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