李 铁1,2，李柯萱1,2，皮希宇1,2,3，方 闯1,2
(1.北京科技大学 金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083; 2.北京科技大学 土木与资源工程学院，北京 100083; 3.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013)
摘 要:为探索开采速度对采空区顶板破断特征影响的力学机制，设定不同加载速率，开展砂岩3点弯曲和声发射试验，研究砂岩弯曲折断过程的力学行为及其受加载速度影响的时间效应和折断前兆特征。结果表明，加载速率越快，砂岩显著初始损伤声发射发生的应力条件越高，积累的应变能越高;岩石折断前，前兆声发射时间长度与加载速率呈指数负相关，加载速度越快，前兆声发射时间越短，可预测性越差;加载速率与砂岩折断声发射峰值能量及破坏载荷呈指数正相关，与砂岩折断声发射峰值计数呈指数负相关，加载速度越快，岩石折断所需的破坏荷载越大，峰值声发射计数越少，一次性释放的能量越高。上述岩石弯曲声发射特征值是加载速率的函数，存在时间效应。从机理上解释了煤矿开采速度越高，顶板岩体动力灾害危险性相对越高，可预测性越差的原因。
关键词:3点弯曲;声发射;破坏荷载;时间效应
中图分类号:TD315
文献标志码:A
文章编号:0253-9993(2018)11-3115-07
LI Tie1,2,LI Kexuan1,2,PI Xiyu1,2,3，FANG Chuang1,2
(1.State Key Laboratory of High-efficiency Mining and Safety of Metal Mines,Ministry of Education，University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2.School of Civil and Resource Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China; 3.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining & Clean Utilization(China Coal Research Institute),Beijing 100013,China)
Abstract:In order to explore the mechanical mechanism influence of mining rate on the characteristics of roof breaking in goaf,with different loading rates,a three point bending test of sandstone and acoustic emission testing was carried out to study the mechanical behaviour of bending fracture process of sandstone and the time effect by the loading rate and fracture precursor characteristics.The results show that the faster the loading rate is,the higher the stress condition of the significant initial damage acoustic emission is,and the higher the strain energy is.Before the rock breaks,the precursory AE time length is negatively correlated with the loading rate.The precursory AE time is shortened as loading rate increases,and its predictability is the worst.The loading rate is positively correlated with the peak AE energy and the failure load,which is negatively correlated with the peak value of AE counts.The faster loading rate is,the larger failure load energy is,the fewer the peak AE counts,and the higher the