花岗岩岩爆试验声发射源时空分布特征研究_高运.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023花岗岩岩爆试验声发射源时空分布特征研究高运1，2，祁浩1，2，李春晓1，2，邢华鑫1，2(1深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京 100083;2 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083)摘要:运用具有定位功能的多通道声发射系统采集花岗岩岩爆试验声发射源数据，基于分形理论定量描述花岗岩试件岩爆试验各阶段声发射源时空分布特征。结果表明:声发射源定位与试验结果较好对应;各阶段声发射源空间分维值在 23，并呈现复杂的非线性变化趋势;在初始加载阶段，内部大量初始裂纹闭合，空间分维值较大;之后试件趋于稳定，声发射源数量少，分维值降低;快速卸载后应力增加，微裂纹稳定扩展，声发射源空间分布离散，分维值上升至峰值;竖向应力逐渐接近峰值，宏观裂纹形成，声发射源集中分布特征越明显，分维快速下降。该研究可加深对岩爆破坏过程的认识，也可为岩爆预测提供指标参考。关键词:花岗岩岩爆试验;声发射源;时空分布特征;分形理论;空间分形维数中图分类号:TU458文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0474-12Study on SpaceTime Distribution Characteristics of the Acoustic EmissionSources in Granite Strain ockburst ExperimentGao Yun1，2，Qi Hao1，2，Li Chunxiao1，2，Xing Huaxin1，2(1 State Key Laboratory for GeoMechanics and Deep Underground Engineering，Beijing 100083，P China;2 School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining Technology(Beijing)，Beijing 100083，P China)Abstract:During the rockburst experiments on three granite specimens，a multi-channel acoustic emission(AE)system withlocationfunctionwasadoptedtoobtainthedataofAEsourcesMoreover，thespace-timedistribution characteristics of AE sources have been analyzed quantitatively based on the fractal theory The resultsshow that the location distribution agrees with the failure results The spatial fractal dimension of AE sources varies from2 to 3 at each experiment stage and presents the complicated nonlinear variation trend At the initial loading stage，theinitial cracks in the specimen are closed，leading to a large spatial fractal dimension Then，the specimen is in a stablestate，and the number of AE sources is small，so the spatial fractal dimension decreases During increasing the verticalstress after unloading suddenly，the micro-cracks develop rapidly，the AE sources are distributed discretely，and thefractal dimension value