岩石三轴压缩声发射测试装置改进及其信号分析

曾开华，王春光，李丙乾，肖广涛

(1. 南昌工程学院 土木与建筑工程学院，江西，南昌330099;2. 山东科技大学，2a. 矿山灾害与预防控制国家重点实验室(培育);2b. 资源与环境工程学院，山东 青岛266590)

0 引 言

岩石变形声发射(Acoustic Emission)是岩石在外荷载作用下，由于内部存在原始缺陷产生应力集中，在裂纹的产生和扩展过程中能量以弹性波的形式释放。由于人们最开始注意到的这种现象是能听到的，因此称为声发射。实际接收到的声发射信号已经达到超声量级，可以测到弹性波在岩体中传播使固体表面变形为10 ～11 μm 量级的微小变化［1］。

岩石的破坏过程是一个微裂纹形成、发展和汇合的过程，该过程伴随着损伤的演化，涉及到从微观到宏观的各种尺度［2］。在远离平衡条件下，微观的原子、分子层次与宏观层次之间没有简单、直接的联系。可以通过介于微观与宏观的中间尺度(细观尺度)对岩石的破坏过程进行分析。从细观尺度上研究岩石的损伤、破坏过程时，必须考虑岩石所具有的非均质性。对声发射进行监测并分析其信号特征，可以了解岩石内部的损伤演化过程［3］。

声发射微震方法最早用于美国铅锌矿［4］。用于岩石力学实验研究始于上世纪60 年代［5］。声发射在岩体工程中的应用主要有室内试验的实时监测和现场的声发射监测两部分。在室内已经进行了大量的不同岩性及力学条件下的声发射特征研究。Philip［6］对三轴压缩下的玄武岩试件由流体流动及裂纹破裂产生的声发射特征进行了研究，表明流体流动产生的是低频声发射波，压缩变形及开裂产生高频波。殷政钢等［7］进行了岩石的声发射对比三轴试验研究，付小敏［8］进行了三轴压缩变形及声发射特性试验研究，江进辉等［9］进行了大理岩在天然、饱水和渗流三种条件下的三轴试验声发射特征的研究，陈景涛等［10］对花岗岩在真三轴加载条件下的声发射特征进行了试验研究。从声发射的实验结果可以看出，不同的岩石在不同的条件下，其声发射特征不同。

在进行压缩声发射试验时，除了要求伺服实验系统具备足够的刚度及相应程度满足岩石力学实验要求外，还要求岩样必须与声发射检波器合理接触，以便在岩石受压其内部裂隙发育和破裂时，发出的声音信息准确、合理地被声发射检波器接收到。现有技术中进行的大量岩石三轴压缩声发射试验，声发射检波器与岩样可以密贴接触，在声发射检波器与岩样之间可以加层黄油等进行耦合，所以声发射信息的合理采集容易实现，但矿山井下大多数岩石处于三轴受力状态，因此开展岩石三轴压缩破裂声发射预测研究更符合实际情况，也更具有指导意义。

由于信号传输问题，目前进行的岩石三轴压缩声发射试验很少，并且一般采用将声发射检波器置于三轴压力室外壁。这种情况下，岩石压缩破裂产生的剪切脉冲波不能穿过液压油而丢失，压缩波也会因传输距离增加而使能量大幅衰减，无法得到真实可靠的实验结果。尤其是在进行岩石三轴压缩声发射实验时，因高压油提供围压，岩样必须用塑料胶带等包裹物将其包紧以免进入高压油，同时防止岩样破裂后岩粉进入高压油，因此在岩石三轴压缩声发射实验时，岩样无法与声发射检波器紧密接触。目前，现有技术在进行岩石三轴压缩声发射实验时无法解决岩样与声发射检波器紧密接触的技术问题，不能获得准确可靠的岩样声发射信息。

1 声发射测试压盘的研制

考虑到岩石力学测试过程中遇到声发射检波器安装诸多不利影响，本文研发一种结构简单，适合岩石三轴压力室的声发射测试压盘(见图1)。基本结构是制作直径小于压力室底座的圆柱状刚性压盘，在中心位置预留出适合声发射检波器直径的孔洞，并沿径向刻出导线沟槽。将聚苯乙烯塑料塞入孔洞内，再将声发射检波器放置在孔洞内。由于乙烯塑料有一定伸缩性，可使声发射检波器接触面紧贴在岩石底部，保证接收准确的岩样声发射信息。提高了岩石三轴压缩声发射实验的准确性与稳定性。不会因为中间介质或传输距离太远，影响到岩样声发射信息的准确性。

