单轴压缩条件下花岗岩次声波特性试验研究_赵奎.pdf

单轴压缩条件下花岗岩次声波特性试验研究 赵奎 1， 2 丁健华 1， 2 曾鹏 1， 2 王万银 1， 2 江树文 1， 21 （1. 江西理工大学资源与环境工程学院， 江西 赣州 341000； 2. 江西省矿业工程重点实验室， 江西 赣州 341000） 摘要为研究花岗岩变形破坏过程中次声波信号特征， 对中细粒二长花岗岩进行了单轴压缩次声波试验， 研究了岩石变形破坏过程中次声波振铃次数、 能率特征， 重点分析了不同应力水平下累计振铃次数变化规律， 同时 对次声波能率分形维数进行了研究。研究结果表明 次声波振铃次数与能率在应力峰值前均有突增现象； 相对应 力水平小于70左右时， 次声波累计振铃次数变化整体趋向平稳， 相对应力水平大于70左右时， 累计振铃次数呈 现明显上升趋势； 次声波能率具有明显的分形特性， 能率分形维数在相对应力水平87～96范围内降至最小值， 这一现象可作为岩石破坏的前兆特征。 关键词花岗岩次声波信号振铃次数能率分形维数 中图分类号TD315文献标志码A文章编号1001-1250 （2019） -08-032-06 DOI10.19614/ki.jsks.201908006 Investigation on Characteristics of Granite Infrasound under Uniaxial Compression Zhao Kui1， 2Ding Jianhua1， 2Zeng Peng1， 2Wang Wanying1， 2Jiang Shuwen1， 22 （1. College of Resources and Environmental Engineering， Jiangxi University of Science and Technology， Ganzhou 341000， China； 2. Key Laboratory of Mining Engineering of Jiangxi Province， Ganzhou 341000， China） AbstractIn order to obtain the characteristics of infrasound signal during the deation process of the granite， the laboratory experiments of medium-fine monzonitic granite under uniaxial compression were carried out to study the characteris- tics of ringing counts and energy rate during the deation process of the rock. The variation characteristics of cumulative ringing counts in different stress levels are analyzed. And the fractal dimension characteristics of infrasound energy rate are studied. The results show that the ringing counts and energy rate of granite infrasound increase suddenly before stress peak ap- pears. The cumulative ringing counts of infrasound tend to be stable at the relative stress level less than 70 of peak stress， and the cumulative ringing counts increased significantly as stress level exceeds 70 of peak stress. The energy rate of infra- sound signal has obvious fractal characteristics. The fractal dimension of energy rate decreases to the minimum when the rela- tive stress level ranges from 87 to 96， as a precursory characteristics of rock fracture. KeywordsGranite， Infrasound signal， Ringing count， Energy rate， Fractal dimension 收稿日期2019-06-15 基金项目国家重点研发计划项目 （编号 2017YFC0804601） ， 国家自然科学基金项目 （编号 51664018） ， 江西理工大学博士启动基金项目 （编号 jxxjbs17063） 。 