曲線(每種巖樣選取一個代表性試件進(jìn)行分析)，從圖中可見：3種巖樣在劈裂條件下有相同的聲發(fā)射特征：在劈裂加載全過程中聲發(fā)射能率隨應(yīng)力的增加而增長，能率-時間曲線和應(yīng)力-時間曲線比較接近，能率與應(yīng)力同時到達(dá)峰值，即破壞時能率最大。

表2　劈裂條件下巖樣的試驗(yàn)結(jié)果

圖6　圍巖W3-3、未風(fēng)化礦體K3-1和微風(fēng)化礦體F3-1劈裂破壞形態(tài)Fig.6 Failure modes of sample W3-3,sample K3-1 and sample F3-1

圖7　圍巖W3-2劈裂能率-時間-應(yīng)力曲線Fig.7 Curves of stress and energy rate with time in Brazilian test for sample W3-2

圖8　未風(fēng)化礦體K3-1劈裂能率-時間-應(yīng)力曲線Fig.8 Curves of stress and energy rate with time in Brazilian test for sample K3-1

從圖7～9發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律與能率隨時間的變化規(guī)律是一致的。圍巖W3-2應(yīng)力隨時間增長的速度較均勻，在加載后期增長速度才加快，其能率在加載前半段隨時間增長的速度亦較均勻，隨后增長速度有小幅波動，繼續(xù)加載，能率增長速度也加快。未風(fēng)化礦體K3-1和微風(fēng)化礦體F3-1在加載初期應(yīng)力隨時間增長十分緩慢，隨荷載的增加，應(yīng)力隨時間的增長速度明顯增大；未風(fēng)化礦體K3-1在加載初期的能率增長幅度很小，加載至應(yīng)力增長速度加快的時間點(diǎn)時其能率增長幅度也明顯增大，在加載后期應(yīng)力-時間曲線上出現(xiàn)的凸起點(diǎn)幾乎同時出現(xiàn)在能率-時間曲線上；微風(fēng)化礦體的能率在加載初期增長幅度與其應(yīng)力相一致，在應(yīng)力增長速度加快的時間點(diǎn)增長幅度也明顯增大。

圖9　微風(fēng)化礦體F3-1劈裂條件下能率-時間-應(yīng)力關(guān)系曲線Fig.9 Curves of stress and energy rate with time in Brazilian test for sample F3-1

由3組巖樣的聲發(fā)射能率和應(yīng)力隨時間的變化規(guī)律可知，在劈裂條件下，巖石的聲發(fā)射能率在時序上的變化能反映巖石內(nèi)部損傷在時序上的演變規(guī)律，這可為現(xiàn)場判斷巖石受拉失穩(wěn)提供依據(jù)。

2.32種試驗(yàn)結(jié)果對比分析

比較表1和表2可知，3組巖樣在單軸壓縮下和劈裂下的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量相差很大，單軸壓縮下巖樣的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量明顯偏高；而比較圖2～4和圖7～9可知，巖樣在單軸壓縮和劈裂條件下的聲發(fā)射能率峰值均在60 000～70 000之間，相差較小。分析其原因，主要是劈裂試驗(yàn)的加載速度很大，而巖樣的抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其抗壓強(qiáng)度，故單軸壓縮加載時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于劈裂加載時間，單軸壓縮下巖樣產(chǎn)生的損傷也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比劈裂條件下多并通過聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量表現(xiàn)出來。

從表1來看，單軸壓縮下每組巖樣的平均聲發(fā)射累計(jì)數(shù)比平均能量低；從表2來看，劈裂條件下每組巖樣的平均聲發(fā)射累計(jì)數(shù)與平均能量大致相同。

3　結(jié)論

1)單軸壓縮條件下，微風(fēng)化礦體受風(fēng)化影響，其聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量最高，聲發(fā)射活動最劇烈，未風(fēng)化礦體的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量最低；劈裂條件下，圍巖和微風(fēng)化礦體的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量分別最高、最低；3組巖樣在單軸壓縮下的聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)比劈裂條件下高；單軸壓縮時每組巖樣的平均能量高于其平均聲發(fā)射累計(jì)數(shù)，而劈裂條件下每組巖樣的平均聲發(fā)射累計(jì)數(shù)和平均能量大致相同。

2)單軸壓縮條件下，圍巖的聲發(fā)射能率集中在彈性階段中后期，能率突變點(diǎn)多；未風(fēng)化礦體的聲發(fā)射能率集中在彈性階段；圍巖和未風(fēng)化礦體進(jìn)入塑性階段后聲發(fā)射能率均明顯下降，標(biāo)志巖石破壞的前兆。微風(fēng)化礦體在加載初期的聲發(fā)射能率比圍巖和未風(fēng)化礦體高，在彈性階段聲發(fā)射活動相對穩(wěn)定，進(jìn)入塑性階段后聲發(fā)射能率持續(xù)增長至峰值，到峰值應(yīng)力后，微風(fēng)化礦體表現(xiàn)出一定的“延性”，其承載力緩慢下降，聲發(fā)射活動逐漸減少。

3)劈裂條件下，圍巖、未風(fēng)化礦體和微風(fēng)化礦體的聲發(fā)射能率在時序上的變化規(guī)律和其應(yīng)力在時序上的變化規(guī)律一致，聲發(fā)射能率能反映巖石在受拉狀態(tài)下內(nèi)部損傷的演化趨勢，現(xiàn)場可采用聲發(fā)射能率來預(yù)測和判斷巖石的受拉失穩(wěn)破壞。

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Experimental study on AE characteristics of rocks under Brazilian and uniaxial compression

XIANG Tianyuan, XIE Xuebin, ZHOU Han

(School of Resources and Safety Engineering，Central South University, Changsha 410083, China)

By virtue of INSTRON electro-hydroulic servo universal testing machine and PCI-2 acoustic emission testing system, uniaxial compressive and Brazilian tests were carried out with 3 different rocks. The results show that in uniaxial compression test AE energy rate of surrounding rock and unweathered orebody are respectively concentrated in the middle-late period of elastic phase and elastic phase, but both significantly decreased in the plastic phase. The AE energy rate of lightly weathered orebody is rich all the time and its’ accumulated AE counts and energy are highest while unweathered orebody’s are lowest in uniaxial compression test. In Brazilian test, the changes over time of AE energy rate are in accordance with the changes of stress, which shows that AE energy rate indicates the change trend of damage inside rock. The accumulated AE counts and energy of rocks under uniaxial compression are much higher than those of rocks under Brazilian splitting.

rock; uniaxial compression; Brazilian splitting; acoustic emission

2015-10-25

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51374246)；湖南省科技劃項(xiàng)目(2013FJ6002)

謝學(xué)斌(1968-)，男，湖南祁東人，教授，博士，從事巖土工程科技及教學(xué)工作；E-mail：xbxie@csu.edu.cn

TU45

A

1672-7029(2016)08-1528-07