rises to the peak As the vertical stress approaches the peak value gradually，many macro-cracksare formed The number of AE sources increases and presents concentrated distribution characteristics causing thefractal dimension value to descending rapidly This study would deepen understanding of the rockburst process and canalso be referred to provide some indexes for rockburst predictionKeywords:granite rockburst experiment;AE source;space-time distribution characteristics;fractal theory;spatial fractal dimension收稿日期:2022-09-28(修改稿)作者简介:高运(1997)，男，安徽宿州人，硕士生，主要从事岩土工程材料力学实验研究。E-mail:13552336370 163com通讯作者:祁浩(1990)，男，安徽合肥人，博士生，主要从事岩土工程实验及数值模拟研究。E-mail:m13126534367 163com基金项目:中央高校基本科研业务费专项资金(2022YJSSB05);中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室深地空间科学与工程研究院创新基金(SKLGDUEK202222)0引言岩爆是含能量岩体沿开挖临空面瞬间释放能量的非线性动力学现象，是岩体中的能量在空间上非均匀积蓄，在时间上非稳定转化的过程1。岩爆孕育发生伴随着内部裂纹的发育、扩展和贯穿。在工程现场，通常会运用微震系统来预测和监测岩爆灾害的发生，但由于定位精度、岩体本身复杂结构以及外界环境等原因尚不能精确分析岩体/岩石内部裂纹损伤演化的过程，因此，采用室内岩爆实验模拟现场岩爆灾害，由于岩石材料在发生荷载作用下，内部裂纹的发育、扩展会伴随瞬态弹性能的释放，这些弹性能以波的形式传播，可采用声发射监测设备去采集和处理这些波信号，这些波信号包含了大量关于岩石内部结构变化的信息2-3。运用声发射设备去监测岩石试件内部裂纹萌生、扩展和贯通过程是当前室内岩爆实验研究的重要手段之一，在这方面也有着丰富的成果4-7。为分析岩石内部裂纹的时空分布特征，国内外一些专家借助具有定位功能的多通道声发射系统记录试验过程岩石内部声发射源的空间分布和数量变化。赵兴东等8-9 应用声发射定位技术研究了岩石的失稳过程，并对岩石内部裂纹扩展过程中的三维空间演化进行了分析;付小敏10 对单轴压缩条件下花岗岩声发射特性进行了研究;王崔林等11 对不同加载模式下岩石声发射及其分形特征进行了分析。在室内试验过程中，声发射系统所捕捉到的声发射源往往呈现的是无序的空间分布特征，难以定量描述，需采用一定的数学方法定量化表征其无序分布特征，分形理论就是一种描述对象在空间或时间范 围 内 呈 现 一 定 无 序 分 布 特 征 的 有 效 方法12-13。试验研究发现，岩石材料的声发射序列不仅在时域分布上具有一定的分形特征，在空间分布上也具有分形特征，可以有效地反映裂纹萌生、扩展直至贯穿的变化趋势14。Lei 等15 讨论了 2种不同纹理分布的花岗岩在三轴试验条件下声发射事件空间分布的分维值，得出岩石的纹理可以影响内部微裂隙的扩展和声发射事件的空间分布;秦四清等16 用球覆盖法导出了声发射事件在空间中的分形模型，利用声发射事件振幅 振幅谱关系测定微破裂在空间分布的分维;裴建良等17 通过对瀑布沟水电站地下厂房花岗岩单轴压缩破坏下声发射事件空间分布的分形特征进行研究，指出声发射空间分维体现了岩石受力破坏过程的损伤特征。上述研究多集中于岩石材料单轴或三轴等基本力学实验，而在室内岩爆实验过程中，声发射研究多集中于波形、信号参数和时频特征等方面的分析18-19，对于裂纹时空演化特征的研究较少，对于岩爆孕育发生过程中岩石材料的破裂过程尚不清晰。本文运用具有定位功能的美国 PAC 多通道声发射系统监测花岗岩试件在岩爆实验过程中声发射源的时空分布数据，并编写三维盒维数分析程序计算实验各阶段声发射源空间分布的分形维数，定量描述岩爆实验过程中裂纹的演化过程，探究岩爆发生的破裂机制，从裂纹扩展时空分布演化角度为岩爆灾害的监测预报提供指标参考。