作者简介赵奎 （1969） ， 男， 教授， 博士。通讯作者曾鹏1987， 男， 讲师， 博士。 总第 518 期 2019 年第 8 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 518 August 2019 花岗岩作为矿山深部开采常见围岩， 在高应力 条件下受到开挖扰动的影响， 极易出现顶板冒落、 巷 道片帮等现象， 故其稳定性直接关系到矿山安全开 采， 因此， 对围岩体进行实时监测就显得极为重要。 声发射监测作为无损检测的一种重要技术手段， 已 广泛运用于矿山开采工程中 ［1-2］。然而由于声发射信 号为相对高频信号， 存在衰减快等缺点， 使得声发射 技术在现场运用中仍存在局限。次声波频率 （0.01～ 20 Hz） 低， 波长通常很长， 具有极强的穿透能力且无 需直接耦合， 早已成为地震、 泥石流等地质灾害监测 的重要方法 ［3-4］。诸多研究表明， 岩石破裂过程也存 在明显的次声波信号 ［5-10］， 因此， 可通过对室内岩石次 声波信号的研究， 为岩体次声波现场监测技术提供 一定的技术依据。 近年来， 众多学者将次声波运用于岩石破裂过 程的研究， 其中朱星 ［5-6］对典型岩石进行单轴加载试 验， 发现岩石破裂前存在明显次声波信号； 徐洪 ［7-9］研 究单轴加载条件下次声波不同频带的能量变化特 32 ChaoXing 性； 贾炳 ［10］发现煤样破坏前同样存在次声异常； 罗 涛 ［11］发现随充填体浓度的增加， 应力峰值处的次声 波能率不断减小。上述研究增进了人们对岩石变形 破裂过程中次声波信号的认识， 为次声波监测岩石 稳定性提供了一定的参考依据， 然而花岗岩作为矿 山深部开采中常见硬脆性围岩， 对其变形破坏过程 中的次声波信号特征研究却鲜有报道。 本项目以中细粒二长花岗岩为研究对象， 对其 进行单轴压缩次声波试验， 利用裂纹体积应变划分 其变形阶段， 研究岩石变形破坏过程中次声波振铃 次数、 能率变化特征， 统计分析不同相对应力水平的 累计振铃次数变化规律， 然后运用分形理论对次声 波能率分形维数进行计算与分析， 研究岩石内部裂 隙活动与次声波参数间的内在联系， 寻求花岗岩试 件临界破坏的前兆特征和判别依据。 1试验介绍 试验试件取自某铜矿深部的中细粒二长花岗岩， 通过切割、 打磨等工序， 将其加工成直径50 mm、 高 100 mm的圆柱形标准试件， 如图1所示。本次试验设 备主要由力学加载系统与次声采集系统组成。次声 采集系统采用中科院声学研究所研发的CASI-ISM- 2009传感器及其配套的采集仪， 如图2所示， 试验设置 采样频率为640 Hz， 进行单通道采集。试验加载系统 选用RMT-150C岩石力学试验机， 如图3所示， 加载控 制方式采用手动位移加载， 加载速率为0.001 mm/s。 由于力学加载系统与次声采集系统相互独立， 因此 试验开始时， 须确保2个系统同步运行。 2力学基本参数特征 花岗岩变形破坏过程可分为压密、 弹性、 裂纹稳 定扩展及裂纹非稳定扩展4个阶段， 相邻2阶段的分 界点应力称为特征强度。采用裂纹体积应变法 ［12］确 定花岗岩试件的特征强度， 如图4所示， 并对岩石变 形破坏过程进行阶段划分， 特征强度具体见表1。 裂纹体积应变法认为岩石体积应变由弹性体积 应变与裂纹体积应变组成， 通过体积应变与弹性应 变可间接获取裂纹体积应变。 根据试验测得的轴向与侧向应变估算体积应 变 εvε轴向2ε侧向. （1） 单轴压缩条件下， 弹性体积应变 εe v 1-2μ E σ1.（2） 体积应变为裂纹体积应变与弹性体积应变之 和， 故通过式 （1） 、 式 （2） 可得 εvεe vε c v. （3） εc vεv-ε e vεv- 1-2μ E σ1.（4） 3次声波信号分析 3. 1本底信号分析 次声波信号频率分布在0.01～20 Hz以内， 需从采 集的信号中提取出该频段信号， 故对采集的次声波信 号进行小波滤波处理。首先将次声波信号进行小波 分解， 然后设置阈值去噪， 剔除高频信号干扰， 最终完 成信号重构。本底信号指所采集到的环境噪声信号， 对其进行滤波处理， 研究环境噪声对试验干扰程度， 然后确定门槛值以剔除环境噪声信号的影响。图5 为环境噪声本底信号， 分析发现本底信号振幅集中 在-0.003～0.003 V之间， 故门槛值选取0.003 V。 3. 2次声波振铃次数特征 朱星 ［5-6］参考了声发射振铃计数定义提出次声波 的振铃次数， 即超过阈值的信号脉冲的数量， 反映了 赵奎等 单轴压缩条件下花岗岩次声波特性试验研究2019年第8期 33 ChaoXing 有效信号的振幅变化与高幅值信号的分布规律。图 6为典型的花岗岩试件在单轴压缩条件下的应力 时间次声波振铃次数关系图。试件H1在第Ⅰ阶段 短暂出现高振铃次数信号， 是由于试件原始裂隙压 密时颗粒间相互挤压与剧烈摩擦所导致， 而后随着 裂纹闭合， 振铃次数变化相对平稳。相对应力水平 达到87左右时， 次声波振铃次数由相对较小值迅速 增大， 并接近最大值。