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《金屬礦山雜志》2014年第七期

1聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)發(fā)展概況

20世紀(jì)50年代德國科學(xué)家Kaiser首次對金屬中的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了科學(xué)而系統(tǒng)的研究，其成果為聲發(fā)射的研究奠定了基礎(chǔ)。L．Obert和W．I．Du-vall［51］最早發(fā)現(xiàn)巖石結(jié)構(gòu)在受壓過程中有聲發(fā)射活動存在。1960年，Dunegan等通過提高聲發(fā)射的實(shí)驗(yàn)頻率和采用窄帶濾波的方法消除了機(jī)械背景噪音，為聲發(fā)射技術(shù)由實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)入實(shí)用階段做好了鋪墊。聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)的研究進(jìn)入現(xiàn)場應(yīng)用新階段的標(biāo)志是1964年美國成功將聲發(fā)射技術(shù)用于導(dǎo)彈殼體結(jié)構(gòu)的完整性檢測。從1968年起，商業(yè)化的聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備逐漸在世界范圍內(nèi)得到廣泛的應(yīng)用。20世紀(jì)70年代，美日歐等國家在聲發(fā)射源、聲發(fā)射波的傳播以及確定聲發(fā)射與斷裂機(jī)制的關(guān)系等方面的研究取得了長足的進(jìn)步。20世紀(jì)80年代以來，隨著微處理器、高速A/D轉(zhuǎn)換和信號處理技術(shù)的發(fā)展，聲發(fā)射技術(shù)在基礎(chǔ)性實(shí)驗(yàn)、儀器研制和信號處理等方面取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，該技術(shù)逐漸進(jìn)入理論研究與工程應(yīng)用全面發(fā)展階段，并在材料研究及無損檢測中扮演著越來越重要的角色。近年來，隨著信號采集與分析技術(shù)的進(jìn)步，以及小波分析、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法的引入，進(jìn)一步推動了聲發(fā)射技術(shù)向縱深方向的發(fā)展。我國聲發(fā)射技術(shù)是在引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)并緊密結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)際的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。20世紀(jì)70年代初我國開始引進(jìn)聲發(fā)射技術(shù)，其目的是為了進(jìn)行斷裂力學(xué)難點(diǎn)裂紋開裂點(diǎn)預(yù)報和測量研究。20世紀(jì)80年代初，我國開始將聲發(fā)射檢測技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)、復(fù)合材料、金屬材料、壓力容器和巖石等領(lǐng)域的檢測和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代中期，從美國物理聲學(xué)公司PAC(PhysicalAcousticCorporation)引進(jìn)聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備，使我國聲發(fā)射技術(shù)水平得到了提高。20世紀(jì)90年代至今，我國聲發(fā)射技術(shù)的研究和應(yīng)用進(jìn)入快速發(fā)展階段，聲發(fā)射技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、石油化工、材料試驗(yàn)、金屬加工、電力工業(yè)、民用工程、交通運(yùn)輸、土木和礦山工程等諸多領(lǐng)域并取得顯著的成效［52］。由于聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)是一種在線、高效、經(jīng)濟(jì)的檢測方法，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。