1花岗岩室内岩爆试验11试验系统室内岩爆试验是在真三轴岩爆模拟试验系统上开展，该系统主要包括真三轴实验主机和液压控制系统，并配备了数据采集系统(应力采集系统、双目高速摄影系统和声发射监测系统)，如图 1所示。图 1真三轴岩爆过程模拟实验系统Fig1True-triaxial simulation rockburst experiment system12声发射监测系统和定位功能为监测花岗岩试件内部结构的变化特征，采用了美国 PAC 多通道声发射监测系统，该系统内置4个 PCI-2 声发射系统采集卡，每个采集卡有 2 个 16位模拟 A/D 转化参数，以及 8 个数字控制输入和输出的参数化功能配置，可实时进行特征提取、波5742023 年第 2 期高运，等:花岗岩岩爆试验声发射源时空分布特征研究形处理和分析，PAC 声发射系统如图 2 所示。图 2PAC 多通道声发射系统Fig2PAC multi-channel AE system该多通道声发射系统除了具备常规的声发射信号采集分析功能之外，还具有 2D 和 3D 定位功能，采用的定位算法是 Geiger 算法，Geiger 算法是一种基于时差原理的声发射信号定位方法，即:根据同一声发射源发出的声发射信号到达不同位置传感器的时间差 t 以及传感器布置的空间坐标来确定声发射源的空间位置(x，y，z)。通过安装多个声发射传感器和对应通道采集同一声发射源发出的信号，运用噪声阈值法来拾取 P 波，即通过计算背景噪声信号的平均值、方差等数值来确定噪声门槛值，并以声发射信号第一次越过该阈值的时刻向前线性外推来确定 P 波到达时间。建立声发射传感器位置与声发射源位置之间的数学关系并运用 Gauss-Newton 最小拟合函数经过多次迭代得出声发射源空间位置参数。基于 Geiger 定位算法，国内外专家学者开展了相关研究工作，并获得了一定的成果20-21。为获得声发射源三维位置坐标(x，y，z)以及声发射信号传播到不同位置探头处的时间差 t，需采用 3 个或 3 个以上不同位置的声发射探头来求解上述 3 个未知量，为提高定位精度，本试验采用8 个声发射探头开展定位监测，考虑到岩爆试验试件尺寸、加卸载方式以及定位结果的可靠性，对 2方向两侧加载垫块、上部加载垫块和底座进行钻孔，用于安装 8 个声发射探头，将探头与试件直接接触，探头布置示意图和效果如图 3、图 4 所示。布置完成 8 个不同位置的声发射探头后，为了在实验过程中实时监测声发射源变化全过程，需要图 3声发射探头布置示意图Fig3Schematic diagram of AE probes arrangement图 4声发射探头布置效果图Fig4Installation result of AE probes对声发射系统的可视化软件输入 8 个探头位置坐标，坐标原点为左下角最里侧的试件角点，以 2方向为 x 轴方向，1方向为 y 轴方向，3为 z 轴方向，可视化软件界面及探头位置坐标如图 5 所示。图 5声发射探头位置坐标设置Fig5Position coordinate setting of AE probes674地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷此外，为提高声发射波形拾取的精度，需要设置波形采集的定时参数 PDT、HDT 和 HLT。PDT为峰值定义时间，在 PDT 的时间范围内出现最大峰值认为是波峰，功能是为快速准确的识别 AE 波形的主峰值同时避免将高速低幅的前驱波当作主波，PDT 取值为 L/C，其中 L 为传感器间距，C 是最快波速，此试验中 PDT 取值为 50 s;HDT 为撞击定义时间，如果在 HDT 的时间内不再出现超过门槛值的幅值，则认为该撞击结束，当 AE 信号从高门槛变为低门槛时，会触发 HDT，如果在 HDT 时间内，不再出现高于门槛的信号值，则认为一个 AE波形结束，之后开始存储 AE 波形和特征参数，通常取值为 PDT 两倍以上，本试验取值为 100 s;HLT 为撞击闭锁时间，在 HLT 时间内即使出现超过门槛值的值也不认为是一个撞击信号，可以避免将反射波和滞后波当作主波处理，本试验取值为300 s。