试件H3与H1整体变化趋势相 似， 在第Ⅰ阶段， 由于岩石内部存在局部缺陷， 产生 相对较大次声波振铃次数信号， 在第Ⅳ阶段， 次声波 振铃次数在相对应力水平为95.7左右时突然到达 最大值。 金属矿山2019年第8期总第518期 34 ChaoXing 根据文献 ［13］ ， 将应力峰值前划分成10个不同 相对应力水平阶段， 并对每个应力水平内的次声波 振铃次数进行统计分析， 图7为不同相对应力水平次 声波累计振铃次数。应力加载初期， 花岗岩试件在 不同应力水平分段内的次声波累计振铃次数变化均 趋向平稳， 相对应力水平40～70内的累计振铃次 数整体平稳， 相对应力水平大于70时累计振铃次数 呈现整体上升的变化趋势， 试件H1、 H3、 H4在相对应 力水平90～100内到达最大值， 试件H2在相对应 力水平80～90内达到最大值， 可认为花岗岩试件 在相对应力水平在80～100分段内累计振铃次数 达到最大值。 3. 3次声波能率特征 能量参数是岩石变形破坏的主要表征， 贯穿了 岩石整个变形破坏过程， 直接反映了岩石损伤破坏 情况。根据电子学理论， 将单位时间内振幅平方的 累计和称为次声波能率。花岗岩次声波能率随时间 的变化关系如图8所示， 次声波能率在加载初期存在 不同程度的短暂激增， 最大能率均超过1.510-3V2， 此现象是由于试件内部原生裂隙在闭合过程中颗粒 密集碰撞所导致。进入裂纹扩展阶段， 试件H1在损 伤点附近能率出现短暂激增， 而后下降趋于稳定， 相 对应力水平为91.8时， 能率突增至最大值， 试件H3 次声波能率在损伤强度附近也小幅上涨， 相对应力 水平达到96.3时， 达到最大值。相对应力水平为 90～97时， 此时， 岩石内部裂隙发育已形成宏观裂 纹， 导致次声波能率达到最大值。 3. 4次声波能率的分形特征 谢和平院士首先 ［14］将分形理论引入岩石力学； 吴贤振 ［15］指出声发射能率具有较好的分形特性， 分 形呈现 “波动下降” 变化， 并将分形维数持续下降 作为岩石破裂的判据； 李元辉 ［16］认为分形维数较大 说明小尺度的微破裂随机、 杂乱分布， 下降代表大尺 度的微破裂有序产生。基于G-P理论计算次声波能 率的分形维数， 研究能率分形维数在不同变形阶段 的特征， 为岩石稳定性监测提供判别方法。G-P算法 是由Grassberger和Procaccia提出， 具体计算步骤如 下 （1） 利用时间序列X1， X2， ， XN， 先给定1个较 小的嵌入维数m0， 重构相空间Rm， 于是得到新的序列 {Xn}， 将其中的元素表示为 Xnm,tXn,Xnt,,Xnm-1t，n1,2,,Nm，（5） 式中，tk△t为固定的时间间隔， △t为临近2次采集 的时间间隔， k为常数。 （2） 计算关联维数C （r） 。从Nm个点中任意选取1 个参数点 Xi， 计算剩余的 Nm-1个点到点Xi的距离 rdXi-Xj ∑ i0 m-1 Xit-Xjt2,j1,2,,Nm.（6） 对其他的Xi个点重复上式， 就可得到分形维数 Cr lim N→∞ 1 N2 ∑ i，j1 N θ r-|Xti-Xtj| , （7） 式中，|Xti-Xtj|表示点Xti与点Xtj之间的距离； θ（∗）为Heaviside函数， 是一个累计分布函数， 表示 相空间中吸引子上2点之间距离小于r的概率。 （3） 对于 r 的某个适当取值范围， 吸引子的维 数 d 与累积分布函数 C （r） 应满足对数线性关系， 即 d （m）lnC （r） /lnr， 从而可用最小二乘拟合得到对 应于m0的分形维数估计d （m0） 。 当r值很小时， 则关 联积分函数逼近式如下 lnCmr lnC-Dmlnr. （8） 赵奎等 单轴压缩条件下花岗岩次声波特性试验研究2019年第8期 35 ChaoXing ［1］ ［2］ 由此分形维数可以表达为 Dm-lim r→0 ∂lnCm r ∂lnr .（9） （4） 增加嵌入维数 m1＞m0， 重新计算步骤 （2） 和 （3） ， 直到相应的维数估计值D（m） 不再随着m的增 加而在一定误差范围内不变为止， 此时的D就为其分 形维数。 本文将次声波能率为研究对象， 以30 s能率作为 一个分形维数的计算序列， 然后根据G-P算法获得 lnC （r） 与lnr的关联函数， 通过线性拟合到关联维数， 经过计算分析最终m选定为5。经计算可知， 试件 H1， H2， H3， H4 的相关系数为 0.972， 0.961， 0.992， 0.973， 说明次声波能率具有较好的分形特征。 如图9所示， 花岗岩试件内部裂隙有所不同导 致各变形阶段的持续时间有所不同， 但整体规律相 似。次声波的能率分形维数在第Ⅰ阶段上下波动 变化， 无明显规律。试件H1在第Ⅲ阶段时分形维 数保持持续下降的变化， 并且在相对应力水平 87.1左右时降至最小值； 试件H2的能率分形维数 在第Ⅲ、 Ⅳ阶段均发生突降， 在相对应力水平90.7 左右时降至最小值； 试件H3在第Ⅳ阶段能率分形 维数略有波动， 但整体出现下降的变化趋势， 在相 对应力水平96.4左右时降至最小值； 试件H4在相 对应力水平 92左右时降至最小值。