1 前言
巖石受力破壞的過程是其內部微破裂萌生、擴展和斷裂的過程，在這個過程中巖石會產生聲發射現象。這個現象早在 20 世紀 30 年代就由美國礦山局的 Obert 所發現，并把聲發射技術應用到礦山礦柱巖體穩定性和巖爆的監測預報中[1]。自那時以來，聲發射技術在國外巖土工程和礦山巖體穩定性監測方面得到推廣應用[2]。我國金屬礦山自 70 年代開始應用該項技術來監測采場頂板的穩定性，隨著聲發射監測設備的改進和發展，近年來巖石聲發射監測技術在礦山地壓研究中得到了廣泛的應用[3～6]。雖然在巖石聲發射監測技術的設備研制與開發和應用研究方面已取得很大的成就，但巖石聲發射技術是理論研究落后于工程實際的少數學科，特別是對于巖體失穩的聲發射監測預報應用方面，迄今為止仍然是一大難題。這是因為人們尚未掌握巖石破壞的前兆判據，實際應用中監測預報大多是基于經驗判斷，缺乏可靠的判別依據和理論基礎，致使監測預報的成功率不高、效果不理想，這也是制約聲發射監測應用技術的一個關鍵點。因此，開展單軸受壓巖石破壞全過程聲發射特征研究，深刻揭示巖石破裂過程與聲發射參數之間的關系，有助于我們進一步認識巖石的破壞機理，提出合理的巖石破壞的前兆判據。
2 巖石聲發射試驗研究
在受壓巖石破壞全過程聲發射特征研究方面，國內外一些學者進行過廣泛的室內試驗研究，包括巖石受壓、張拉、剪切和斷裂試驗條件下的聲發射特征研究等，且主要是研究巖石峰值強度前的應力、應變與聲發射參數之間的關系[7～9]。對于單軸受壓巖石破壞全過程聲發射特征，特別是聲發射參數與時間變量之間的特征關系則研究得不多，尚未見到相關的報道。眾所周知，在巖石受力變形直至破壞的過程中，巖石塑性變形過程，是非等時變化的。對于巖石聲發射監測技術的應用來說，主要是依據聲發射參數對時間的變化過程來對巖石的穩定性進行評價，時間是監測預報的一個基本變量�；谶@種思考，本文主要對單軸受壓巖石破壞全過程、聲發射參數對時間變化特征進行試驗研究，力圖尋找巖石破壞過程的聲發射參數的時序變化特性，為巖石聲發射監測預報技術的現場應用提供依據、據，提高巖石穩定性聲發射監測預報的準確率。
2.1 試驗設備及裝置
試驗采用加載控制系統和聲發射監測系統 2 套裝置。試驗加載設備是 MTS851 型液壓伺服巖石力學試驗機，該試驗機經改造將原來的模擬控制系統升級為全數字計算機自動控制系統。該系統的配置基于 Windows 平臺的可視化操作軟件，可跟蹤記錄當前荷載、應力、位移、應變值的大小，并同步繪制載荷-位移、應力-應變曲線等。聲發射監測系統可對聲發射事件自動計數、存儲，可與計算機通訊，實現對聲發射的實時監測，并可進行波形和參數的分析。試驗裝置見圖 1。
2.2 試驗內容
對取自三山島金礦的斑狀黑云母化花崗巖、絹云母化花崗巖和輝綠巖、廠壩鉛鋅礦的結晶灰巖、鉛鋅礦石、黑云母片巖等巖石試樣進行單軸受壓巖石破壞全過程試驗，研究巖石受力、變形直至破壞全過程聲發射參數特征和時間過程特征等。通過試驗研究，探索單軸受壓巖石變形直至破壞全過程的時間特性、聲發射參數的時間過程特性以及巖石破壞全過程與聲發射參數之間的特性等。
2.3 試驗測試方法
