楊 瓊， 何鄒俊， 周科禮， 李紅利， 梅甫定

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074；2.大冶有色金屬有限責(zé)任公司銅綠山銅鐵礦，湖北黃石 435000）

隨著礦山、水利水電、鐵路（公路）交通隧道等巖體工程建設(shè)向深部發(fā)展，巖爆災(zāi)害給深部巖體工程建設(shè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)，對(duì)人員、設(shè)備安全造成嚴(yán)重威脅. 巖爆誘因的復(fù)雜性造成巖爆災(zāi)害具有多因一果的特殊性，也導(dǎo)致學(xué)術(shù)上尚未對(duì)巖爆形成統(tǒng)一的定義［1-3］. 一般認(rèn)為，巖爆是硬脆完整巖體開挖后急速釋放儲(chǔ)存于其中彈性變形能的動(dòng)力破壞現(xiàn)象，是一種典型的脆性失穩(wěn)破壞，并在宏觀上主要表現(xiàn)為從完整的硬脆圍巖表面開始到圍巖內(nèi)部，往往由張性破裂向剪切破裂演化［4-6］.

聲發(fā)射（acoustic emission，簡(jiǎn)稱AE）是指材料局部因能量的快速釋放而發(fā)出瞬態(tài)彈性波的現(xiàn)象，是材料內(nèi)部由于不均勻的應(yīng)力分布所導(dǎo)致的由不穩(wěn)定的高能態(tài)向穩(wěn)定的低能態(tài)過渡時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力松弛過程［7］. 目前已有許多學(xué)者對(duì)單軸巖爆展開了研究，20世紀(jì)30年代，Obert和Duvall發(fā)現(xiàn)巖石材料受到外界載荷作用產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象，此后越來越多的學(xué)者開始將聲發(fā)射技術(shù)運(yùn)用于巖石類材料的破壞過程研究［8］.

宮宇新等［9］在花崗巖單軸壓縮試驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了聲發(fā)射特征量的多維度瞬時(shí)頻率前兆信息優(yōu)化分析方法. 楊艷霜等［10］通過硬脆性大理巖單軸壓縮巖爆試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖爆的發(fā)生具有明顯的滯后性特征，破壞過程產(chǎn)生豎向劈裂裂紋數(shù)量居多. 李俊平等［11］研究了銅綠山礦大理巖、磁鐵礦、含礦矽卡巖、花崗閃長(zhǎng)斑巖四種巖石在單軸壓縮條件下的AE 特征，根據(jù)試件破豐山銅礦壞聲發(fā)射活動(dòng)強(qiáng)弱將巖樣破壞過程劃分為4 個(gè)階段，即初始區(qū)、劇烈區(qū)、下降區(qū)和沉寂區(qū). 趙興東等［12］通過對(duì)砂巖、花崗巖、紅色花崗巖、大理巖、黑色大理巖巖樣單軸壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這五種巖樣的破壞模式相似，均為中間劈裂破壞，其中大理巖發(fā)生了崩碎. 何滿朝等［13］通過花崗巖在不同卸載速率條件下的巖爆試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，卸載巖爆過程中，張拉裂紋數(shù)量遠(yuǎn)多于剪切裂紋數(shù)量. 羅濤等［14］通過室內(nèi)巖石力學(xué)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，單軸受壓的軟弱巖石破壞模式主要表現(xiàn)出X型剪切破壞，堅(jiān)硬巖石則主要表現(xiàn)為拉張破壞. 何滿潮等基于聲發(fā)射參數(shù)RA-AF值和核心密度定義總結(jié)了花崗巖巖爆全過程中巖石裂紋類型. 雖然前人對(duì)于大理巖、花崗巖等單軸巖爆研究取得了許多成果，但巖爆時(shí)序演化過程各階段破壞模式還需深入系統(tǒng)的研究.

本文選取大冶銅綠山銅鐵礦深埋大理巖制成的試件進(jìn)行單軸加載模擬巖爆試驗(yàn)，通過聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析巖爆演化過程聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、絕對(duì)能量隨時(shí)間的變化規(guī)律；利用RA-AF值的時(shí)序演化，分析試件發(fā)生巖爆時(shí)各階段的破壞模式，得到大理巖巖爆演變的特征信號(hào)及其發(fā)生機(jī)理，以提高對(duì)大理巖巖爆發(fā)生機(jī)理的認(rèn)識(shí)并為硬巖災(zāi)害控制提供參考.