从上述试件 的变化可知， 相对应力水平在87～97范围内次声 波能率分形维数降至最小值， 可作为岩石临界破坏 的前兆特征。 4结论 通过对中细粒二长花岗岩进行单轴压缩次声波 试验， 得到以下结论 岩石次声波振铃次数与能率在 应力峰值前均会出现不同程度的突增现象； 当相对 应力水平小于70左右时， 次声波累计振铃次数变化 整体趋向平稳， 相对应力水平大于70左右时， 累计 振铃次数呈现明显上升趋势， 并在相对应力水平80 ～100范围内达到最大值； 岩石加载初期， 次声波能 率出现短暂快速增长， 在相对应力水平90～97范 围内突增， 并到达最大值； 次声波能率具有明显的分 形特性， 能率分形维数在相对应力水平87～96范 围内降至最小值。上述花岗岩破坏全过程的次声波 信号特征， 可作为岩石破坏的前兆特征， 同时也为工 程岩体的次声波监测技术提供一定的科学依据。 参 考 文 献 欧阳治华， 刘夏临， 王纪鹏， 等.地下金属矿山回采过程中的稳定 性优化分析 ［J］ .金属矿山， 2013 （9） 19-21. Ouyang Zhihua， Liu Xialin， Wang Jipeng， et al. The stability opti- mization analysis of the recovering process underground metal mines in ［J］ . Metal Mine， 2013 （9） 19-21. 王志国， 李柱营， 顾乃满， 等.充填体与围岩组合模型循环加卸载 金属矿山2019年第8期总第518期 36 ChaoXing ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ 破裂声发射特征研究 ［J］ .金属矿山， 2018 （8） 51-57. Wang Zhiguo， Li Zhuying， Gu Naiman， et al. Study on the acoustic emission and fracture characteristics of the backfilling and sur- roundingrock combined model under cyclic loading and unloading ［J］ . Metal Mine， 2018 （8） 51-57. 郑菲， 陈维升， 林春.次声在灾害监测方面的研究现状和进 展 ［J］ .科学技术与工程， 2015， 15 （7） 129-137. Zheng Fei，Chen Weisheng，Lin Chun. Research status and prog- ress of infrasound in disaster monitoring［J］ . Science Technology and Engineering， 2015， 15 （7） 129-137. Chum J， Liu J Y， Podolsk K， et al. Infrasound in the ionosphere from earthquakes and typhoons ［J］ . Journal of Atmospheric and So- lar-Terrestrial Physics， 2018， 17172-82. 朱星， 许强， 汤明高， 等.典型岩石破裂产生次声波试验研究 ［J］ .岩土力学， 2013， 34 （5） 1306-1312. Zhu Xing，Xu Qiang，Tang Minggao，et al. Experimental study on infrasonic wave generated by typical rock fracture［J］ . Rock and Soil Mechanics， 2013， 34 （5） 1306-1312. 朱星. 岩石破裂次声探测技术与信号特征研究 ［D］ .成都成都 理工大学， 2014. Zhu Xing. Study on Characteristics and Detecting Technology of In- frasonic Signal Produced by Rock Fracture［D］ . ChengduChengdu University of Technology， 2014. 徐洪， 周廷强.岩石变形破坏次声异常的能量特征研究 ［J］ .岩 土工程学报， 2016， 38 （6） 1044-1050. Xu Hong， Zhou Tingqiang. Energy characteristics of infrasound ab- normality during rock deation and failure of rock［J］ . Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2016， 38 （6） 1044-1050. 徐洪， 陈正华， 周廷强， 等.基于小波分解的岩石破坏次声信息 特征研究 ［J］ .