2不同應(yīng)力路徑下含水煤巖聲發(fā)射特征

2.1單軸載荷作用

2.1.1單軸壓縮載荷作用國內(nèi)外許多學(xué)者對煤巖在單軸壓縮損傷破壞過程中的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征等方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性研究工作，并取得了大量的研究成果［53-61］。這些研究成果增強(qiáng)了人們對煤巖聲發(fā)射特性的認(rèn)識，促進(jìn)了聲發(fā)射技術(shù)在煤巖體穩(wěn)定性方面的應(yīng)用，但關(guān)于含水煤巖損傷破壞過程中聲發(fā)射特征方面的研究相對較少。因此開展含水煤巖單軸受壓損傷破壞過程中聲發(fā)射特征研究，有助于進(jìn)一步認(rèn)識含水煤巖損傷破壞機(jī)理。關(guān)于水對煤巖單軸抗壓強(qiáng)度及聲發(fā)射特征影響的研究，唐書恒等［37］進(jìn)行了飽和含水煤巖的單軸壓縮破裂聲發(fā)射試驗(yàn)，用以模擬研究煤儲層的壓裂特征，并將煤巖壓裂過程分為迸裂型、破裂型和穩(wěn)定型。秦虎等［39］以晉城煤業(yè)集團(tuán)趙莊礦的無煙煤為研究對象，對不同含水率煤樣受壓變形破壞過程中聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明含水率的不同對煤樣的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征產(chǎn)生明顯差異，含水率的增加使得煤樣的單軸抗壓強(qiáng)度及聲發(fā)射累積數(shù)減少，同時使產(chǎn)生聲發(fā)射的時間滯后，且在不同的變形階段，聲發(fā)射的變化規(guī)律不同。文圣勇等［40］對4種不同含水率紅砂巖進(jìn)行了單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)果表明:水對砂巖的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征具有較大的影響，各試件所得聲發(fā)射振鈴數(shù)曲線在形狀上基本相似，但隨含水量的增加，砂巖聲發(fā)射振鈴數(shù)越少且時間越滯后。陳結(jié)等［41］為研究鹽穴能源地下儲庫建造過程中腔體圍巖在鹵水、地溫和地應(yīng)力共同作用下的損傷演化特點(diǎn)，應(yīng)用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)對不同溫度的飽和鹵水作用后的巖鹽進(jìn)行單軸壓縮損傷演化規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)果表明在一定溫度的飽和鹵水中浸泡30d后巖鹽的彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度有所降低，單軸壓縮過程中巖鹽的聲發(fā)射－應(yīng)變曲線與應(yīng)力－應(yīng)變曲線具有較好的一致性，隨鹵水溫度的升高浸泡后巖鹽的聲發(fā)射累積數(shù)有所增加且無鹵水作用巖鹽的聲發(fā)射累積數(shù)大于鹵水作用后巖鹽的聲發(fā)射累積數(shù)。童敏明等［42］為確定不同應(yīng)力速率下含水煤巖聲發(fā)射的頻譜特征和變化趨勢，對不同應(yīng)力速率下含水煤巖聲發(fā)射信號特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明含水率對煤巖的聲發(fā)射特性具有一定程度的影響，具體表現(xiàn)為含水量小的煤巖較含水量大的聲發(fā)射強(qiáng)度略高，研究成果為預(yù)測煤巖災(zāi)害現(xiàn)象提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。張艷博等［43］通過對含水砂巖進(jìn)行單軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)，獲取聲發(fā)射信號，對整個加載過程中聲發(fā)射信號進(jìn)行FFT變換，采用頻譜分析和Welch算法對含水砂巖破裂失穩(wěn)過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射信號進(jìn)行研究，得到聲發(fā)射信號的相關(guān)特征在巖石破裂過程中的變化，為分析巖石破裂全過程的聲發(fā)射特性提供了一條新的思路，也為聲發(fā)射應(yīng)用于巖石破裂失穩(wěn)預(yù)報奠定了一定的工作基礎(chǔ)。