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖1 待測(cè)試件Fig.1 Rock samples to be tested

1.1 試驗(yàn)試樣加工

試驗(yàn)用大理巖取自湖北大冶銅綠山銅鐵礦，按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266—2013）將試件制成直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，如圖1所示. 加工精度符合標(biāo)準(zhǔn)，避免因偏壓導(dǎo)致局部應(yīng)力集中影響試驗(yàn)結(jié)果.

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

一般認(rèn)為，深部巖體原來的三向應(yīng)力狀態(tài)會(huì)因被開挖而轉(zhuǎn)變成單向壓縮或雙向壓縮狀態(tài). 單軸壓縮試驗(yàn)是研究巖爆發(fā)生機(jī)制的常用方法，本試驗(yàn)采用MTS 815電液伺服測(cè)試系統(tǒng)（見圖2a）對(duì)巖樣進(jìn)行加載，該系統(tǒng)能夠進(jìn)行力控和位移控制，載荷量程為1000 kN. 試驗(yàn)巖樣的變形量采用引伸計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（見圖2b）.試驗(yàn)過程中，采用美國(guó)物理聲學(xué)公司的PCI-II型聲發(fā)射系統(tǒng)（見圖2c）實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)巖樣產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào). 該系統(tǒng)最高采樣頻率為40 MHz，具有18位數(shù)模轉(zhuǎn)換能力，能夠記錄聲發(fā)射完整波形和振鈴計(jì)數(shù)、能量等多個(gè)特征值. 試件四周沿直徑方向?qū)ΨQ安裝4個(gè)聲發(fā)射傳感器，為避免試驗(yàn)對(duì)傳感器造成損壞，傳感器距離兩端面10 mm，并在傳感器與試件之間均勻涂抹凡士林，保證耦合良好.

試驗(yàn)前，對(duì)聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，門檻值設(shè)為40 dB. 聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與試驗(yàn)加載系統(tǒng)同步開啟.采用一次性加載方式，進(jìn)行位移控制加載，加載速率為0.002 0 mm/s，至巖爆發(fā)生后停止加載. 如此進(jìn)行多組單軸加載模擬巖爆試驗(yàn). 為得到巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比等力學(xué)參數(shù)，對(duì)大理巖試件進(jìn)行單軸抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及單軸壓縮變形試驗(yàn). 各參數(shù)平均值見表1.

圖2 MTS試驗(yàn)加載系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.2 MTS test loading system and monitoring system

表1 大理巖巖樣力學(xué)參數(shù)Tab.1 Mechanical parameters of marble samples

2 力學(xué)性能與聲發(fā)射特征分析

2.1 大理巖力學(xué)性能分析

因試驗(yàn)樣本數(shù)較多，特選取具有典型巖爆現(xiàn)象的編號(hào)G-CP-3與G-CP-4兩試件進(jìn)行分析，試驗(yàn)全應(yīng)力-應(yīng)變結(jié)果如圖3所示，可以看出：

1）大理巖試件表現(xiàn)出的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型的5個(gè)階段：壓密階段、線彈性階段、塑性階段、峰后平穩(wěn)階段及峰后破壞階段. 圖3中，壓密階段和塑性階段持續(xù)時(shí)間過短，曲線特征不明顯，而線彈性階段和峰后平穩(wěn)、破壞階段較顯著，說明所取得的大理巖巖體內(nèi)部孔隙較少，完整性較好，質(zhì)地堅(jiān)硬，具備巖爆發(fā)生條件.

2）大理巖試件加載至80 MPa 左右，開始發(fā)生明顯變形，與文獻(xiàn)［15-17］零圍壓加載大理巖巖樣發(fā)生巖爆的峰值強(qiáng)度近似；從圖3中可看出，存在峰后曲線缺失現(xiàn)象. 所選取試樣可進(jìn)行單軸加載下巖爆模擬試驗(yàn).

3）G-CP-3大理巖巖樣峰后應(yīng)力-應(yīng)變曲線平滑性不佳，但整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，可能因試件發(fā)生破壞后巖屑充填縫隙所致.

2.2 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分析

圖3 大理巖試件應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Stress-strain curves of marble specimen

AE振鈴計(jì)數(shù)是指越過門檻信號(hào)的震蕩次數(shù)，其受門檻設(shè)置值的影響較大，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于聲發(fā)射活動(dòng)性評(píng)價(jià). 圖4、圖5為單軸壓縮大理巖巖樣的時(shí)間-應(yīng)力-AE振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系圖，分析這兩幅圖可得到以下結(jié)論：

1）因門檻值設(shè)置較低，許多微小的破裂信號(hào)以及背景噪音越過門檻觸發(fā)計(jì)數(shù)，導(dǎo)致AE振鈴計(jì)數(shù)相對(duì)較高. 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置較低，使得AE振鈴計(jì)數(shù)難以密集叢生呈現(xiàn)，但仍能反映聲發(fā)射活動(dòng)性變化. 為有效辨別振鈴計(jì)數(shù)的變化過程，對(duì)兩幅圖的AE振鈴計(jì)數(shù)取值范圍進(jìn)行了放大調(diào)整.

