基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究.docx
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基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究
SeriesNo.386Augest 2008
金 属 矿 山
METALMINE
总第386期
2008年第8期
3国家863计划专题课题(编号:
2007AA06Z107,教育部新世纪优
秀人才支持计划(编号:
NCET-07-0163,中科院岩土力学重点
实验室开放基金(编号:
Z110607。
张省军(1967—,男,东北大学资源与土木工程学院,博士研究生,
110004沈阳市和平区文化路三巷11号东北大学265信箱。
・地质与测量・
基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究3
张省军1,2 刘建坡1,3 石长岩1 李元辉1 赵兴东1 杨宇江1
(1.东北大学;2.济南钢城矿业有限公司;31中国科学院岩土力学重点实验室
摘 要 在单轴加载条件下,进行岩石破裂失稳全过程声发射实验研究,得到岩石破裂过程中的应力-应变曲线、声发射参数与时间的关系。
选取累计AE数、AE能量释放率、震级-频度关系中的b值随时间的变化规律研究了岩石失稳破坏的前兆信息。
结果表明:
在初始加载阶段,声发射数量很少;在岩石弹性变形阶段后期和塑性变形阶段,累计声发射数快速增加;声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率,而在破坏前释放明显;在岩石失稳破坏前,b值出现快速下降现象,多数岩石试件声发射b值岩石破坏前下降到最低值。
这些前兆特征可以为现场岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。
关键词 岩石力学 声发射 岩石破坏 b值 能量释放率
StudyonPrecursoryCharacteristicsofRockFailureBasedonAcousticEmissionExperiment
ZhangShengjun1,2 LiuJianpo1,3 ShiChangyan1 LiYuanhui1 ZhaoXingdong1 YangYujiang1
(1.NortheasternUniversity;2.JinanGangchengCopperMineCo.;
3.KeylaboratoryofRockandSoilMechanics,ChineseAcademyofScioence.
Abstract Experimentsonacousticemission(AEcharacteristicsofcompleterockfailureprocessarecarriedoutun2deruniaxialloading.Thestress2straincurve,therelationbetweenAEcharacteristicsandtimeareobtained.TherelationofthetimewithcumulativeAEevents,AEenergyreleaserate,andtheb2valueoftherelationbetweenthemagnitudeandfre2quencyareselectedtostudytheprecursorycharacteristicsofrockfailure.Theresultsshowthatduringtheinitialloadingphase,AEeventsareveryfewanditscumulativenumberrapidlyincreasesatthelatephaseoftherockelasticdeformationandattheplasticphase;theAEenergykeepsalowreleaserateforalongtimeduringtherockfracturingprocessbutexhib2itsanevidentreleasejustbeforetherockfailure.Beforetherockinstabilityfailure,b2valuewilldropquickly,withthatofmostrocksamplesreachingthelowestvaluebeforetherockfailure,TheseprecursorycharacteristicsaresignificantforthefieldapplicationofAEmonitoringandforecastingtechnologysoastoimprovetheaccuracyofin2siturockmassmonitoringandforecast.
