不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析-sup-①-_sup-_王创业.pdf

不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析 ① 王创业１， 常新科１，２， 杜晓娅１ （１．内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 ０１４０１０； ２．呼伦贝尔学院 内蒙古自治区矿山压力重点实验室，内蒙古 呼伦贝尔 ０２１００８） 摘 要 对直径相同、高径比不同的 ４ 组红砂岩试样进行了单轴压缩声发射试验，获得了各试样的力学基本参数及试验全过程所释 放的全部声发射原始波形信号，在对每个声发射信号逐一去噪的基础上，通过快速傅里叶变换提取其主频，联合时频域共同分析尺 寸效应对岩石力学性质及声发射信号主频特征的影响。 结果表明，随着高径比增大，试样的脆性破坏程度明显，破裂时的延性减 弱；红砂岩声发射信号主频分布范围为 １０～１７５ ｋＨｚ，明显成频段分布；尺寸效应对声发射信号主频的影响主要体现在频段分布的 差异上，３０～６０ ｋＨｚ、１４０～１５５ ｋＨｚ 和 １６０～１７５ ｋＨｚ 为各尺寸试样所共有的频段，其中 ３０～６０ ｋＨｚ 频段占比最大，对应着岩石损伤演 化的最主要破坏模式；岩石变形破坏过程中，主频分布特征朝复杂离散方向持续转化。 关键词 岩石力学； 尺寸效应； 单轴压缩试验； 声发射； 主频 中图分类号 ＴＵ４５８文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０１９．０６．００３ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０１９）０６-００１０-０５ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｄｏｍｉｎａｎｔ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ Ｗｈｏｌｅ Ｆａｉｌｕｒｅ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｉｚｅ ｏｆ Ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ＷＡＮＧ Ｃｈｕａｎｇ-ｙｅ１， ＣＨＡＮＧ Ｘｉｎ-ｋｅ１，２， Ｄｕ Ｘｉａｏ-ｙａ１ （１．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｂａｏｔｏｕ ０１４０１０， Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｍｉｎｅ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｆ Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ， Ｈｕｌｕｎｂｕｉｒ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｈｕｌｕｎｂｕｉｒ ０２１００８， Ｉｎｎｅｒ Ｍｏｎｇｏｌｉａ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｆｏｕｒ ｇｒｏｕｐｓ ｏｆ ｒｅｄ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｄｉａｍｅｔｅｒ ａｎｄ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｈｅｉｇｈｔ ｔｏ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｗｅｒｅ ｔａｋｅｎ ｉｎ ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ， ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｓｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｅａｃｈ ｓａｍｐｌｅ ａｎｄ ｏｒｉｇｉｎａｌ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｓｉｇｎａｌｓ ｏｆ ａｌｌ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｒｅｌｅａｓｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｔｅｓｔ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ａｆｔｅｒ ｅａｃｈ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｗａｓ ｄｅｎｏｉｓｅｄ ｏｎｅ ｂｙ ｏｎｅ， ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ， ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｉｚｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ ｄｏｍｉｎａｎｔ-ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｉｇｎａｌ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｉｍｅ-ａｎｄ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ａｎ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｈｅｉｇｈｔ ｔｏ ｄｉａｍｅｔｅｒ， ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ｂｅｃｏｍｅｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｎ ｂｒｉｔｔｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ， ａｎｄ ｉｔｓ ｄｕｃｔｉｌｉｔｙ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｅａｋｅｎｅｄ． Ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ-ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｒｅｄ ｓａｎｄｓｔｏｎｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｉｓ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ １０～１７５ ｋＨｚ， ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ ｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ． Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｓｉｚｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ-ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｆ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｉｇｎａｌｓ ｃａｎ ｂｅ ｍａｉｎｌｙ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ． ３０～６０ ｋＨｚ， １４０～１５５ ｋＨｚ ａｎｄ １６０～１７５ ｋＨｚ ａｒｅ ｔｈｅ ｃｏｍｍｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄｓ ｓｈａｒｅｄ ｂｙ ｓａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｓｉｚｅｓ， ａｍｏｎｇ ｗｈｉｃｈ ３０～６０ ｋＨｚ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｂａｎｄ ａｃｃｏｕｎｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ， ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ｒｏｃｋ ｄａｍａｇｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ． Ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｒｏｃｋ， ｔｈｅ ｄｏｍｉｎａｎｔ-ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｃｏｎｔｉｎｕｅ ｔｏ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｉｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｒｏｃｋ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ； ｓｉｚｅ ｅｆｆｅｃｔ； ｕｎｉａｘｉａｌ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｔｅｓｔ； ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ； ｄｏｍｉｎａｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ 岩石是一种自然作用下的非均质材料，内部含有 一定量的原生缺陷，这会直接影响岩石的物理力学性 质，使得其在受力损伤破坏时具有了尺寸效应［１-４］。 声发射是岩石内部原生缺陷在外力集中作用下，萌生 出新的微裂隙时伴随应变能快速释放而产生频率不一 的瞬态弹性波现象。 因此，声发射信号是岩石内部损 伤的直接反映，其波形携带有岩石受力状态、结构、物 理力学性质等全部信息，分析声发射信号波形能更全 面地了解岩石损伤破坏机理［５-８］。 但大多数试验研究中所采用的岩石试样尺寸不 ①收稿日期 ２０１９-０６-０９ 基金项目 国家自然科学基金（５１４６４０３６，５１５６４０３８）；内蒙古自治区自然科学基金项目（２０１８ＭＳ０５０３７） 作者简介 王创业（１９７６-），男，山西临猗人，教授，博士，主要从事采矿及岩石力学方面的教学与研究工作。 通讯作者 常新科（１９９４-），男，甘肃嘉峪关人，硕士研究生，主要从事矿山岩石类材料试验及声发射技术等方面研究。 第 ３９ 卷第 ６ 期 ２０１９ 年 １２ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３９ №６ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２０１９ ChaoXing 一，未考虑尺寸效应对岩石试样受载过程中声发射的 影响。 关于尺寸效应对声发射影响的研究主要集中在 数值模拟［９-１０］，缺乏实际理论依据。 本文对直径均为 ５０ ｍｍ，高度分别为 ５０，７５，１００ 和 １２５ ｍｍ 的 ４ 种不同高度的红纱岩试样进行了单轴 压缩声发射试验，获得其力学基本参数及试验全过程 中所释放的全部声发射波形信号，在进行小波阈值去 噪的基础上，采用 ＦＦＴ 获得每个信号的二维频谱图， 并提取其主频、联合时域频域共同分析不同尺寸试样 的声发射信号主频随时间的变化规律，研究在不同应 力条件下，尺寸效应对岩石加载过程中所释放的声发 射信号时频特征演化规律的影响。 １ 单轴压缩声发射实验 １．１ 试样选取与制备 本次试验选用山西某矿红砂岩，现场取 １ ～ ２ ｍ３ 的大块原岩，在实验室内精加工成直径为 ５０ ｍｍ，高度 分别为５０，７５，１００ 和１２５ ｍｍ 的４ 种圆柱形岩芯试样， 按其高度-直径比编组为 Ｈ／ Ｄ ＝ １，Ｈ／ Ｄ ＝ １．５，Ｈ／ Ｄ ＝ ２， Ｈ／ Ｄ＝２．５。 剔除肉眼可观测到表面存在微裂纹的不合 格试样，为减少因个体差异对试验结果的影响，确保每 组试样 ３ 个以上，打磨平整试样的上下承压端。 １．２ 试验设备及方案 加载设备为长春科新制造的 ＳＡＷ-２０００ 微机控 制电液伺服岩石压力试验机。 声发射设备为声华科技 制造的 ＳＡＥＵ２Ｓ 多通道系统，设置采样频率为 １ ＭＨｚ， 采样点数为 ２ ０４８，波形门限 ４０ ｄＢ，前放增益 ４０ ｄＢ。 待参数调整完成后，将谐振频率为 １５０ ｋＨｚ 的高灵敏 谐振式传感器布设在试样侧面。 实验开始前，单轴轴 向压力预先加载 ２ ｋＮ，达到平衡后，采用轴向等位移 控制方式，以 ０．０５ ｍｍ／ ｍｉｎ 的加载速率开始正式实验， 试样在实验过程中的变形变化用 ＴＳＴ３８２７Ｅ 动静态应 变仪测量，各系统同步采集试验数据。 试验示意图如 图 １ 所示。 控制柜 控制计算机 补偿 应变仪 前置放大器 声发射传感器 声发射信号采集仪 声发射-电脑 加载压力机 图 １ 试验示意 ２ 试验结果与分析 ２．１ 岩石力学基本参数 试验结果发现，同组试样的单轴抗压强度离散性 不大，故在同组试样中挑选接近平均单轴抗压强度的 试样，用以分析尺寸效应对其峰值强度的影响。 图 ２ 是各组试样的轴向应力-应变曲线。 分析图 ２ 可知，同 一直径、高径比在 １～２．５ 范围内，随着高径比增大，峰 值强度先增大后减小，随后再次增大；同时，随着高径 比增大，试样的脆性破坏程度越明显，破裂时的延性逐 渐减弱。 轴向应变 80 60 40 20 0 0.0000.0010.0020.003 应力/ MPa H/D1 H/D1.5 H/D2.5 H/D2 图 ２ 不同尺寸试样的轴向应力-应变曲线 ２．