energy is released at one time.The above acoustic emission feature parameters of the rock are the function of loading rate,and time-dependent.This paper explains the reason why the higher the mining speed is,the higher the hazard of roof dynamic disaster is and the worse the predictability is from its mechanism aspect.
Key words:three point bending;acoustic emission;bending strength;time dependent behavior
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李铁，李柯萱，皮希宇，等.弯载下砂岩声发射特征值时间效应[J].煤炭学报,2018,43(11):3115-3121.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0055
LI Tie，LI Kexuan，PI Xiyu，et al.Time-dependent behavior of acoustic emission feature parameters of sandstone under bending load[J].Journal of China Coal Society,2018,43(11):3115-3121.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.0055
收稿日期:2018-01-10
修回日期:2018-10-09
责任编辑:韩晋平
基金项目:国家自然科学基金资助项目(51674016，51274025，51534002)
作者简介:李 铁(1961—)，男，天津人，教授，博士生导师。E-mail:litie@ustb.edu.cn
通讯作者:李柯萱(1987—)，女，浙江舟山人，博士研究生。E-mail:likexuan_456@163.com
采空区顶板弯曲下沉折断过程是产生矿山压力和动力灾害的重要原因。对岩体宏观破裂前微破裂演化规律的认识，是揭示顶板损伤特征、预测预警宏观破裂和顶板控制的重要基础。
材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波的现象称为声发射。岩石破裂失稳往往从岩石内部微裂纹的萌生、扩展开始。岩石在应力作用下发生塑性变形或岩体内的裂隙、节理等原生缺陷周围形成应力集中区并发展促使岩石内裂纹的产生与扩展时，释放出能量产生弹性应力波，从而产生声发射现象[1-2]。加载后最初的显著声发射可以视为岩石受力超过历史最大载荷后的初始损伤。对声发射现象进行研究，是认识受载岩石内部初始损伤、微裂纹萌生、微裂纹扩展、宏观裂纹产生、岩石破裂失稳等一系列过程和力学行为的有效途径[3-4]。
国内外许多学者用声发射技术对岩石受载后的力学行为进行研究[5-7]。赵兴东等[8]应用声发射及其定位技术，研究了不同加载方式下岩石破裂的过程，发现不同岩样表现出不同的声发射活动特性，且岩石均质性对声发射活动特征影响较大。管辉等[9]对灰岩试样进行了3点弯曲试验，通过声发射监测发现灰岩的断裂韧度低，碎裂灰岩的整体力学性能取决于断裂面的粗糙程度。曹安业等[10]对砂质泥岩在不同加载速率下损伤演化的声发射特征参量进行了研究，建立了岩石单轴损伤本构模型。曾鹏等[11]对花岗岩试件进行了围岩范围内的循环加载声发射试验，得到高低两种频率的AE变化趋势和Kaiser点出现位置基本相同，且围压对Kaiser点并未产生明显影响。SHUKLA,RICHA等[12]对不同浓度饱和盐水条件下砂岩进行单轴实验，对脆性断裂全过程声发射现象进行了研究，结果表明，单轴抗压强度、岩石试样的应力-应变行为、声发射模式都随饱和液中NaCl浓度的变化而变化。ZHAO Kang等[13]建立了开采模型，研究了覆岩岩体声发射与破坏特征的关系，从AE能量和分布的角度，预测了覆岩崩落的生成位置、形状和大小，通过对采空区尺寸差异的研究，得出了构造应力、自重应力和动态开采条件下金属覆岩位移变化和破坏特征。LI Jing等[14]基于声发射提出了一种新的多分辨率特征融合SVM识别法(MRFF-SVM)来计算煤岩爆灾害识别和预测的综合特征向量。