2.1.2循環(huán)載荷作用國內(nèi)外很多學(xué)者對煤巖的疲勞損傷和聲發(fā)射特性進(jìn)行了研究，如許江等［62-63］對循環(huán)載荷作用下砂巖聲發(fā)射規(guī)律展開了大量的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明巖石在低周期載荷作用下會出現(xiàn)明顯的Felicity效應(yīng)且周期載荷作用下巖石在卸荷過程中也產(chǎn)生明顯的聲發(fā)射信號。任松等［64］基于聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，通過改變恒幅荷載條件下的上、下限應(yīng)力以及加載速率等試驗(yàn)條件，對巖鹽的疲勞損傷特征進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究成果對巖鹽地下儲氣庫的安全運(yùn)行具有實(shí)際意義。紀(jì)洪廣等［65］對巖石試件在不同應(yīng)力水平和應(yīng)力狀態(tài)下受到加載－卸載擾動時的聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究結(jié)果為分析不同應(yīng)力水平和不同應(yīng)力狀態(tài)作用下巖體聲發(fā)射特征的變異性，為根據(jù)聲發(fā)射信號特征進(jìn)行巖體穩(wěn)定性評價提供依據(jù)和參考。王者超等［66］通過花崗巖三軸循環(huán)載荷試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了花崗巖的疲勞力學(xué)特性，提出了花崗巖疲勞力學(xué)模型。JQXiao等［67］研究了不同循環(huán)荷載水平下?lián)p傷變量演化規(guī)律。ELLiu等［68］分析了循環(huán)加卸載時圍巖對巖石動力特性的影響。張暉輝等［69］基于加卸載響應(yīng)比理論和能量加速釋放理論，在三軸應(yīng)力條件下進(jìn)行了大尺度巖石破壞的聲發(fā)射試驗(yàn)，將能量加速釋放和加卸載響應(yīng)比劇增作為巖石破壞前兆，研究成果為預(yù)測地震提供了試驗(yàn)依據(jù)。巖土工程在施工及運(yùn)營期間，經(jīng)常會遇到地下水和循環(huán)載荷的共同作用，巖體在地下水和循環(huán)載荷作用下的力學(xué)性能是影響巖土工程長期穩(wěn)定性的重要因素之一。關(guān)于巖石在地下水和循環(huán)加卸載共同作用下的力學(xué)特性、變形特性及聲發(fā)射特性，目前國內(nèi)外學(xué)者在這方面的研究成果相對較少。通過單軸循環(huán)加卸載試驗(yàn)，分析巖石在水和循環(huán)載荷共同作用下的強(qiáng)度、變形及聲發(fā)射變化特征，為研究不同含水狀態(tài)下巖石破裂失穩(wěn)機(jī)理提供參考。

2.2三軸載荷作用巖石作為一種典型的非連續(xù)、非均質(zhì)、各向異性的地質(zhì)材料，通常處于三向應(yīng)力場中，同時，其強(qiáng)度和變形特性是理論計算和工程設(shè)計的基礎(chǔ)，因此研究巖石在三向應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性、聲發(fā)射特征及變形特征對于隧道工程、采礦工程和邊坡工程等具有重要意義［70］。許多學(xué)者對煤巖在三軸應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究并取得了大量的研究成果。肖福坤等［71］以曾經(jīng)發(fā)生過煤與瓦斯突出事故且依然存在突出危險的煤樣為研究對象，對含煤瓦斯煤樣進(jìn)行不同瓦斯壓力、飽和瓦斯和不同圍壓條件下的三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，探究含煤瓦斯失穩(wěn)破壞與聲發(fā)射之間的關(guān)系。艾婷等［72］以大同煤業(yè)集團(tuán)塔山礦8105工作面的煤樣為研究對象，對不同圍壓下煤巖破裂過程中聲發(fā)射時空演化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過分析煤巖在不同圍壓下聲發(fā)射的時序特征、能量釋放與空間演化規(guī)律，探討了煤巖破裂過程中的損傷演化特征。蘇承東等［73］對義馬曹窯煤礦頂板砂巖進(jìn)行了單軸壓縮、常規(guī)三軸和三軸卸圍壓力學(xué)試驗(yàn)及聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了不同加載方式下巖樣損傷破壞過程中的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征，研究結(jié)果對進(jìn)一步揭示煤層上覆頂板巖層周期性斷裂前后沖擊動力災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報具有參考價值。陳景濤等［74-75］對巖石三軸壓縮過程中變形及聲發(fā)射特征進(jìn)行了物理試驗(yàn)和數(shù)值試驗(yàn)，分析了圍巖對巖石變形特性和聲發(fā)射特征的影響，結(jié)果表明巖石的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征與圍壓密切相關(guān)。紀(jì)洪廣等［76］采用三軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)，對玲瓏金礦二長花崗巖進(jìn)行三軸加卸載聲發(fā)射試驗(yàn)，研究巖聲發(fā)射特征與力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)一步加深了對巖石破裂過程及機(jī)制的認(rèn)識。Alkan等［77］對德國阿瑟鹽礦巖鹽的膨脹臨界值進(jìn)行三軸加載條件下的力學(xué)試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)，研究表明巖鹽的膨脹臨界值與晶粒大小、孔隙壓力、加載速率和裂隙維度均具有一定的關(guān)系。李玉壽等［44］對煤在三軸及孔隙水壓作用下的變形和聲發(fā)射特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明隨孔隙水壓力的增大，煤樣變形破壞過程中釋放的聲發(fā)射能量逐漸減少。上述關(guān)于煤巖在三軸應(yīng)力作用下的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征的理論和試驗(yàn)研究，增強(qiáng)了人們對煤巖聲發(fā)射特征的認(rèn)識，促進(jìn)了聲發(fā)射技術(shù)的進(jìn)步及在工程中的應(yīng)用，但關(guān)于含水煤巖在反復(fù)加卸載過程中的聲發(fā)射特征的試驗(yàn)研究國內(nèi)外還不多見。有鑒于此，在以往研究成果的基礎(chǔ)上，開展含水煤巖真三軸加載過程中的聲發(fā)射試驗(yàn)，有助于進(jìn)一步了解煤巖體的聲發(fā)射特征。