图1 三轴压力室声发射测试底盘

为了进一步提高压盘性能，在压盘的边部均匀设置有螺纹固定孔，用于将实验压盘牢固地固定在岩石伺服试验机的底压头上，提高稳定性和准确性。还可以控制实验压盘的尺寸，更进一步提高声发射检波器接收岩样声发射信息的准确性。底盘的高为60 mm，直径50 mm;尤其是孔洞的内轮廓与声发射检波器的外轮廓相适配。而声发射检波器的高为14.8 mm，直径为18.9 mm，则孔洞直径为20 mm，高为15 mm。

2 试验设备及方法

试验岩样取自新汶矿业集团孙村煤矿16 煤顶板石灰岩，从煤矿井下采集岩块，封腊包装后运抵实验室，按岩石力学实验规范将石灰岩岩块加工成直径为50 mm、高100 mm 的圆柱型标准试件。本次石灰岩岩样三轴压缩条件下声发射试验的加载系统采用美国MTS815.03 电液伺服岩石试验系统。加载过程采用位移控制方式，以0.1 mm/s 的速度加载直到试件破坏且处于平稳的残余变形阶段后停机，试验时间120 s。

声发射仪型号为SDAES-6，声发射探头采用单分量检波器，中心谐振频率120 kHz，前置放大器增益为40 dB，主放大器增益为40 dB，调整阀值电压为1.0 V，设置声发射事件间隔为3 ms。探头拾取的声发射信号经前置放大和主放后由声发射仪进一步处理成声发射参数(事件数、事件率、能量累计、能率等)。

3 石灰岩压缩破坏声发射波形分析

声发射波形信号是含有丰富信息的复合信号，受各种因素的制约，包括矿物的成分特征，结构特征及变化的边界条件特征等。

从结果反演一一对应关系在目前的研究阶段还很难做到，但可以定性分析其不同机制的声发射源。根据采集到的荷载数据、观察记录的岩爆破坏特征，再结合声发射数据频谱及时频变换结果，从大量数据的统计观点出发，可以对变形过程声发射的主频特征、幅值变化特征等进行初步的定量描述。本文选取声发射事件数和能量2 个参数来分析石灰岩岩样压缩过程中的声发射特征。声发射事件数为单位时间内所观测到的振铃计数;声发射事件数反映了声发射发生的频度;声发射能量是指观测到的声发射事件的能量，与所观测到的事件所在波形的幅度值的平方成正比，反映了声发射的强弱［11］。

频谱特征是指对声发射波形数据系列进行快速离散傅里叶变换后得到的数据在频域的特征，可以用来分析信号的频谱和系统的频率响应［12］。对有限的时间序列信号采用如下公式进行快速傅里叶变换和逆变换:

式中:N 为数据长度;x(n)为数据系列。

利用时间和频率的联合函数来表示信号，称为时频表示［13］，时频表示分为线性和二次型两种。线性时频表示有短时傅里叶变换和小波变换。二次型的时频表示可以描述信号的能量密度分布，称为信号的时频分布。二次型的时频表示有谱图、Cohen 类时频分布和Affine 类时频分布等。谱图定义为短时傅里叶变换模的平方，变换公式为

是实值、非负的二次型分布，具有时移和频移的不变性。Winger-Ville 变换是Cohen 类时频变换的一种特殊形式，其变换公式为

该变换最大的缺点是存在交叉项，目前主要用平滑伪Winger-Ville 变换抑制交叉项，平滑伪Winger-Ville 变换公式为

当没有窗函数作用时，交叉项非常明显。Affine时频分布有尺度图、乘积核分布、局部化双频核函数分布等。

本文采用最基本的谱图变换，通过时频数据对频率和幅值进行分区统计，得出不同实验阶段、不同岩性的三轴压缩变形实验过程声发射时频分布的频率和幅值的分布变化特征。

在Matlab 时频分析工具箱中，计算谱图的函数为tfrsp. m，本文采用如下的语法格式［tfr，t，f］=tfrsp(x，t，N)输入参数x、t、N，分别为采集的离散信号数据、采样时间和频率点数。输出参数为tfr、t 和f，分别为返回谱图、返回时间坐标和返回频率坐标。

对声发射波形数据可以利用时频分析工具箱绘制波形图、功率谱图、时频分布(等高线)图和三维图(时间—频率—幅值)。声发射采样频率为1 024 kHz。设计nfft=1 024，N=256。根据每个波形文件变换的频率—幅值分布特征，较高幅值在小于200 kHz 范围内相对集中分布于2 个区间。在较高的频率范围内虽然幅值相对较小，但也有相对集中的频率区间，为此将频谱图中频率范围分为4 个区间，分别为30 ～150、150～230、230 ～330 和330 ～400 kHz。