在确定波形采集的定时参数后，需要设置数据采样参数，在试验过程中尽量保持安静的环境，测量环境噪声值普遍低于 40 dB，因此，采用40 dB6 dB 作为声发射传感器门槛值来初步去噪，之后运用模拟滤波器来根据信号频率特征进一步去除外界干扰信号，模拟滤波器的频率范围需要包含传感器的振谐频率和工作频率，其中所用传感器的振谐频率为 300 kHz，工作频率是在 150 kHz750 kHz，因此，模拟滤波 器 范 围 在 100 kHz 3 MHz，波形数据采样频率为 5MSPS，即:每秒采集5106个数据，采样长度为 4 096，预触发采样值为256。具体参数说明和设置如图 6 所示。13试验方法和结果试验所用花岗岩取自于甘肃北山白皎矿预选区，加工标准单轴试件，进行单轴压缩试验，测得试样弹性模量为 79 GPa，泊松比 02，单轴抗压强度为 130 MPa。将岩样加工打磨成 3 块尺寸为30 mm60 mm150 mm 的长方体试件，进行物理参数测定和波速测量，得到的物理性质见表 1所示。图 6声发射波形参数设置Fig6Parameter setting of AE waveform表 1试件物理性质Table 1Physical properties of test piece编号尺寸/mm3质量/g块体密度/(gcm3)纵波波速/(ms1)初始应力/MPaYB-11500860163009709712613 520YB-21500860183013709312593 492384/328/195YB-31501260083005708122583 4967742023 年第 2 期高运，等:花岗岩岩爆试验声发射源时空分布特征研究为减少端面摩擦影响，将试件 6 个面均匀涂抹适量的凡士林，然后放置到真三轴岩爆实验机上进行实验，采用三向六面加载 单面突然卸载 竖向加载的方式，如图 7 所示。首先考虑实际工程环境和试验系统的稳定性，3 个方向依次分级加载至初始应力水平并保载一段时间，矿区 1 000 m 埋深测定的三向初始应力水平分别为 1=384 MPa，2=328 MPa，3=195 MPa。其次沿最小主应力方向卸载，3由初始应力水平以 01 MPa/s 的卸载速率降为 0，并暴露出临空面，模拟地下工程开挖卸荷过程。最后，竖向应力 1以 02 MPa/s 速率增加，直至岩爆发生，模拟开挖之后竖向应力集中从而诱发岩爆灾害。3 块花岗岩试件的试验加卸载曲线和岩爆瞬间如图 8 所示。图 7花岗岩试件布置图Fig7Layout of the granite specimen图 8应力 时间曲线和岩爆瞬间Fig8Stress-time curves and rockburst moment874地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷2声发射源时空分布21岩爆实验声发射源定位结果运用这套 PAC 声发射监测系统实时采集声发射数据，以 YB-1 花岗岩试件为例提取通道 5 的撞击数据进行分析，选取若干撞击数分析波形特征，可以发现所采集的波形突变波特征，这与研究成果22-23 具有相似性，如图 9 所示。运用具有三维定位功能的多通道 PAC 声发射系统监测花岗岩岩爆试验全过程的声发射源数量变化和空间分布数据。为直观的展现声发射源的时空分布特征，根据应力 时间曲线将试验过程划分为8 个阶段，其中前 3 个阶段为卸载前的分级加载保载阶段，后 5 个阶段是根据竖向应力比 i=(1初)/(max1初)=20%所划分。以 YB-1 试件为例，各阶段对应的声发射源空间分布如图 10所示。由图 10 可看出:随着试验进行，各阶段累计声发射源数量呈上升趋势，与竖向应力 1变化趋势较一致，但在各阶段上升快慢存在差异，在阶段0-T1、T6-T7 和 T7-T8 增长较快，而在其他阶段增长缓慢，这与试验加卸载过程和试件内部结构变化相图 9YB-1 试件通道 5 撞击数-时间散点图Fig9Scatter of the hit counts collecting from fifth channel of YB-1 specimen图 10应力 时间曲线和各阶段声发射源空间分布Fig10Stress-time curves and spatial distribution of AE sources at each stage9742023 年第 2 期高运，等:花岗岩岩爆试验声发射源时空分布特征研究关;观察声发射源空间分布可以看出:声发射源位置由离散分布逐渐趋于局部集中，特别是在试件侧面自顶端至中上部位声发射源出现明显的集中分布，与试件破坏后侧向的裂纹位置具有较好一致性。但只是定性描述，很难对裂纹的发育、扩展和贯穿进行定量分析。