試驗時，保持加載過程與聲發射監測同步。對加載系統采用軸向應變控制加載，加載速率為 2×10－6 mm/mm·s－1。對聲發射監測系統，設定聲發射監測的采樣間隔為 50 m s，頻率為 102～104 Hz，為盡可能減少噪音的干擾，選擇高的聲信號觸發電平為 3.6 或 4.5 mV，使試驗只測定巖石單軸受壓破壞的聲發射大事件。同時，為消除加載系統的環境噪音，在對試件進行加載前，應率定加載系統的噪音水平。
3 試驗結果與分析
巖石受力變形直致破壞全過程中，以恒定的加載速度，保持加載系統和聲發射監測系統同步進行。MTS系統以4 次/s的間隔速度采集數據自動記錄應力、應變和間，并同步繪制荷載-位移、應力-應變曲線圖；以等應力增量間隔或等時間間隔，讀取聲發射儀記錄的聲發射事件數，并抽樣存儲聲發射事件的波形。
3.1 巖石變形與聲發射特征
在全部試驗巖樣中，大部分巖石受力變形的特點大體上相近，都是經歷初始壓密、彈性、塑性和峰后破壞 4 個階段，只有輝綠巖的初始壓密階段不明顯。本次試驗研究進一步觀察了巖石在峰值點前的受力變形特點，發現有的巖樣在達到其峰值強度的 85%～90%之后，出現一段應力增長減緩、而相對應的應變量明顯增加的塑性變形階段，這個階段在荷載-位移圖上很明顯。特別是這個階段的持續時間較長，但是時間參數在荷載-位移曲線圖上卻被掩蓋了。具有這種特點的巖石，其在這一階段的聲發射就出現明顯的相對平靜現象。圖 2 為試驗測得的具有這種特點的一典型的絹英巖化花崗巖巖樣的荷載-位移曲線，該巖樣的破壞形式為典型的單一剪切面破壞。從圖 2 中可以看出，該巖樣具有明顯的初始壓密階段，隨后進入彈性階段。從圖中可以明顯看出，在接近峰值點之前、荷載 90 kN 之后，應變增加迅速，而應力增加緩慢，荷載-位移曲線明顯趨緩。
在峰值強度之后，載荷-位移出現了 3 次應力突降，從宏觀的肉眼觀察為幾條臨近的宏觀斜裂紋之間的巖橋破壞、裂紋溝通形成的最終破壞面。在臨近應力降之前，都出現了一段較長的時間延遲和聲發射事件的相對平靜，然后是應力的突然降低，聲發射事件數的突然增加。
3.2 應力、應變與聲發射之關系
在所進行的試驗研究中，對巖石聲發射監測研究全部是采用一次性加載方式。通過試驗發現巖石在峰值前的聲發射事件與應力、應變之間的關系具有 2 種典型的類型：第 1 種類型是 AE 曲線與應力-應變相近似，在初始壓密階段幾乎不出現聲發射現象，在進入彈性階段時聲發射事件迅速增加，即出現所謂的 Kaiser 效應的特征點，有趣的是 Kaiser 效應特征點一般出現在壓密階段的后期或是彈性階段的初期；第 2 種類型是 AE 曲線近乎為直線，不出現或不明顯出現 Kaiser 效應特征點。這 2 種典型的試驗結果見圖 3。圖 3(a)，(b)分別為第 1，2 種類型的典型曲線。
巖石峰值強度前，在彈性階段的前期、后期和塑性階段的前期是聲發射事件明顯增加期；在彈性階段的中期，聲發射事件比較穩定，圖 3 所示的試驗結果體現了這些特點。同時，這些特點在圖 2 的荷載-位移關系曲線上也有明顯的特征，從圖中可以明顯看出，在彈性階段的初期和后期，伺服控制采樣數字出現明顯的跳動，繪制出的荷載-位移關系曲線出現明顯的波動現象。
在峰值強度后，大多數巖石的聲發射事件數并不減少，甚至有的巖樣的聲發射事件數大大增加，最大聲發射事件率有很多出現在峰值強度之后。聲發射的特征隨著試樣破壞的類型不同而不同。只有當應力下降到峰值強度的 20%～30%以下之后，聲發射事件數才產生明顯的減少。