根据划分的频率区间，对每一个波形文件的结果，提取对应4 个频率区间段内的最大幅值所对应的频率信息，获得一个数据点，每个文件获得4 个数据点。如果分析文件为n 个，则有4n 个数据。根据幅值大小的分布特征，为了定量分析实验过程中不同频段幅值变化趋势，确定幅值门槛值，对大于该值的数据进行计数，再除以4n。如果门槛值为0，则每个区间统计值为0.25，4 个区间的总值为1，因此设定合理的门槛值后方能比较出变化趋势。由于不同频率区间的幅值大小不同，因此设定了不同的门槛值，对第1 和第2 频率区间幅值门槛值设为0.15，对于第3 和第4 频率区间的门槛值设为0.03。根据以上的设定值对不同区间的幅值变化概率进行了统计。整个频段区间分别为62～92 kHz，发散;177 ～189 kHz，集中;235 ～300 kHz，主要集中于289 ～300 kHz;330 ～370 kHz，主要集中在363 ～369 kHz。

4 石灰岩压缩破裂声发射实验结果分析

压缩变形采集的声发射数据采用外部信号触发。当有满足设置要求的信号触发软件进行采集时，每幅显示的波形图数据文件为8 192 个数据点。在时频变换时，以8 192 个数据为一个数据文件进行变换。图2是对典型声发射原始波形数据及滤波后的数据进行的时频变换结果。

图2 石灰岩受载变形过程中声发射

石灰岩的受压变形破坏过程与其内部原生裂隙的压密、新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程密切相关［14］，声发射信息蕴含着丰富的岩石损伤渐进破坏的前兆信息［15］，从石灰岩三轴压缩全应力应变过程的声发射试验结果(见图3)可以看出，岩石受压变形破坏演化过程大致可简化为5 个阶段。

(1)OA 段为压密阶段。岩石内部普遍含有微孔隙、裂隙等缺陷，在载荷压缩作用微缺陷被压密闭合过程中，粗糙的壁面会发生变形和微破裂，从而引起声发射的产生，不过该阶段声发射频率较小且能量较低。图2(a)该阶段仅出现少量声发射活动。

(2)AB 段为线弹性变形阶段。该阶段近似为线弹性，应力-应变曲线呈线性连续。该阶段由于应力较低，还不足以使岩石内部产生较大尺度的新生裂隙，所以该阶段只出现了数量较少、强度较低的声发射现象，见图2(b)。

(3)BC 段为加速非弹性变形阶段。经过线弹性变形阶段后，岩样中开始出现了数量较多、尺度较大的新生裂纹。该阶段中岩石内部积累了足够的弹性能，在能量释放过程中，变形开始加速，载荷上升相对较缓慢，岩石中产生的大量微裂纹汇合、贯通，并最终发生破坏失稳。该阶段声发射事件数急剧增加，能率急剧增大，见图2(c)。

(4)CD 段为破裂及其发展阶段。岩石逐渐失去承载能力，应力逐步降低，变形增大，裂隙已加密贯通并逐渐过渡到破碎块体挤压变形阶段，此阶段脆性的石灰岩声发射事件突然“沉寂”，声发射事件数急剧减少，且能量急剧降低。

(5)DE 段为峰后变形阶段。岩石最终达到松动、破碎的残余强度，此阶段声发射事件逐渐消失。

图3 石灰岩三轴压缩过程中声发射振铃数

对声发射活动进行频谱处理后得到石灰岩固有声发射特征频率及其幅值(见图4 和图5)。从图4 中可以明显看出，三轴压缩过程中石灰岩存在4 条频率特征带。第一条频率特征带分布在75 ～90 kHz，第二条分布在175 ～190 kHz，第三条集中在280 ～290 kHz，第四条集中在375 ～390 kHz。对比这4 条频率特征带幅值。从图5 可以得出，高频特征带幅值明显低于低频特征带幅值。其中，＜230 kHz 的中低频段幅值较大，＞230 kHz 的高频段幅值较低。

图4 频率随声发射波形系列变化图

图5 幅值随声发射波形系列变化图

5 结 语

石灰岩三轴压缩全应力应变过程的声发射测试结果表明，改进后声发射测试底盘能较完整记录岩石压缩变形破坏过程中声发射活动。在破坏前声发射活跃是所有岩石在外力作用下的共性。根据声发射频谱结果，＜230 kHz 的中低频段幅值较大;＞230 kHz 的高频段幅值较低。在中低频段有相对集中的主频，约175 ～190 kHz 及75 ～90 kHz。频谱分析表明加载初期的声发射信号低频低幅值成分较多，而在破坏前高频(低幅值)和低频(高幅值)的幅值都有所增加。声发射活动剧烈程度与试件的损伤相对应，而并不是直接与试件的端面应力对应。

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