因此，需运用分形理论展开研究。22盒维数法和程序编制对于不同阶段的声发射源空间分布进行分形特征分析，基于盒维数法原理24，借助 JavaScript语言编写三维盒维数计算程序，考虑到试验采用的是长方体试件，为实现对声发射源全范围覆盖，采用与试件相同比例、不同大小的长方体进行覆盖，保证结果的可靠性，三维盒维数法示意图如图 11所示。图 11长方体盒子计数法示意图Fig11Schematic diagram of cuboid box-count method三维盒维数法具体的思路是:构建一个长方体盒子来覆盖声发射源，盒子 3 条边的比例与试件比例一致为 125。以盒子最短边边长为基准，记作r，按比例构造长方体盒子，将整个试件进行覆盖，统计内部含有声发射源数据的盒子的数目，记为Cr，当声发射源在空间上的分布具有分形特征时，Cr与 r 之间满足关系式:Cr=rD，两边取对数可以得到式(1)，可计算得出分维值 D。D=log10(Cr)/log10(r)(1)对于 r 的选取，需要确定 r 的最大值 rmax和最小值 rmin。对于 rmax选取，为保证盒子能对试件全覆盖，应取 rmax为试件的最短边长度，即 rmax=30 mm。随着 r 越来越小，长方体盒子尺寸越来越小，含有声发射源的盒子数量不断增加，但当 r 小到一定程度，由于试件内声发射源的数量是有限的，Cr会趋于不变，且接近于声发射源数量最大值，因此 logCr-logr 呈现非线性关系，可以根据非线性变化转折点所对应的 r 作为 rmin。在确定 r 的取值范围之后，通过 Matlab 的最小二乘法拟合 logCr-logr 数据点，可得到 D，如图 12 所示。图 12分维计算示意图Fig12Schematic diagram of fractal dimension calculation23声发射源的空间分维特征为分析 3 个试件不同阶段声发射源的空间分布特征，需计算出实验各阶段内所产生的声发射源在空间分布的分形维数 D。以 YB-1 为例，根据22节的方法进行分析，拟合结果如图 13 所示，表 2 所示为 3 个试件各阶段的空间分维值。图 14 为 3 个试件实验各阶段声发射源空间分维值和时间的关系曲线以及对应的声发射源空间分布。由图 14 可以看出:3 块花岗岩试件岩爆试验各阶段声发射源空间分布的分形维数呈现一定的起伏变化，由于是空间分维，所以 D 值在 2 3 之间，且在 T1-T2、T2-T3 阶段处于下降状态;在 3方向快速卸载之后，T3-T4、T4-T5 阶段呈现快速增长至峰值 Dmax;之后至岩爆发生，D 值呈现快速下降趋势。根据分维值定义可知:D 值越大表示声发射源空间分布越复杂、越离散，反之则表示分布越简单、越集中。为更好体现声发射源的时空分布特征，以YB-1花岗岩试件为例，分析试验不同阶段声发射源在 xy、zy 和 xz 3 个平面上的投影以及试件破坏结果可以看出:在加载初期 0-T1 阶段，由于初始加载导致试件内部的初始微裂纹发生闭合，会产生一定数量的声发射源，声发射源在试件中上部和两侧存在局部的集中分布，与试件破坏结果具有一定对应性，但在其他部位离散分布一定量的声发射源，导致 D 值较大，也表明试件初始微裂纹分布较为离散;之后在三向应力作用下，试件处于稳定状态，裂纹扩展缓慢，声发射源数量少且分布较为集中，导致在阶段 T1-T2 和 T2-T3 对应的 D 值下降;但当084地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷图 13实验不同阶段声发射源空间分维数计算Fig13Spatial fractal dimension calculation of AE source at different stages of experiment1842023 年第 2 期高运，等:花岗岩岩爆试验声发射源时空分布特征研究图 14声发射源平面投影分布与分形维数变化Fig14Plane projection distribution and fractal dimension variation of the AE source表 2各阶段空间分形维数Table 2Spatial fractal dimension of each stage试件0-T1T1-T2T2-T3T3-T4T4-T5T5-T6T6-T7T7-T8Y-12346 22113 42015 12179 22553 72452 52343 82015Y-22380 