Keywords Rockmechanics,Acousticemission(AE,Rockfailure,b2value,AEenergyreleaserate
对于脆性岩石材料而言,岩石的破坏过程与其内部微裂纹演化过程是一致的,岩石破裂主要表现为其内部的微裂纹的初始、扩展。
微裂纹的产生与扩展,伴随有弹性波的释放并在岩石内快速释放和传播,即声发射(acousticemission,AE。
国内外研究证明:
每一个声发射信号都包含着岩石内部状态变化的丰富信息,通过对接收到的信号进行处理、分析,可以判断岩石内部裂纹生成、扩展过程,从中捕捉岩石破裂失稳的前兆信息[124]。
因此,开展岩石破坏全过程声发射前兆特征研究,深刻揭示岩石破裂过程与声发射特征参数之间的关系,有助于我们进一步认识岩石的破坏机理,提出合理的岩石破坏的前兆判据。
目前国内外学者对于不同路径加载条件下岩石破裂过程中声发射参数特征进行了大量的实验研究。
如李庶林、付小敏[526]等对单轴压缩条件下的声发射特征进行了研究,张茹[7]等研究了多级加载下的声发射特征,赵兴东、李元辉等[8]基于声发射定位技术对岩石裂纹动态演化过程进行了研究。
本研究通过单轴受压下岩石破裂过程声发射实验,研究了声发射累计次数、声发射能量释放率和b值的变化规律,进而探讨了岩石破裂失稳的前兆信
息,力图为难以确定的临界值问题寻找一种解决办法,从而为岩体声发射监测预报技术的应用提供依据,以提高岩体稳定性监测预报的准确率。
1 岩石声发射实验
1.1 岩样的制备
本实验所采用的试样为粗粒花岗岩、大理岩和砂岩几种常见的脆性岩石,严格按照国际岩石力学试验规范,加工成75mm×75mm×150mm长方体,试件表面抛光,其平行度、平整度和垂直度都符合试验规程。
1.2 实验设备
实验采用的声发射仪器是由加拿大ESG生产的Hyperion超声波系统(HyperionUltrasonicSys2tem,HUS,该设备是多通道超声波采集处理系统,能够连续实时采集声发射信号,并记录事件的波形,然后通过内置A/D转换卡转换成数字信号存进计算机硬盘。
随机携带的后处理程序,可以计算出声发射事件的位置和主要参数(时间、震级、能量、最大振幅等并存入数据库。
整个声发射系统的采样频率为10MHz,其门槛值设定为100mV。
实验加载系统采用NYL-500型压力机,最大加载能力500kN。
在实验过程中,采用动态应变仪对载荷、位移进行连续监测,并能自动绘制出岩石破裂过程的荷载-位移曲线。
实验装置系统见图1。
图1 岩石声发射实验系统
1.3 传感器布置方式
实验采用Nano30型传感器,其频率响应范围为125~750kHz;前置放大器型号为1220A-AST,其增益为40dB;后置放大器的频率为20dB。
传感器四个一组均匀布置在岩石上、下部分的四周(图2。
为保证传感器与试件的耦合效果,在二者接触部位涂凡士林,再用橡胶带把传感器固定在试样侧面。
2 实验结果分析
2.1 累积声发射数和应力应变之间的关系
在全部试验试件中,大部分岩石受力变形的特点大体上相近,都是经历初始压密、弹性、塑性和峰后破坏4个阶段。
由于本研究主要研究岩石破裂失稳的前兆特征,故只对岩石破坏失稳前的声发射参数变化规律进行分析。
图3为花岗岩试件应力、累计声发射数随应变的变化曲线
。
图2 传感器布置
图3 花岗岩试件应力、累计AE数与应变关系曲线
从图3可看出,在低应力水平的加载初期(初始压密阶段和弹性阶段前期,岩石内部微裂纹逐渐闭合,新产生的微裂纹很少,故产生的声发射数也很少;随着应力的增加,从弹性阶段后期开始,累积声发射数开始迅速增加,这是由于在应力水平较高阶段,岩石内部微裂纹开始逐步扩展、贯通。
与之相对应的是声发射事件的空间定位结果(图4,在应力小于峰值50%时,声发射定位试件很少,超过50%后,定位的声发射试件开始大量增加,并出现群集现象,说明微裂纹逐步扩展、贯通导致最后岩石失稳破坏。
在弹性阶段后期和塑性阶段,声发射数快速增加的现象,可以作为岩石失稳破坏的前兆。
2.2 能量释放率变化特征
声发射现象是由于岩石内部微裂纹产生、扩展所引起的应变能以弹性波的形式快速释放的结果,因而传感器所接受到的声发射信号中的能量信息充分反映了岩石内部裂纹扩展情况和岩石损伤程度。
图5为不同花岗岩试件应力、AE能量释放率与时间关系曲线。
总第386期 金 属 矿 山 2008年第8期
图4 不同应力水平花岗岩声发射事件空间分布特征
实验结果表明,在花岗岩试件压密和弹性变形
阶段,由于岩石内部的裂纹尺寸较小,其产生和扩展只能引起较小应变能的释放,而在岩石失稳破坏前,微小裂纹开始贯通,形成较大微裂纹并导致应变能的剧烈释放,其大小是前面最大能量释放率的数倍(图5