2）試件加載初期，巖樣內(nèi)部的裂隙和缺陷逐漸壓縮閉合，在內(nèi)摩擦作用下，產(chǎn)生少量的聲發(fā)射事件，AE振鈴計(jì)數(shù)保持一個(gè)相對(duì)較低值. 隨著加載的進(jìn)一步進(jìn)行，試件發(fā)生塑性變形，巖樣內(nèi)部開始形成微裂紋與微空隙，在微裂紋與微空隙的擴(kuò)展、貫通、合并過程中，釋放大量的振動(dòng)波，振鈴計(jì)數(shù)呈現(xiàn)上升態(tài)勢(shì).

3）試件屈服之前，巖樣內(nèi)部的微裂紋與微空隙貫通、匯合形成宏觀裂紋，AE振鈴計(jì)數(shù)值達(dá)到峰值，聲發(fā)射活動(dòng)最為頻繁，隨后，振鈴計(jì)數(shù)開始下降，聲發(fā)射進(jìn)入一個(gè)相對(duì)“平靜期”. 在100 s到120 s之間，試件軸壓達(dá)到峰值. 屈服點(diǎn)之后，AE振鈴計(jì)數(shù)有回升趨勢(shì)，聲發(fā)射活躍程度有小幅度提升，此時(shí)，巖樣發(fā)生巖爆. 巖樣的主破裂滯后于軸壓峰值.

4）試件在30 s附近AE振鈴計(jì)數(shù)均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，但下降程度不同，說明該階段聲發(fā)射活躍程度有所降低，主要是因?yàn)閹r樣內(nèi)部裂隙和缺陷完全閉合后，試件仍處于彈性變形階段，塑形變形程度相對(duì)較低.

圖4 G-CP-3試件時(shí)間-應(yīng)力-AE振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系圖Fig.4 The diagram of the time-stress-ring counting relations of the G-CP-3 specimen

圖5 G-CP-4試件時(shí)間-應(yīng)力-AE振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系圖Fig.5 The diagram of the time-stress-ring counting relations of the G-CP-4 specimen

2.3 聲發(fā)射絕對(duì)能量分析

絕對(duì)能量（absolute energy）是聲發(fā)射撞擊信號(hào)的真實(shí)反映，單位為attoJoules（簡(jiǎn)寫為aJ，1 aJ＝10-18J），絕對(duì)能量時(shí)間序列分析可反映大理巖巖爆過程中脆性破壞機(jī)制［18］.

圖6、圖7為試驗(yàn)所得的時(shí)間-應(yīng)力-絕對(duì)能量關(guān)系圖. 對(duì)這兩幅圖的絕對(duì)能量時(shí)間序列分析，可以得到以下結(jié)論：

1）整體來看，兩試件聲發(fā)射絕對(duì)能量走勢(shì)與應(yīng)力變化相似，大致可分為5個(gè)階段：穩(wěn)定增長(zhǎng)階段、平靜階段、快速增長(zhǎng)階段、二次增長(zhǎng)階段及最終階段.

2）穩(wěn)定增長(zhǎng)階段持續(xù)時(shí)間20～40 s 范圍內(nèi). 此階段絕對(duì)能量穩(wěn)定增長(zhǎng)，密集程度較低，能量釋放緩慢.這與大理巖試件的力學(xué)性能相關(guān)，該區(qū)域?qū)?yīng)于應(yīng)力應(yīng)變曲線的壓密階段和線彈性階段，巖樣內(nèi)部裂隙與缺陷完成閉合，局部萌生微裂紋與微空隙，聲發(fā)射活動(dòng)穩(wěn)定增強(qiáng)，試件保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài).

3）平靜階段持續(xù)10 s左右. 此階段絕對(duì)能量快速下降，到達(dá)一個(gè)相對(duì)谷值后開始回升. 該階段與AE振鈴計(jì)數(shù)開始進(jìn)入平靜期時(shí)間相吻合，聲發(fā)射活動(dòng)相對(duì)較低，巖樣內(nèi)部彈性變形占據(jù)主導(dǎo)地位，隨后在塑形變形作用下，絕對(duì)能量開始增長(zhǎng).