２ 声发射原始信号及去噪方法 声发射原始信号分为突发型声发射信号和连续型 声发射信号，岩石类材料受力损伤破坏过程较为复杂， 试验全过程中两类声发射信号往往交替出现。 图 ３ 为 Ｈ／ Ｄ＝１ 试样在试验过程中所释放的两类声发射原始 信号。 采样点数/个 0.015 0.010 0.005 0.000 -0.005 -0.010 a 0400800120016002000 幅值/V 采样点数/个 -0.03 -0.02 -0.01 0.00 -0.01 -0.02 -0.03 -0.04 b 0400800120016002000 幅值/V 图 ３ 声发射原始信号 （ａ） 突发型； （ｂ） 连续型 １１第 ６ 期王创业等 不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析 ChaoXing 因实验环境不可避免地受到加载设备所产生的机 械噪声和声发射前置放大器所产生电磁噪声的干扰， 使得采集到的声发射原始信号中夹杂着一些噪声，如 不进行去噪处理，则会对下一步的频谱分析造成误差， 进而影响对试验结果的分析。 为此，本文在小波分析 理论基础上采用小波阈值去噪方法进行去噪处理，选 择 Ｄａｕｂｅｃｈｉｅｓ 小波作为小波基，ｈｅｕｒｓｕｒｅ 混合阀值规 则，软阀值函数［１１］。 以图 ３（ａ）信号为例，其去噪效果 见图 ４。 对比图 ３（ａ）和图 ４ 可知，小波阈值去噪方法 能够在一定程度上排除原信号夹杂的噪声干扰。 采样点数/个 0.010 0.005 0.000 -0.005 -0.010 0400800120016002000 幅值/V 图 ４ Ｈｅｕｒｓｕｒｅ 阈值规则去噪后的声发射信号 ２．３ 声发射信号主频提取方法 声发射信号频谱分析是将信号从时域转化为频域 并获得其相应的谱特征，建立在 ＦＦＴ 基础上，把时域内 的数字信号通过数学变换转化为对应的频谱，从频谱中 分析信号所含各种特征的一种方法。 ＦＦＴ 的原理为 Ｘ（ｋ） ＝∑ Ｎ-１ ｎ ＝ ０ ｘ（ｎ）ｅ -２ｊπｎｋ Ｎ （１） 式中 Ｘ（ｋ）为信号频谱的第 ｋ 个值；ｘ（ｎ）为时域采样 的第 ｎ 个值。 声发射信号频域的频谱与时域内的采样数目相 同，相互一一对应。 对图 ４ 中去噪后的信号通过 ＦＦＴ 就可获得其二维频谱图，见图 ５。 文献［１２］将声发射信 号二维频谱中最大幅值对应的频率定义为主频，因此该 信号主频就是最大幅值０．５４ ｍＶ 对应的频率３８．５７ ｋＨｚ。 频率/kHz 主频 幅值 0.54 mV 频率 38.57 kHz 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.00 100200300400500 幅值/mV 图 ５ 声发射信号二维频谱图 ２．４ 声发射信号主频时频域特征分析 ２．４．１ 声发射信号主频频段特征分析 采用上述方法对不同尺寸的每组试样在试验全过 程中所释放的每个声发射信号逐一进行去噪处理后， 再逐一通过 ＦＦＴ，并提取其主频，这样就可以获得试验 全过程不同时刻的主频随时间演化信息，将时频域联 合在一起，经分析发现同组试样的实验结果基本相似。 限于篇幅，按已挑选出的试样为典型代表来对结果进 行分析，各试样所释放的声发射信号总数量见表 １。 表 １ 不同尺寸试样所释放的声发射信号总量 高径比声发射信号总量／ 个 １４８ ６２５ １．５９４ １２７ ２１００ ８８３ ２．５５０ ６１５ 不同尺寸试样的试验全过程声发射信号主频、应 力随时间变化关系见图 ６。 结合图 ２ 中各组试样的轴 向应力-应变曲线，将岩石受力变形破坏全过程分为压 密至弹性变形阶段，微裂隙稳定发展阶段和裂隙扩展 至破坏阶段，分别对应图 ６ 中的阶段Ⅰ、阶段Ⅱ和阶段 Ⅲ。 分析图 ６ 可知，各组试样的声发射信号主频分布 相对离散、跨度大，分布范围主要在 １０～１７５ ｋＨｚ 内， 具有明显成频段分布的特征，按聚集程度和连续程度 可划分为 １０～ ２５ ｋＨｚ，３５ ～ ６０ ｋＨｚ，７０ ～ ８０ ｋＨｚ，１２５ ～ １３０ ｋＨｚ，１４０～１５５ ｋＨｚ 和 １６０～１７５ ｋＨｚ 频段，但不同 尺寸试样声发射信号主频段又存在明显的差异性，其 频段分布特征见表 ２。 分析图 ６ 和表 ２ 可知，声发射信号主频分布较为 离散，但在离散的同时又相对集聚，能够形成集聚连续 分布的具有一定特征的频段。 文献［５］指出，频率成 分的复杂性预示着多种破裂模式的产生。 这表明由于 岩石的各向异性和尺寸效应使得岩石在受力破坏时， 其损伤演化规律较为复杂，破坏模式具有多样性。 其 中 Ｈ／ Ｄ＝１．５ 试样声发射信号主频成分最为复杂，形成 的频段最多，高径比小的试样（Ｈ／ Ｄ＝１ 和 １．５）还存在 ７０～８０ ｋＨｚ 这一独有频段，高径比大的试样（Ｈ／ Ｄ ＝ ２ 和 ２．５）则不存在独有频段，同时可以看出高径比最小 的试样（Ｈ／ Ｄ＝１）和高径比最大的试样（Ｈ／ Ｄ＝２．