2.3剪切載荷作用考慮到礦山，水利、建筑、交通等工程領(lǐng)域中涉及到巖土體在荷載作用下的強(qiáng)度及穩(wěn)定性等問題，結(jié)合聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)開展剪切載荷作用下煤巖裂紋的開裂、擴(kuò)展以及貫通的演化規(guī)律有著十分重要的理論意義和工程實(shí)用價值。關(guān)于煤巖在剪切荷載作用下的聲發(fā)射特征的研究，國內(nèi)外學(xué)者做了一些相關(guān)的研究工作，ITsuyoshii等［78］運(yùn)用聲發(fā)射技術(shù)對巖石直剪過程中裂紋的開裂情況進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，聲發(fā)射有較高的精度來檢測直剪過程中的裂紋的開裂情況。李西蒙等［79］進(jìn)行了型煤試塊的壓剪破壞聲發(fā)射試驗(yàn)，研究了壓剪條件下型煤的聲發(fā)射特征，研究成果為采動影響下煤巖體和巷道的壓剪破壞預(yù)測預(yù)報提供了一定的試驗(yàn)依據(jù)。聶百勝等［80］對煤體剪切破壞過程中電磁輻射和聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)媒體剪切破壞過程中聲發(fā)射和電磁輻射有兩種類型，試驗(yàn)結(jié)果與煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災(zāi)害的現(xiàn)場較為吻合。周小平等［81］對巖石結(jié)構(gòu)面直剪過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，得出聲發(fā)射事件數(shù)和能率都與結(jié)構(gòu)面的粗糙程度有關(guān)，發(fā)現(xiàn)用能率這一系數(shù)更容易判別巖石變形與破壞各階段。許江等［82-83］采用自主研發(fā)的煤巖細(xì)觀剪切試驗(yàn)裝置，開展了不同剪切速率條件下砂巖的細(xì)觀破壞與聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究，選取聲發(fā)射振鈴累積數(shù)和聲發(fā)射振鈴計數(shù)率作為聲發(fā)射特征參數(shù)，探討巖石在剪切破壞過程中的破壞形式與聲發(fā)射之間的關(guān)系，結(jié)果表明，砂巖試件在不同加載速率條件下破壞過程中剪應(yīng)力隨時間變化趨于一致。上述研究成果大多基于天然或干燥狀態(tài)的試件而言，而實(shí)際的巖體工程總處于一定的地下水環(huán)境中，關(guān)于含水巖石剪切過程中的聲發(fā)射試驗(yàn)研究成果相對較少，因此，開展含水煤巖拉剪切壞過程中的聲發(fā)射時空演化特征，有助于進(jìn)一步揭示巖體工程在剪切載荷作用下的失穩(wěn)機(jī)理。在國內(nèi)，許江等［38］利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，對飽和度分別為0%、50%、和100%3種含水狀態(tài)下砂巖剪切破壞過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了剪切荷載作用下砂巖內(nèi)部裂紋開裂、擴(kuò)展過程與聲發(fā)射特性之間的內(nèi)在關(guān)系，結(jié)果表明，隨含水量的增加，聲發(fā)射劇增點(diǎn)出現(xiàn)的時間相應(yīng)提前，在各含水狀態(tài)下，聲發(fā)射事件率峰值出現(xiàn)時間總是滯后于剪應(yīng)力達(dá)到峰值的時間。