受载岩石的一些力学行为，是加载时间或加载速率的函数，即具有时间效应。目前，岩石力学行为时间效应的研究主要集中在岩石蠕变和松弛的长期效应。而煤矿动力灾害防治，更为关注的是工作面内和后方采空区不大范围内顶板岩石受力损伤破断的短期效应。众所周知，采动过程的顶板下沉破断在不同开采速度条件下表现出差异性特征，表明岩石弯曲折断也具有时间效应。但综观相关文献[15-16]，所见弯曲载荷下不同加载速率的声发射特征研究较少，弯载下岩石力学行为的时间效应鲜见报道。
笔者选取砂岩试样，设定不同加载速率，开展3点弯曲声发射物理试验，考察岩石折断过程声发射规律及其力学行为，研究岩石折断前的损伤规律，辨识折断前兆特征信息，期望为揭示采空区顶板折断预测的力学机制与防控机理提供有益的借鉴。
试样采集自某煤矿顶板主关键层细砂岩。单向压缩试验加工成φ50 mm×100 mm的圆柱体标准试样，得出该砂岩单轴抗压强度为44.2 MPa，弹性模量为16.8 GPa，泊松比为0.34。
弯曲试验将岩样精加工成尺寸为50 mm×50 mm×250 mm的长方体，试件表面平整、各边互相垂直，石质均匀(无层理或纹理)，尺寸误差±0.3 mm，标准试件上、下端面平行并磨平，试件端面的平面度公差小于0.05 mm，端面对于试件轴线垂直度偏差不超过0.25°，如图1所示。
图1 制备完成的岩石试样
Fig.1 Rock samples
试验加载系统采用微机控制电子万能试验机，进行3点弯曲试验。试验前对该试验机进行标定、设置，并在压力端安装支撑底座，设置支点跨距L=200 mm。
采用研华科技610L6通道声发射仪，声发射探头型号为R6α。根据尽量排除环境干扰和最大限度接收试件声发射信号的原则，经空载试验，声发射系统的门槛值设定为40 dB，前置放大器增益设为40 dB，采样率为1 MSPS。试验采用2个声发射探头，置于试件中心线靠近集中荷载施加点两侧，对称布置，探头底部涂凡士林作为耦合剂，确保与试件表面接触紧密，并用绿色胶带固定，防止其脱落移位。声发射探头、压头、支座布置方式如图2所示。
图2 砂岩3点弯曲试验系统布置
Fig.2 Three point bending testing arrangement of sandstone
采用负荷控制方式进行加载，在砂岩长轴中央施以弯曲载荷，分别选取10,20,30,40,50,60 N/s的加载速率对6组试样进行连续加载试验。每组试验3个试样，试验结果离散性大则增加试样，取离散性小的中间结果参与分析。试验前将电子万能实验机的压头与试件中部轴线上放置的圆钢轻微接触，保证加载系统和声发射仪同一时间开始记录测试，试验结束后同时停止。
德国学者凯撒(KAISER J，1950)发现，金属材料受到拉伸，当加载不超曾受过的最大应力时，不产生显著声发射，一旦应力超过材料曾受的最大应力，声发射显著增加。这种金属材料声发射对受力具有记忆的特性被称为声发射的Kaiser效应。随后大量试验表明，岩石受力后的声发射也具有Kaiser效应。Kaiser效应的力学本质是岩石受原地应力作用所形成特定的微裂纹损伤在达到原地应力的载荷作用下重新活动和延展的反映[17]。
选取不同加载速率进行3点弯曲试验，6组试样加载初期，前期小载荷下普遍产生不超过35个计数的声发射。分析是加载初期由于试样与加载系统接触、移动和摩擦所产生。因此将加载初期≤35个计数的声发射作为接触背景噪声，超过这一背景值后第1次产生较显著的声发射点，判定为Kaiser效应点，即岩石初始损伤位置，简述为初始声发射点。结果显示，在所选取的试验加载速率区间内，砂岩初始声发射(初始损伤)的弯载不是恒定值，而与加载速率呈指数正相关(图3、式(1)，r2=0.986 603)。加载速率越高，产生初始声发射所需的载荷越大，岩石初始损伤的应力条件越高，积累的应变能力也将越高。相应，加载速率越高，初始声发射(损伤)出现的时间越早，两者呈指数负相关趋势。
ln VP=5.817 712 6-0.741 337 43ln PK
(1)
式中，VP为加载速率,N/s;PK为Kaiser点的载荷,kN;TK为Kaiser点出现的时间长度，s。
图3 加载速率与初始声发射时间及其载荷关系
Fig.3 Relation among loading rate,initial AE time and loading
弯载条件下，砂岩Kaiser效应点的应力条件随加载速率漂移，存在时间效应，笔者另一项工作用花岗岩和砂岩的各6组试验也得出了同样的结果。这是由于加载速率较慢时，岩石内的裂隙都能充分延伸发生错动和闭合，导致声发射的Kaiser 效应点的载荷值相对偏小;而加载速率较快时，只有较大的裂缝能够发生延伸产生错动和闭合，因而Kaiser效应点的载荷值较大[17-19]。在矿开采中，当需要顶板岩石在低应力条件下损伤冒落而不致产生过多应变能积累和释放灾变时，应放慢开采速度，使初始损伤应力条件降低。
岩石声发射现象能够一定程度反映岩石的损伤过程和损伤程度，从而反映岩石强度的演化规律和力学性质[19-20]。
