基于声发射波形能量谱的岩石裂隙演化研究
邓绪彪, 王新月, 孙本利, 敬晨辉
邓绪彪，博士，副教授，硕士生导师。中国岩石力学学会岩石动力学专委会委员、工程地质力学分会理事，国际工程地质与环境学会（IAEG）会员，中国地震学会会员。
主要从事岩石破坏机制及其声学前兆特征方面的研究，主持和参与国家自然科学基金项目、国家重点实验室开放基金项目等省部级项目5项，发表论文20余篇，授权专利2项。
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摘要
通过白砂岩预制裂纹样的三维声发射监测试验, 采用声发射波形的空间能量分布确定岩石裂隙扩展方向, 研究了单轴压缩下白砂岩的裂隙演化特征；运用短时傅里叶变换(STFT)获取各通道波形的能量谱, 以能量最小通道到能量最大通道的方向表示微裂隙方向, 以能量大小表征裂隙长度, 得到微裂隙声发射矢量。研究表明: 白砂岩的裂隙扩展以平行于主应力方向和理论共轭剪切面方向为主, 在初始压密段和弹性段, 以某一方向裂隙为主导；从裂隙变形段开始, 3个方向上的裂隙占比开始逐渐趋同, 在峰前软化段趋于30%；声发射矢量沿主破裂面集聚分布, 且在峰前软化段形成贯穿岩样的剪切带, 是较为可靠的岩石破坏临界前兆。
主要内容
1 试验过程
图 1 试样及加载系统
表 1 声发射传感器坐标
2 声发射裂隙方向的确定
运用声发射确定裂隙方向的步骤: ①将声发射事件波形导出, 再通过计算机程序将其按事件组合成文件；②将波形文件按震源定位进行衰减补偿；③采用短时傅里叶变换(STFT)得到每个事件中各通道声发射波形的能量谱, 取波形的最大能量为通道能量；④以最小能量通道和最大能量通道的矢量方向为裂隙方向。
图 2 声发射空间矢量的确定
另一方面, 考虑到波形能量与裂隙表面能的关系, 可以用最大能量近似地表示裂隙大小, 由声发射方向和大小构成了声发射矢量。声发射事件的空间散点分布、矢量分布和破坏照片如图 3所示。
图 3 C-3-1岩样声发射空间分布
3 裂隙演化特征
图 4 岩石各加载阶段节点的确定示意图
图 5 C-3-1岩样声发射演化的空间矢量图
3.1 各加载阶段的裂隙演化规律
3.2 讨论
图 7 试样峰前软化段剪切带空间矢量图
由图 7发现, 在单轴压缩条件下, 理论共轭破裂面附近同方向的剪切微裂隙呈带状分布, 当其聚集成带且贯通岩样时, 岩样就已经进入临界破坏阶段(峰值软化段), 因此可以作为岩石破坏的前兆。
在煤矿深部开采过程中, 冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等动力灾害频发, 造成了巨大的安全威胁和经济损失。尽管采取了各种预防措施, 但仍不能完全杜绝事故的发生。因此, 灾害的动态监测就是一道重要的防护门。根据本次研究成果, 采用声发射或微震进行监测, 一方面可以确定灾害源的演化阶段, 判断防护措施是否有效；另一方面, 在灾害发生前, 可以提供灾害演化的前兆, 辅助预警, 避免损失。
4 结束语
1) 运用短时傅里叶变换分析了声发射定位通道波形能量谱，其最小能量通道位置到最大能量通道位置的向量方向, 可以近似代表微裂隙的演化方向, 能量大小可以近似表示微裂隙扩展长度, 笔者将其定义为声发射矢量。
2) 白砂岩的声发射矢量时空演化特征, 与传统矩张量反演和力学分析确定的各加载阶段裂隙演化特征基本一致。岩样空间内主要发育3个方向的裂隙: 与主应力方向一致的拉张型裂隙, 沿2个理论共轭剪切破裂面分布的剪切型裂隙, 其在岩样加载各阶段均占据主导。在初始裂隙压密段和弹性段, 一般以3个方向之一的裂隙占主导, 而进入到裂隙变形段, 三者所占比例趋于均衡, 在峰前软化段趋于30%。
3) 声发射矢量方向空间分布与理论共轭剪切破裂面一致的事实表明, 在岩石变形破坏过程中, 存在包含拉张裂隙、剪切裂隙在内的多种力学机制微裂隙。
4) 声发射矢量沿主破裂面空间集聚并形成贯穿岩样的剪切带, 是岩石进入峰值软化阶段的重要特征, 可以视其为岩石临界破坏的前兆。
邓绪彪, 王新月, 孙本利, 敬晨辉. 基于声发射波形能量谱的岩石裂隙演化研究[J]. 矿业安全与环保, 2024, 51(1): 127-132, 139.
DENG Xubiao, WANG Xinyue, SUN Benli, JING Chenhui. Investigation on evolution of rock fractures based on acoustic emission bywaveform energy spectrum[J]. Mining Safety & Environmental Protection, 2024, 51(1): 127-132, 139.