应用声学， 2016， 35 （3） 231-238. Xu Hong，Chen Zhenghua，Zhou Tingqiang，et al. Characteristics analysis of infrasound before rock failure applying the wavelet de- composition［J］ . Applied Acoustics， 2016， 35 （3） 231-238. 徐洪， 孙从露， 任世聪.不同受力状态下岩石破坏过程次声波 信号特征 ［J］ .地球科学与环境学报， 2018， 40 （6） 813-821. Xu Hong， Sun Conglu， Ren Shicong. Infrasound signal characteris- tics of rock failure process under different stress states［J］ . Journal of Earth Science and Environment， 2018， 40 （6） 813-821. 贾炳， 魏建平.煤岩样单轴加载过程中次声波变化特征实验研 究 ［J］ .地球物理学进展， 2017， 32 （3） 1360-1365. Jia Bing，Wei Jianping. Experimental study of infrasonic signal characteristics of coal and rock samples under uniaxial compression ［J］ . Progress in Geophysics， 2017， 32 （3） 1360-1365. 罗涛. 尾砂胶结充填体单轴压缩损伤及次声特性研究 ［D］ .赣 州 江西理工大学， 2016. Luo Tao. The Study of Damage and Infrasonic Characteristics in Uniaxial Compressive of the Cemented Tailings Backfill［D］ .Gan- zhouJiangxi University of Science and Technology， 2016. Martin C D. The strength of massive Lac du Bonnet granite around underground openings ［D］ . Manitoba，Canada University of Mani- toba， 1993. 曾鹏， 刘阳军， 纪洪广， 等.单轴压缩下粗砂岩临界破坏的多频 段声发射耦合判据和前兆识别特征 ［J］ .岩土工程学报， 2017， 39 （3） 509-517. Zeng Peng，Liu Yangjun，Ji Hongguang， et al. Coupling criteria and precursor identification characteristics of multi- bandacoustic emission of gritstone fracture under uniaxial compression［J］ .Chi- nese Journal of Geotechnical Engineering， 2017， 39 （3） 509-517. 谢和平.分形岩石力学导论 ［M］ .北京科学出版社， 1996136- 137. Xie Heping. An Introduction to Fractal Rock Mechanics ［M］ . Bei- jing Science Press， 1996 136-137. 吴贤振， 刘祥鑫， 梁正召， 等.不同岩石破裂全过程的声发射序列 分形特征试验研究 ［J］ .岩土力学， 2012， 33 （12） 3561-3569. Wu Xianzhen，Liu Xiangxin，Liang Zhengzhao，et al. Experimen- tal study of fractal dimension of AE serials of different rocks under uniaxial compression［J］ . Rock and Soil Mechanics， 2012， 33 （12） 3561-3569. 李元辉， 刘建坡， 赵兴东， 等.岩石破裂过程中的声发射b值及分 形特征研究 ［J］ .岩土力学， 2009， 30 （9） 2559-2563. Li Yuanhui，Liu Jianpo，Zhao Xingdong，et al. Study on b-value and fractal dimension of acoustic emission during rock failure pro- cess［J］ . Rock and Soil Mechanics， 2009， 30 （9） 2559-2563. （责任编辑石海林） 赵奎等 单轴压缩条件下花岗岩次声波特性试验研究2019年第8期 37 ChaoXing