因声发射计数差值过大，为显示出小计数值的图像，将声发射振铃计数取常用对数处理。6级加载速率的声发射振铃计数显示(图4)，各加载速率下声发射计数整体趋势基本相同，过Kaiser点到峰值声发射前较长加载过程，声发射计数很少，声发射计数达到峰值后，岩样很快折断，之后基本无显著声发射再发生，表明试验所用细砂岩受载超过弹性限度后塑性屈服过程短暂，很快发生断裂，岩石脆性较高。因此，采空区顶板砂岩破断的危险性预测，前兆岩体微破裂不会很充分，不能简单套用地震学中前震-主震模式，还应进一步细致辨识前兆特征。
图4 不同加载速率下声发射振铃计数与载荷时程
Fig.4 Time history curves of AE ring down count and load at different loading rate
进一步分析岩样折断前声发射计数峰值的特征，发现存在前兆峰值声发射时间长度与加载速率相关的规律。
虽然岩样折断前的较长加载过程声发射计数较少，但各级加载速率下，岩样折断前声发射计数峰值期相对活跃的时间长度可以分辨差异性。将岩样折断前声发射计数峰值活跃期时长占加载到破坏载荷总时长的百分比定义为相对前兆声发射时长tp:
(2)
式中，tp为岩石折断相对前兆声发射时长，无量纲;t为加载到破坏载荷的时间,s;tc为经过Kaiser效应点后声发射出现显著活跃的特征时间，s。
表1的分析结果显示，弯载砂岩折断前，前兆声发射出现的时间长度与加载速率有关，低速加载前兆声发射时长较大，高速加载前兆声发射时长较小。
表1 岩样折断前兆性声发射时长
Table 1 AE length with omen of rock fracture
各级加载速率与峰值声发射计数及其对应的载荷间存在较好的统计学规律(图5)，加载速率越高，峰值声发射计数越少，两者呈指数负相关趋势(式(3)，r2=0.903 886);加载速率越高，峰值声发射所需的载荷越大，两者呈指数正相关趋势(式(4)，r2=0.979 411)，预示着积累的应变能力将越大。
ln VP=9.150 964 8-0.079 524 971ln NAE
(3)
ln VP=0.819 231 22+0.113 666 82ln PAE
(4)
式中，NAE为峰值声发射计数，次/s;PAE为峰值声发射计数对应的载荷，kN。
图5 加载速率与峰值声发射计数及其载荷关系
Fig.5 Relation among loading rate,maximum AE count and load
在采动顶板破断监测预警时，高速开采等效高速加载，将导致前兆预警时间缩短，前兆微破裂和峰值破裂数量较少，需要破断的荷载越大，积累的应变能越大，一次性释放的应变能较高;而低速开采可加长前兆预警时间，前兆微破裂和峰值破裂数量较多，积累的应变能力减少，一次性释放的应变能较低，有利于危险性预测预警和岩石低能量破断。弯载下，砂岩折断前兆声发射时长和峰值声发射计数与加载速率有关，存在时间效应。
声发射能量是岩石微单元破坏释放的弹性能，不同加载速率下声发射能量及载荷的时程关系如图6所示，同样为了显示效果，对能量数值取对数处理。与声发射计数规律相似，峰值能量释放前，小级别能量释放较少，表明砂岩折断以脆性为主。
图6 不同加载速率下声发射绝对能量时程
Fig.6 Time history curves of AE absolute energy at different loading rate
各级加载速率与峰值声发射能量及其对应的载荷间也存在较好的统计学规律(图7)。
图7 加载速率与声发射峰值能量及其载荷关系
Fig.7 Relation among loading rate,max AE absolute energy and load
加载速率越高，峰值声发射所需的载荷越大，两者呈指数正相关趋势(式(5)，r2= 0.977 604)，预示着积累的应变能越大。加载速率越高，峰值声发射能量释放越大，两者呈指数正相关趋势(式(6)，r2=0.954 025)，之前分析的岩石积累的应变能越高的推测成立。
ln VP=0.8110 973 5+0.1160 296 6ln Pmax
(5)
ln VP=20.640 513+0.382 750 14ln Emax
(6)
式中，Emax为声发射峰值能量，aJ;Pmax为声发射峰值能量对应的载荷，kN。
弯载条件下，加载速率与峰值能量释放及破坏载荷呈正相关，峰值能量及破坏载荷存在时间效应。在矿开采中，预示着高速开采将导致顶板破断释放较高能量，低速开采可降低顶板破断释放的能量。弯载下，砂岩折断前兆声发射能量和破坏载荷与加载速率有关，存在时间效应。
(1)以往受载岩石的时间效应主要研究蠕变和松弛的长期效应。笔者监测到采空区顶板岩石破裂失稳特征在不同开采速度条件下表现出的差异性，表明岩石弯曲折断短期过程也具有时间效应，且是导致岩石动力灾变的因素，这成为此项研究的动机。砂岩3点弯曲声发射试验表明，岩石弯曲折断过程的力学行为与加载速率有关，存在时间效应。