4）快速增長(zhǎng)階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng). 此階段絕對(duì)能量增長(zhǎng)迅速，密集程度較高，聲發(fā)射活動(dòng)活躍，巖樣內(nèi)部微裂紋和微空隙發(fā)展、貫通、合并，形成宏觀孔洞和裂紋，試件表面出現(xiàn)宏觀破壞. 在軸壓峰值附近，絕對(duì)能量密集出現(xiàn)，并達(dá)到最大值，隨后開始下降.

5）二次增長(zhǎng)階段持續(xù)時(shí)間較短，此階段出現(xiàn)于絕對(duì)能量峰值之后. 該階段試件發(fā)生巖爆，產(chǎn)生主破壞，聲發(fā)射活動(dòng)相對(duì)活躍，巖樣完全失去承載能力，進(jìn)入最終破壞階段.

圖6 G-CP-3試件時(shí)間-應(yīng)力-絕對(duì)能量關(guān)系圖Fig.6 The diagram of the time-stress-absolute energy relations of the G-CP-3 specimen

圖7 G-CP-4試件時(shí)間-應(yīng)力-絕對(duì)能量關(guān)系圖Fig.7 The diagram of the time-stress-absolute energy relations of the G-CP-4 specimen

3 大理巖破壞模式及破裂尺度分析

3.1 大理巖破壞模式分析

聲發(fā)射特征參數(shù)能夠用于分析聲發(fā)射源的材料或結(jié)構(gòu)損傷規(guī)律，反映材料的斷裂破壞模式. 研究顯示，材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的破壞模式可用聲發(fā)射參數(shù)中的RA值和平均頻率AF值來反映［13］. RA值與平均頻率AF值的計(jì)算公式如下：

通常來講，高RA 值，低AF 值的聲發(fā)射特征代表材料內(nèi)部剪切作用下裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，相反，高AF值，低RA值則代表張拉作用下裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，聲發(fā)射波形參數(shù)示意圖及破壞模式分類示意圖如圖8所示. 根據(jù)試件聲發(fā)射波形參數(shù)計(jì)算的RA值及平均頻率AF值，繪制散點(diǎn)分布圖，詳見圖9、圖10所示.

從圖9，圖10中可以看出，離散點(diǎn)在橫軸和縱軸附近都有分布，顯示巖樣破壞過程中存在張拉破壞和剪切破壞. 離散點(diǎn)密集分布在縱軸附近，顯示巖樣破壞過程中以張性破壞為主. 也就是說，試件破壞模式為拉剪復(fù)合型破壞，并以張拉破壞為主.

圖8 聲發(fā)射波形參數(shù)與破壞模式分類示意圖Fig.8 Schematic diagrams of acoustic emission waveform parameters and bad pattern classifications

圖9 G-CP-3 RA-AF 散點(diǎn)分布圖Fig.9 Distribution diagram of G-CP-3 RA versus AF

圖10 G-CP-4 RA-AF 散點(diǎn)分布圖Fig.10 Distribution diagram of G-CP-4 RA versus AF

通過對(duì)試件的絕對(duì)能量時(shí)間序列分析，可將試件壓縮變形破壞演化過程劃分為5個(gè)階段，分析RA值與平均頻率AF的時(shí)序演化，可對(duì)試件壓縮變形破壞各階段的破壞模式進(jìn)行研究，分析圖11、圖12的RA-AF時(shí)序演化散點(diǎn)分布，可得到以下規(guī)律：

1）整體來看，穩(wěn)定增長(zhǎng)階段、平靜階段、快速增長(zhǎng)階段及二次增長(zhǎng)階段的RA-AF值比較集中，平均頻率AF 集中在［20，32］kHz 區(qū)間內(nèi)，RA 值集中在［0，30］ms/V 區(qū)間內(nèi). 雖然最終階段的RA-AF 值較為分散，但平均頻率AF主要集中在10 kHz附近，RA值主要集中在［0，30］ms/V之間.

2）隨著加載的進(jìn)行，試件的RA-AF值散點(diǎn)分布縱向上表現(xiàn)出向橫軸靠近的趨勢(shì)，橫向上表現(xiàn)出遠(yuǎn)離縱軸的趨勢(shì). 這表明通過前期加載，在張拉作用下，導(dǎo)致了巖石內(nèi)部的裂隙、孔洞的形成和發(fā)育. 隨著載荷的增大，巖石內(nèi)部的微裂隙逐漸合并、貫通形成宏觀裂紋，此過程仍以張拉作用為主，剪切作用不明顯. 試件發(fā)生巖爆后，巖樣迅速失穩(wěn)崩裂，宏觀碎塊之間發(fā)生滑移錯(cuò)動(dòng)，剪切現(xiàn)象明顯.