3.3 應力、聲發射事件數與時間關系
在常規的巖石力學試驗中，只研究巖石應力、應變之間的關系，一般都忽略時間效應的影響。由于巖石的非均質性和受力變形全過程的非線性特點，在進行巖石聲發射試驗研究中，充分考慮時間效應是非常必要的。
本研究表明，在巖樣壓密階段的低應力水平時，聲發射事件數很少或無聲發射；彈性階段聲發射事件數開始逐步增加，這一階段大多數巖樣聲發射事件數的累計值與應變之間的關系類似于應力-應變關系，也就是說應力-應變關系同聲發射事件數與應變之間有相似的關系這些結論與其他研究人員所得結果基本是一致的。在彈性階段，應力、應變增量呈現等時增長的特點，正是應力、應變與時間之間存在這種線性關系，在常規試驗研究中可以忽略時間效應的影響。圖 4 為一典型的應力、聲發射與時間關系曲線(對應于圖 2 絹英巖化花崗巖)，是以時間為橫坐標(自變量)再現受壓巖石破壞全過程的應力、聲發射事件特征的曲線。
在應力水平超過其峰值強度的 85%～90%之后，大多數巖石的等應力增量間隔時間出現明顯增加，以時間為自變量時的聲發射事件數則明顯減少，即出現峰值前的聲發射事件相對平靜期。表 1 給出了部分巖樣峰值前的試驗測試結果，從表中可以看出，在接近峰值前巖石等應力增量的時間是彈性階段的 1.5～2 倍以上；對于結晶灰巖來說，雖然臨近峰值前的等應力增量時間間隔沒有增加，但聲發射事件從前一個應力增量段的 93 次降為 58 次，出現明顯的應力降低現象。從圖 4 中可以看出，峰值強度前的 AE 曲線趨于平緩，即出現 AE 平靜期，同時，還可以看出峰后聲發射特性。圖 5 為結晶灰巖聲發射參數與時間關系曲線，從圖中可以明顯看出，在以時間為參數的坐標系中，AE 數在臨近峰值點時曲線趨于平緩，AE 事件率顯著下降。
在常規試驗研究中，人們已經認識到在接近峰值強度前的階段應力-應變的非線性性質。但如果把聲發射事件數的累計數值直接疊放在不考慮時間的這種應力-應變曲線圖上，就會得出接近峰值強度前的聲發射事件數迅速增加的結論，本研究認為這是由于沒有考慮時間效應所致。
值得一提的是，在礦山巖體聲發射技術的監測應用中，采場冒頂、片幫和巖爆發生前大多都出現聲發射事件的突然下降或出現相對平靜期的現象[1，10]。本試驗研究也同樣發現這樣的現象，這絕對不是偶合，它說明在室內也可證實巖石破壞過程中存在聲發射平靜期現象，并且它預示著巖石峰值破壞的來臨。
4 結 語
通過聲發射試驗研究表明，巖石聲發射事件率在不同應力水平時變化很大，巖石在彈性階段隨著應力水平的增加而增加，特別在彈塑性高應力階段，巖石聲發射增長迅速。但有些巖樣在試驗接近峰值強度時單位時間內的應力增長速度減小、聲發射事件率出現明顯下降，即出現相對平靜期，峰值強度后的聲發射現象仍然明顯，其聲發射特征隨巖樣破壞形式的不同而不同。需要特別指出的是，一些巖石試樣在破壞前，其聲發射事件率出現明顯下降的現象，這一特點可以用來解釋現場巖體聲發射監測時，在巖爆、冒頂片幫發生前出現聲發射事件相對平靜期現象，它對于工程中的巖體穩定性聲發射監測預報、提高預報的準確性具有重要的指導作用和實際應用價值。
參 考 文 獻
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