(2)试验发现，弯载条件下砂岩Kaiser点(或初始损伤)的载荷并非恒定值，而随着加载速率漂移，存在时间效应。
(3)弯载条件下，砂岩发生折断前兆声发射过程的时间长度与加载速率呈指数负相关。加载速率越快，前兆峰值声发射数越少，预警时间越短，反之亦然。前兆过程时间长度存在时间效应。
(4)弯载条件下，砂岩发生折断的峰值声发射计数和能量与加载速率有关。加载速率越快，峰值声发射计数越少，峰值声发射能量释放越高，反之亦然。折断的峰值声发射计数和峰值能量释放存在时间效应。
(5)在煤矿开采中，高速开采等效覆岩对采空区顶板高速加载。应用岩石弯曲折断过程岩石力学行为的时间效应原理，高速开采，顶板岩石初始损伤和破断积累与一次性释放的应变能均较高，灾变的后果更为严重。在采动顶板破断监测预警时，高速开采将导致前兆预警时间缩短，可预测性降低。这从机理上解释了高速开采岩石动力灾害相对严重的原因。
参考文献:
[1] 张璇子，陈红迁，王志勇.混凝土材料三点弯曲破坏的声发射特性[J].实验力学,2010,25(4):457-461.
ZHANG Xuanzi,CHEN Hongqian,WANG Zhiyong.On the acoustic emission characteristics of concrete fracture subjected to three-point-bending[J].Journal of Experimental Mechanics,2010,25(4):457-461.
[2] MARTINEZ-GONZALEZ E,PICAS I,ROMEU J.Filtering of acoustic emission signals for the accurate identification of fracture mechanisms in bending tests[J].Materials Transactions,2013,54(7):1087-1094.
[3] 张宁博，齐庆新，欧阳振华，等.不同应力路径下大理岩声发射性试验研究[J].煤炭学报,2014,39(2):389-394.
ZHNG Ningbo,QI Qingxin,OUYANG Zhenhua,et al.Experimental on acoustic emission characteristics of marble with different stress paths[J].Journal of China Coal Society,2014,39(2):389-394.
[4] 李庶林，唐海燕.不同加载条件下岩石材料破裂过程的声发射特性研究[J].岩土工程学报,2010,32(1):47-52.
LI Shulin,TANG Haiyan.Acoustic emission characteristics in failure process of rock under different uniaxial compressive loads[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(1):47-52.
[5] 孙超群，程国强，李术才，等.基于SPH的煤岩单轴加载声发射数值模拟[J].煤炭学报,2014,39(11):2183-2189.
SUN Chaoqun,CHENG Guoqiang,LI Shucai,et al.Numerical simulation of coal uniaxial loading acoustic emission based on SPH[J].Journal of China Coal Society,2014,39(11):2183-2189.
[6] 曹丽丽，浦海，李明，等.煤系砂岩动态拉伸破坏及能量耗散特征的试验研究[J].煤炭学报,2017,42(2):492-499.
CAO Lili,PU Hai,LI Ming,et al.Experimental research on the dynamic tensile fracture and the energy dissipation characteristics of coal-serial sandstone[J].Journal of China Coal Society,2017,42(2):492-499.
[7] CODEGLIA D,DIXON N,J FOWMES G,et al.Strategies for rock slope failure early warning using acoustic emission monitoring[J].Earth and Environmental Science,2015,25:167-178.
