花岗岩应变岩爆声发射特征及微观断裂机制
苗金丽1,2，何满潮1,2，李德建1,2，曾凡江1,2，张茜1
(1．中国矿业大学力学与建筑工程学院，北京100083，2．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，北京100083)
摘 要：对真三轴应力状态下的突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射原始波形数据进行频谱分析和时频分析。根据三亚花岗岩岩爆试验前后样品SEM微观结构照片，岩爆过程的声发射频谱特性及声发射参数RA值(声发射撞击上升时间／幅度)的不同，分析其破坏过程的微观机制。在试件相对稳定阶段，产生以低幅、低能量释放为特征的波，对应微裂纹的滑移或局部的微裂纹开裂；在岩爆发生时声发射波除低频部分的幅值明显增大之外，高频幅值也有增大趋势，表明有高能量释放，试件内产生宏观破裂；岩爆前RA值增加，岩爆时降低。高RA值是张裂纹形成产生的波，低值是剪切裂纹形成的波。试验结果揭示岩爆过程中同时产生大量的高频低幅特征的波和低频高幅特征的波，分别对应形成穿晶或解理微裂纹，以张裂纹为主及沿晶或穿晶宏观裂纹，以剪切裂纹为主，显示高能量释放及低RA值特征。
关键词：岩石力学；岩爆；声发射；频谱分析：微观机制
中图分类号： TU45 文献标识码：A 文章编号：1000—6915(2009)08—1593—11
ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICS OF GRANITE UNDER
STRAIN ROCKBURST TEST AND ITS MICRO-FRACTURE MECHA NISM
MIAO Jinli1,2, HE Manchao1,2, LI Dejian1,2, ZENG Fanjiang1,2, ZHANG Xi1
(1. School of Mechanics and Civil Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China; 2. StateKey Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)
Abstract: The frequency-spectrum and time-frequency characteristics of acoustic emission original wave data are analyzed, which are obtained through monitoring strain rockburst test under true triaxial stress state with special characteristics of unloading one side of the specimen suddenly. The micromechanism of rock failure process is analyzed based on the microstructure SEM(scanning electronic microscope) images of Sanya granite samples before and post failure, frequency-spectrum and RA(rise time/amplitude) characteristics of AE waveform obtainedduring rockburst. When the rock sample is relatively stable, AE waves with the feature of low-amplitude andlow-energy are formed, and microcracks slip or split in local zone correspondingly. However, the amplitudesof AE waves increase not only in low-frequency range but also in high-frequency during rockburst, which impliesthat high energy is releasing and macrocracks in the rock specimen are generated. The RA values increase beforerockburst and decrease during rockburst. High RA value is wave generated by tensile cracks and low RA value iswave generated by shear cracks propagation. The test results reveal that many relative high-frequency-low-amplitude waves and low-frequency-high-amplitude waves generated during rockburst are related totransgranulation/cleavage tensile microcracks and intergranular shear macrocracks respectively, which shows the characteristics of high energy releasing and low RA value.
1 引 言
应变岩爆是在地下岩体开挖过程中围岩发生破坏的一种形式。由于岩爆时经常伴随着岩石碎屑的弹射，抛出，对施工人员造成伤害，因此备受关注。目前关于应变岩爆的研究进行了大量的室内外研究工作,并积累了丰富的现场资料。
对岩爆机制方面的认识，研究者们持有不同的态度。R.Simon[1]认为岩爆也是一种破坏现象，理解岩爆的机制就是要研究其破坏机制，可以采用典型的岩石力学原理解释岩爆。认为岩爆是岩体不同刚度体因应力的不均匀分布而发生的局部突然破坏现象。对于采用静态岩石破坏准则如Mohr-Coulomb或Hoek-Brown对应变岩爆进行分析时，H.S.Mitri[2]认为到目前为止没有只用来评价由于岩爆引起的岩体破坏准则，并且指出采用静态破坏准则分析矿柱时是稳定的，但实际有可能发生岩爆危险。关于岩爆破坏的细观及微观机制，很多学者进行了大量的研究工作。谭以安[3]对现场的岩爆碎片进行了SEM微观分析，认为岩爆碎片断口有压致张裂和剪切两种形成机制，进而认为岩爆破坏过程经历了劈裂成板、剪断成块和块片弹射的动力学过程。张梅英等[4]进行了大量岩石单轴压缩条件下的实时SEM扫描试验，获得了不同载荷下试件的破坏过程：首先是由于压密产生的裂纹闭合；其次是微裂纹的产生及闭合，呈不均匀分布特征，有的裂纹闭合，有的裂纹开裂；最后是突然的断裂破坏。认为发生岩爆的微观机制是局部的应力集中并瞬间释放，产生多余能量提供给岩石碎块导致岩爆发生，是一种压剪断裂的破坏机制。冯涛等[5]对冬瓜山岩爆碎片进行了SEM试验，并详细分析了形成不同断口的断裂力学机制，认为岩爆断裂的微观机制主要是在拉伸、剪切作用下岩石发生低应力脆断。
采用声发射技术对岩石破坏过程进行的研究，也取得了很多成果。潘长良等[6]对单轴压力下岩爆倾向性岩石进行了声发射特征研究，在荷载增加时，声发射主频有变化，在接近破坏时的声发射信号频率集中；认为声发射频率与岩石组成和结构有关，但基本稳定，同时也与受力状态有一定关系；声发射主频可能反应了裂纹扩展的特征，波形前沿变陡可能是裂纹出现了分叉。逢焕东等[7]对岩石类材料的声发射波谱特征进行了分析，声发射活动弱时频率成分靠近低频，而声发射强时频率域向中部集中。朱波等[8]对声发射与材料的断裂韧性相关性进行了研究，断裂时发生的应力波的能量在稳态与失稳两种情况下与宏观断裂能均有相同的关系，而与断裂机制无关。