圖11 G-CP-3 RA-AF 時(shí)序演化散點(diǎn)分布圖Fig.11 Time series evolution distribution diagram of G-CP-3 RA versus AF

圖12 G-CP-4 RA-AF 時(shí)序演化散點(diǎn)分布圖Fig.12 Time series evolution distribution diagram of G-CP-4 RA versus AF

3.2 大理巖破裂尺度分析

試件的破壞模式為拉剪復(fù)合型破壞，并以張拉破壞為主. 巖樣內(nèi)部的軟弱面在張拉作用下提前分離，使得裂隙萌生和擴(kuò)展；在剪切作用下，巖樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)面發(fā)生滑移，促使裂隙的發(fā)育、貫通. 聲發(fā)射峰值頻率可反映不同加載階段下巖石內(nèi)部的破裂尺度［19-20］，用? 表示. 圖13、圖14分別為單軸壓縮條件下G-CP-3和G-CP-4大理巖試件應(yīng)力和峰值頻率隨時(shí)間變化關(guān)系圖.

從圖中可看出，巖爆試驗(yàn)全過程，聲發(fā)射峰值頻率整體呈現(xiàn)上下波動(dòng)，圖13、圖14分別在峰值應(yīng)力前76 s和33 s 處及峰值應(yīng)力后149 s 和139 s 處出現(xiàn)明顯的“突增點(diǎn)”，這可能與巖石內(nèi)部產(chǎn)生較大尺度破裂有關(guān).隨著加載的進(jìn)行，當(dāng)接近試件主破裂時(shí)，峰值頻率極小值數(shù)量開始增加，巖石內(nèi)部裂隙的萌生、擴(kuò)展活動(dòng)加劇，巖石破裂尺度越大，峰值頻率極小值數(shù)量表現(xiàn)出增加的態(tài)勢(shì). G-CP-3 和G-CP-4 試件分別在200 s 和137 s后進(jìn)入了峰后破壞階段，應(yīng)力在較短時(shí)間內(nèi)急劇下降，巖樣內(nèi)部大尺度裂隙發(fā)生滑移摩擦，產(chǎn)生大量聲發(fā)射信號(hào)，峰值頻率積聚.

圖13 G-CP-3試件時(shí)間-應(yīng)力-峰值頻率關(guān)系圖Fig.13 The diagram of the time-stress-peak frequency relations of the G-CP-3 specimen

圖14 G-CP-4試件時(shí)間-應(yīng)力-峰值頻率關(guān)系圖Fig.14 The diagram of the time-stress-peak frequency relations of the G-CP-4 specimen

4 結(jié)論

1）大理巖試件變形破壞過程表現(xiàn)出的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線具有典型的5個(gè)階段：壓密階段、線彈性階段、塑性階段、峰后平穩(wěn)階段及峰后破壞階段. 通過分析各階段演化過程規(guī)律得出，所取得的大理巖巖體內(nèi)部孔隙較少，完整性較好，質(zhì)地堅(jiān)硬，具備巖爆發(fā)生條件.

2）通過大理巖試件單軸壓縮試驗(yàn)，得出AE振鈴計(jì)數(shù)的變化規(guī)律：加載初期，AE振鈴計(jì)數(shù)保持一個(gè)相對(duì)低值，隨著加載的進(jìn)行呈上升態(tài)勢(shì)，屈服之前達(dá)到峰值，隨后進(jìn)入一個(gè)相對(duì)“平靜期”. 在此基礎(chǔ)上，提出了將AE振鈴計(jì)數(shù)作為巖爆發(fā)生的判據(jù). 此外，巖樣的主破裂滯后于軸壓峰值.

3）基于聲發(fā)射絕對(duì)能量分析，將試件變形破壞過程分為5個(gè)階段：穩(wěn)定增長(zhǎng)階段、平靜階段、快速增長(zhǎng)階段、二次增長(zhǎng)階段及最終階段，并指出了各個(gè)階段聲發(fā)射絕對(duì)能量的演化特征.

4）基于AF-RA值分析，提出了大理巖巖樣總體破壞模式為拉剪復(fù)合型破壞，并以張拉破壞為主. 結(jié)合所劃分的試件變形破壞5個(gè)階段，得出了各階段的破壞特征及破裂尺度規(guī)律.