[8] 赵兴东，李元辉，刘建波，等.基于声发射及其定位技术的岩石破裂过程研究[J].岩石力学与工程学报,2008,27(5):990-994.
ZHAO Xingdong,LI Yuanhui,LIU Jianpo,et al.Study on rock failure process based on acoustic emission and its location technique[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2008,27(5):990-994.
[9] 管辉，黄炳香，冯峰.灰岩试样三点弯曲断裂特性试验研究[J].煤炭科学技术,2012,40(7):5-9.
GUAN Hui,HUANG Binxiang,FENG Feng.Experiment study on three point bending broken features of limestone sample[J].Coal Science and Technology,2012,40(7):5-9.
[10] 曹安业，井广成，窦林名，等.不同加载速率下岩样损伤演化的声发射特征研究[J].采矿与安全工程学报,2015,32(6):924-928.
CAO Anye,JING Guangcheng,DOU Linming,et al.Damage evolution law based on acoustic emission of sandy mudstone under different uniaxial loading rate[J].Journal of Mining & Safety Engineering,2015,32(6):924-928.
[11] 曾鹏，纪洪广，高宇，等.三轴压缩下花岗岩声发射Kaiser点信号频段及分形特征[J].煤炭学报,2016,41(S2):376-384.
ZENG Peng,JI Hongguang,GAO Yu,et al.Characteristics of fractal and frequency bands at Kaiser signal of acoustic emission in granite under triaxial compression[J].Journal of China Coal Society,2016,41(S2):376-384.
[12] SHUKLA R,RANJITH P G,CHOI S K,et al.Mechanical behaviour of reservoir rock under brine saturation[J].Rock Mechanics and Rock Engineering,2013,46(1):83-93.
[13] ZHAO Kang,JIA Qunyan.AE characteristics of overburden rock over metal mine goaf under mining layout[J].Advanced Materials Research,2014,868(1):296-299.
[14] LI Jing,YUE Jianhua,YANG Yong,et al.Multi-Resolution Feature Fusion model for coal rock burst hazard recognition based on Acoustic Emission data[J].Measurement:Journal of the International Measurement Confederation,2017,100:329-336.
[15] VACEK J,HRACHOV
-SEDL-KOV S.Rock burst mechanics as a time dependent event[J].Underground Spaces,2008,102:159-168.
[16] 李树刚，成小雨，刘超，等.单轴压缩岩石相似材料损伤特性及时空演化规律[J].煤炭学报,2017,42(S1):104-111.
LI Shugang,CHENG Xiaoyu,LIU Chao,et al.Damage characteristics and space-time evolution law of rock similar material under uniaxial Compression[J].Journal of China Coal Society,2017,42(S1):104-111.
[17] 陈勉，张艳，金衍，等.加载速率对不同岩性岩石Kaiser效应影响的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2009,28(1):2599-2603.
CHEN Mian,ZHANG Yan,JIN Yan,et al.Experimental study of influence of loading rate on Kaiser effect of different lithological rocks[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28(1):2599-2603.
[18] 韩同春，张杰.考虑含缺陷岩石的声发射数值模拟研究[J].岩石力学与工程学报，2014,23(1):3198-3203.
HAN Tongchun,ZHANG Jie.Numerical simulation of acoustic emission for defective rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,23(1):3198-3203.
[19] 尹小涛，葛修润，李春光，等.加载速率对岩石材料力学行为的影响[J].岩石力学与工程学报，2010,29(S1):2610-2615.
YIN Xiaotao,GE Xiurun,LI Chunguang,et al.Influence of loading rates on mechanical behaviors of rock materials[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2010,29(S1):2610-2615.
[20] 宿辉，党承华，李彦军.考虑不均质度的岩石声发射数值模拟研究[J].岩土力学,2011,32(6):1886-1890.
SU Hui,DANG Chenghua,LI Yanjun.Study of numerical simulation of acoustic emission in rock of in homogeneity[J].Rock and Soil Mechanics,2011,32(6):1886-1890.