５）其 １０～２５ ｋＨｚ 频段内虽有主频分布，但分布的离散度较 大、随时间变化连续性低。 而 ３０ ～ ６０ ｋＨｚ，１４０ ～ １５５ ｋＨｚ 和 １６０～１７５ ｋＨｚ 这 ３ 个主频段在不同尺寸的各试 样中均有体现，因此，统计不同尺寸试样所共有的这 ３ 个频段内的声发射信号主频数量所占百分比，结果见 图 ７。 ２１矿 冶 工 程第 ３９ 卷 ChaoXing 时间/s 225 180 135 90 45 0 65 52 39 26 13 0 02755508251100 主频值/kHz 应力/MPa 阶段Ⅰ 阶段Ⅱ阶段Ⅲ ●主频 应力 时间/s 225 180 135 90 45 0 35 28 21 14 7 0 060012001800 主频值/kHz 应力/MPa 阶段Ⅰ阶段Ⅱ阶段Ⅲ ●主频 应力 时间/s 225 180 135 90 45 0 70 56 42 28 14 0 040080012001600 主频值/kHz 应力/MPa 阶段Ⅰ 阶段Ⅱ阶段Ⅲ ●主频 应力 时间/s 225 180 135 90 45 0 90 60 30 0 0500100015002000 主频值/kHz 应力/MPa 阶段Ⅰ阶段Ⅱ阶段Ⅲ ●主频 应力 dc ba 图 ６ 各组试样试验全过程的声发射信号主频、应力随时间变化关系 （ａ） Ｈ／ Ｄ＝１； （ｂ） Ｈ／ Ｄ＝１．５； （ｃ） Ｈ／ Ｄ＝２； （ｄ） Ｈ／ Ｄ＝２．５ 表 ２ 不同尺寸试样声发射信号频段分布特征 高径比 声发射信号主频段／ ｋＨｚ ［１０，２５］ ［３５，６０］ ［７０，８０］ ［１２５，１３０］ ［１４０，１５５］ ［１６０，１７５］ １⊗√√⊗√√ １．５√√√√√√ ２√√⊗√√√ ２．５⊗√⊗√√√ 注 √表示此频段分布明显；⊗表示此频段分布不明显。 100 80 60 40 20 0 频段所占百分比/ H/D1 H/D1.5 H/D2 H/D2.5 160～175 kHz 140～155 kHz 30～ 60 kHz 图 ７ 各试样共有频段占比关系 由图 ７ 可知，不同尺寸试样的 ３ 个共有频段占比 中，其 ３０ ～ ６０ ｋＨｚ 频段占比皆最大，平均占比约为 ８２％，占据岩石损伤破坏过程中所释放的全部声发射 信号主频数量的一多半以上，表明在其损伤演化过程 中，有大量的声发射信号主频集聚于此频段，可以认为 该频段对应着岩石损伤演化过程中的最主要破坏模 式。 同时可以看出，随着高径比增大，该频段占比有减 小的趋势。 而 １４０～１５５ ｋＨｚ 频段与 １６０～１７５ ｋＨｚ 频 段的占比总和则随着高径比增大而增大。 ２．４．２ 岩石变形破坏各阶段声发射信号主频演化分析 文献［１３］指出，声发射信号高频值对应小尺度裂 纹的萌生，低频值对应大裂隙的形成。 因此，可将单轴 压缩条件下，红砂岩声发射信号 １０～２５ ｋＨｚ 频段视为 低频频段，将 １２５～１３０ ｋＨｚ，１４０～１５５ ｋＨｚ 和 １６０～１７５ ｋＨｚ 频段视为高频频段。 分析图 ６ 可知，低频频段与 高频频段在某些时刻具有共存的特征，说明微裂纹萌 生闭合贯通形成大裂隙具有同步性。 在加载初期，各试样均在压密至弹性变形阶段，新 萌生的微裂隙较少，因此对应的高频频段内的主频数 量较少，此时产生的变形主要是试样内部原生孔隙及 微裂隙的压密闭合，在压密闭合过程中，局部范围内形 成了一些略大裂隙的贯通，使得产生了一定量的低频 值。 但在此阶段内，随着高径比增大，低频频段内的主 频离散性增大。 随着实验的进行，各试样应力逐渐增大，进入微裂 隙稳定发展阶段，试样内原生孔隙及微裂隙的压密闭 合过程结束，所以低频频段内的主频数量有所减少，在 图 ６（ｄ）中尤为明显。 而高频频段内的主频数量较前 一阶段大量增加，表明在荷载的作用下试样内部的微 裂隙正在稳定发展，值得一提的是，高径比 １．５，２ 和 ２．５ ３１第 ６ 期王创业等 不同尺寸砂岩破坏全过程声发射主频分析 ChaoXing 的试样在进入此阶段后其 １２５～１３０ ｋＨｚ 频段才开始 逐渐集聚形成，且高径比越大的试样，此频段集聚形成 时间越滞后（如图 ６（ｂ） ～（ｄ）所示）。 同时可以看出， 在进入此阶段后，主频分布特征开始朝复杂离散方向 转化，之前不存在主频分布的频率范围（高径比 １ 和 １．５ 的试样为 ８０～１４０ ｋＨｚ；高径比 ２ 和 ２．５ 的试样为 ６０～１４０ ｋＨｚ）内开始涌现出大量的主频，分布特征在 离散的同时又相对集聚，这与文献［５］提出的观点相 一致。 高径比越大的试样，其频率成分越复杂。 随着荷载继续增加，各试样进入裂隙扩展至破坏 阶段，此阶段内主频继续朝复杂离散方向转化，同时高 频频段内的主频数量继续增多，低频频段内的主频数 量达到以往最大值，在图 ６（ｃ）中最为明显，这说明试 样内所萌生出的微裂纹已经闭合贯通形成了较多数量 的大裂隙，且声发射信号主频在各频段内的分布范围 逐渐变宽，接近各自频段的上下界边缘，有溢出频段的 趋势，特别是岩石损伤演化过程中主要破坏模式所对 应的 ３０～６０ ｋＨｚ 频段最为显著，预示着岩石试样即将 发生破坏。 ３ 结 论 １） 单轴压缩条件下，同一直径、高径比在 １～２．５ 范围内，随着高径比增大，试样的峰值强度先增大后减 小，随后再次增大；高径比越大的试样，其脆性破坏程 度越明显，破裂时的延性越弱。 ２） 单轴压缩条件下，不同尺寸红砂岩试样声发射 信号主频主要分布在 １０～１７５ ｋＨｚ 频率范围内，分布 特征离散的同时又相对集聚，明显成频段分布。 尺寸 效应对声发射信号主频的影响主要体现在其频段的分 布特征上，各尺寸试样所共有的频段为 ３０ ～ ６０ ｋＨｚ， １４０～１５５ ｋＨｚ 和 １６０～１７５ ｋＨｚ，其中 ３０～６０ ｋＨｚ 频段 内的声发射信号主频数量最多，频段占比最大，对应着 岩石损伤演化过程中最主要的破坏模式。 ３） 红砂岩在单轴压缩条件下的声发射信号主频 在压密至变形阶段成分相对简单，主要集聚在各频段 内，数量较少；在微裂隙稳定发展阶段开始向复杂离散 方向转化，在裂隙扩展至破坏阶段，更加复杂离散化。 高径比越大的试样，其高频频段内新增的 １２５～１３０ ｋＨｚ 频段出现时间越滞后。 参考文献 ［１］ 刘宝琛，张家生，杜奇中，等． 岩石抗压强度的尺寸效应［Ｊ］． 岩石 力学与工程学报， １９９８（６）６１１-６１４． ［２］ 朱珍德，邢福东，王 军，等． 基于灰色理论的脆性岩石抗压强度 尺寸效应试验研究［Ｊ］． 岩土力学， ２００４（８）１２３４-１２３８． ［３］ 孙 超，刘 芳，蒋明镜，等． 岩石抗压强度的尺寸效应及端部约 束的离散元数值模拟［Ｊ］． 岩石力学与工程学报， ２０１４，３３（Ｓ２） ３４２１-３４２８． ［４］ 王连山，孙东生，郑秀华，等． 三种典型岩石单轴抗压强度的尺寸 效应试验研究［Ｊ］． 地质力学学报， ２０１７，２３（２）３２７-３３２． ［５］ 何满潮，赵 菲，张 昱，等． 瞬时应变型岩爆模拟试验中花岗岩 主频特征演化规律分析［Ｊ］． 岩土力学， ２０１５，３６（１）１-８． ［６］ 张艳博，黄晓红，李莎莎，等． 含水砂岩在破坏过程中的频谱特性 分析［Ｊ］． 岩土力学， ２０１３，３４（６）１５７４-１５７８． ［７］ 赵 奎，王更峰，王晓军，等． 岩石声发射 Ｋａｉｓｅｒ 点信号频带能量 分布和分形特征研究［Ｊ］． 岩土力学， ２００８（１１）３０８２-３０８８． ［８］ 李 楠，王恩元，赵恩来，等． 岩石循环加载和分级加载损伤破坏 声发射实验研究［Ｊ］． 煤炭学报， ２０１０，３５（７）１０９９-１１０３． ［９］ 赵 康，王金安，赵 奎，等． 岩石尺寸效应对其声发射影响的数 值模拟研究［Ｊ］． 中国钨业， ２００９，２４（３）１４-１８． ［１０］ 赵 康，王金安． 基于尺寸效应的岩石声发射时空特性数值模拟［Ｊ］． 金属矿山， ２０１１（６）４６-５１． ［１１］ 黄晓红，席 婷，张艳博，等． 石灰岩声发射分析及源定位研究［Ｊ］． 矿业研究与开发， ２０１４，３４（３）７０-７３． ［１２］ 贾雪娜． 应变岩爆实验的声发射本征频谱特征［Ｄ］． 北京中国 矿业大学（北京）力学与建筑工程学院， ２０１３． ［１３］ Ｃａｉ Ｍ， Ｋａｉｓｅｒ Ｐ Ｋ， Ｍｏｒｉｏｋａ Ｈ， ｅｔ ａｌ． ＦＬＡＣ／ ＰＦＣ ｃｏｕｐｌｅｄ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＥ ｉｎ ｌａｒｇｅ-ｓｃａｌｅ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎｓ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａ- ｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｏｃｋ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｍｉｎｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， ２００７，４４ （４）５５０-５６４． 引用本文 王创业，常新科，杜晓娅． 不同尺寸砂岩破坏全过程声发射 主频分析［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１９，３９（６）１０-１４． 中国知网版权声明 本刊已许可中国学术期刊（光盘版）电子杂志社在中国知网及其系列数据库产品中以数字化方式复制、汇 编、发行、信息网络传播本刊全文。 该社著作权使用费与本刊稿酬一并支付。 作者向本刊提交文章发表的行为即 视为同意本刊上述声明。 矿冶工程杂志编辑部 ２０１９ 年 １２ 月 ４１矿 冶 工 程第 ３９ 卷 ChaoXing