12112 32065 92282 82552 72430 82317 92102 3Y-32477 22320 72170 22229 92661 32369 62233 52116 5沿 3方向进行单面瞬时卸载后，试件由三向转为双向应力状态，导致原本积聚于体内的能量得以快速释放，造成试件内部裂纹快速发育扩展，声发射源数量骤增且在试件中上部和侧向发生局部集中，但分布范围较广，D 值增加;随着竖向应力水平快速提高，在阶段 T4-T5，试件内部微裂纹稳定扩展，284地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷声发射源存在局部集中，但整体分布较为离散，D值上升。随着应力水平继续快速提升，试件内部微裂纹扩展贯穿逐渐形成宏观裂纹，声发射源集中于宏观裂纹面，这种集中分布特征越来越突出，导致在阶段 T5-T6、T6-T7 和 T7-T8 分维值 D 值呈现快速下降趋势，这种 D 值快速下降的变化趋势与室内单轴压缩试验和工程现场微震信号空间分维值变化趋势存在较好一致性25-27。YB-2 和 YB-3 花岗岩试件在实验各阶段 xy、zy 和 xz 3 个平面声发射源也具有从离散到局部集中的分布特征，这里不再过多描述。由图 15 可知:分维值 D 存在相似的变化趋势，在未卸载状态下，呈现下降趋势，在卸载之后快速加载过程中呈现先上升后下降趋势，这是由于试件内部裂纹由稳定扩展转变为不稳定扩展所致，应加强对 Dmax的观察，可作为岩爆发生的前兆信息之一。此外，YB-1 试件分维值 D 低于 YB-2 和 YB-3试件分维值，表明 YB-1 试件声发射源分布的离散程度低于 YB-2 和 YB-3。图 15试件各阶段分维数变化曲线Fig15Fractal dimension variation at differentstages of the specimens3结论(1)岩爆试验声发射源累计空间分布与试件破坏结果具有较好一致性，且分析各阶段声发射源空间分布和实验破坏结果可知:声发射源位置在 xy 平面内集中分布于试件顶端和中上部，在 xz 平面内呈现水平条带集中，在 yz 平面上则集中分布于顶端、中上部以及竖向，与破坏结果存在较好对应性。表明该多通道声发射系统定位结果是可靠的。(2)针对试验不同阶段的声发射源数据，运用盒维数法计算不同阶段声发射源分布的空间分形维数值 D，各阶段 D 值在 23 之间，且在卸载前呈现下降趋势，卸载后呈现先增加至峰值之后快速下降的变化特征。(3)根据 D 值变化趋势分析试件内部裂纹演化过程可知:在初始阶段，由于试件初始裂纹发生闭合导致 D 值较大;之后试件处于稳定状态，裂纹发育缓慢，D 值下降;当卸载产生临空面，内部离散分布的微裂纹稳定扩展，导致 D 值增加至最大值;竖向应力水平继续提升，内部微裂纹贯通形成宏观裂纹，声发射源空间分布越来越集中，导致 D 值在短时间内快速下降，预示着试件即将失稳破坏，岩爆现象将要发生。参考文献(eferences)1 何满潮，苗金丽，李德建，等 深部花岗岩试样岩爆过程实验研 究J 岩石力学与工程学报，2007，26(5):865-876(He Manchao，Miao Jinli，Li Dejian，et al Experimental study on rockburst process of granitespecimen at great depth J Chinese Journal ofock Mechanics and Engineering，2007，26(5):865-876(in Chinese)2 Lei X L，Satoh T S Indicators of critical point behaviorprior to rock failure inferred from pre-failure damage J Tectonophysics，2007，431:97-111 3 Labuz J F，Biolzi L Experiment with rock:emarks onstrength and stability issues J International Journal ofockMechanicsMiningSciences，2007，44:525-537 4 He M C，Miao J L，Feng J L ock burst process 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