。
图5 不同花岗岩试件应力、
AE能量释放率与时间关系曲线
2.3 b值变化特征
1941年Gutenberg与Richter在研究世界地震
活动性时提出了地震震级与频度之间统计关系的著
名G-R关系式:
lgN=a-bM,
(1式中,M为震级;N为震级在ΔM中的声发射次数;
a,b分别为常数。
b值是声发射相对震级分布的函
数,因此,b值也是裂纹扩展尺度的函数。
b值不仅是一个统计学上的分析参数,它还有直接的物理意义[9210]。
本研究采用最小二乘法进行b值计算。
在b值计算过程中,选取ΔM=0.5进行计算。
为避免在某一震级范围内的声发射数过少对b值计算造成过大误差影响,取1000个声发射事件作为一组数据,并以100个事件滑动进行取样计算,得到b值随声发射累计次数的变化规律,进而结合时间与声发射累计次数的对应关系,得到b值随时间的变化规律。
图6为不同岩石试件在单轴受压载荷作用下破裂过程中的b值随时间的变化曲线。
对于试件a(图6a:
在加载初期,花岗岩试件声发射b值呈现较小波动,反映了微破裂状态是缓慢变化的,不同大小的声发射事件比例变化不大,不同尺度的裂纹状态(即微破裂尺度分布比较恒定,代表了一种渐进式稳定扩展的过程。
随着载荷的增加,声发射b值开始增大,说明小尺度微裂纹所占比例开始增加;当应力达到峰值应力的80%时,声发射b值出现较快速的下降,表明岩石内部裂纹呈现出失稳扩展状态。
试件b、试件c的b值变化规律虽然与试件a的b之间变化规律有所不同,出现或增加或减小的波动,但是岩石失稳破坏前声发射b均出现快速下降情况,这是岩石失稳破坏前兆特征的重要表现。
3 结 论
(1在岩石失稳破坏前其声发射参数表现出很
明显的前兆特征。
在岩石受压弹性阶段后期,累积声发射数快速增长,声发射时间开始群集,裂纹逐步扩展、贯通并导致岩石的最终破坏。
(2声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持较低释放率,而在破坏前快速释放现象明显。
(3震级-频度中的b值虽然在不同的岩石受压破坏初期显示出不同的变化特征,出现或增加或
减小的波动,但在岩石失稳破坏前均表现出快速的
下降。
张省军等:
基于声发射实验岩石破坏前兆特征研究 2008年第8期
图6 不同花岗岩试件应力、b
值随时间关系曲线
(4在岩石破坏失稳前,声发射数快速增加、声发射能量大量释放、b值快速下降,均是岩石破坏的前兆特征。
岩石破裂失稳的声发射前兆特征对于矿山岩体稳定性监测及岩爆等地压引起的动力灾害的预测预报有着重要意义。
参 考 文 献
[1] LeiXL,SatohTS.Indicatorsofcriticalpointbehaviorpriorto
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Correlationbetweenacousticemissionandobserved
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[5] 李庶林,尹贤刚.王泳嘉,等.单轴受压岩石破坏全过程声发
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[10] 李全林,于 涛,郝柏林,等.地震频度-震级关系的时空扫
描[M].地震出版社,19791
(收稿日期 2008206214
・信息苑・
中国1至6月铁矿石供应超过需求3300万t以上
兰格钢铁7月23日消息,上半年,国内铁矿石与进口铁矿石合计供应量达43000万t左右,而国内生铁产量需铁矿石为39633万t,中国铁矿石供应超过需求3300万t以上。
上述情况意味着,全球铁矿石供应紧张情况正在缓解。
据介绍,6月在统计范围内的,国产铁矿石原矿产量首次突破8000万t,达到8156万t,已连续3个月创造单月产量历史新高,上半年,中国国产原矿合计超过39255万t。
若算上小矿山后,中国国产原矿换算成成品矿约20000万t。
同时,中国进口铁矿石6月进口量为3779万t,日均进口量是历史最高的125.9万t,上半年,中国进口铁矿石合计23023万t。
从需求面看,上半年中国生铁产量合计24771万t,增长9.5%,需求铁矿石为39633万t。
更值得关注的是,生铁产量继续呈现增速放缓势头,2008年4、5、6三个月生铁产量同比增长分别为9%、8.7%和6.8%。
(中国选矿选煤网 2008207224
总第386期 金 属 矿 山 2008年第8期
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