2.4拉伸載荷作用煤巖抗拉強(qiáng)度的測試方法有間接法和直接法，間接法常用的方法為巴西劈裂試驗(yàn)。巴西劈裂試驗(yàn)用于測試巖石類材料的抗拉強(qiáng)度已有近50年的歷史，此方法最早用于測定巖石等脆性材料的抗拉強(qiáng)度，此后一些學(xué)者提出可以用該試驗(yàn)測定巖石的彈性模量和斷裂韌度等指標(biāo)［84-87］。基于聲發(fā)射監(jiān)測巴西盤試樣破壞過程的研究，趙興東等［88］應(yīng)用聲發(fā)射及蓋格爾定位算法，研究了不同巴西盤巖樣加載破裂失穩(wěn)過程。付軍輝等［90］對煤巴西劈裂全過程中的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究。羅鵬輝等［91］對云南南坡銅礦3種砂巖進(jìn)行了巴西劈裂的聲發(fā)射特性試驗(yàn)，結(jié)果表明不同種類巖石的聲發(fā)射特性具有較大的差異。謝強(qiáng)等［91］驗(yàn)證了粗粒花崗巖在劈裂試驗(yàn)條件下kaiser效應(yīng)的存在。巴西劈裂法雖被廣泛應(yīng)用于巖石抗拉力學(xué)特性的研究中，但有研究［92-94］指出，此方法并不能真實(shí)地反映巖石的抗拉強(qiáng)度。故有學(xué)者采用直接拉伸方法對巖石的抗拉力學(xué)性能和聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究，彭瑞東等［95］對砂巖拉伸過程中的能量耗散與損傷演化進(jìn)行了分析。余賢斌等［96］采用自行研制的巖石直接拉伸試驗(yàn)裝置，對砂巖直進(jìn)行直接拉伸作用下的聲發(fā)射試驗(yàn)。梁正召等［97］基于三維數(shù)值模擬研究了巖石直接拉伸破壞過程中的變形及分形特征。包春燕等［98］對單軸拉伸作用下層狀巖石表面裂紋的形成模式及其機(jī)制進(jìn)行了研究。張澤天等［99］對煤在直接拉伸過程中的力學(xué)特性及聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究。上述研究成果多集中于天然及干燥巖石試件，而關(guān)于含水巖石拉伸過程中的力學(xué)特性及聲發(fā)射特征的研究成果相對較少，開展含水煤巖拉伸破壞過程中的聲發(fā)射時空演化特征，有助于進(jìn)一步揭示巖體工程的失穩(wěn)機(jī)理。

3含水煤巖聲發(fā)射試驗(yàn)的發(fā)展趨勢

(1)聲發(fā)射監(jiān)測是一種無損檢測技術(shù)，對聲發(fā)射信號的研究有助于揭示含水煤巖內(nèi)部微裂紋的萌生、擴(kuò)展和斷裂的演化規(guī)律，通過對聲發(fā)射信號的研究，可以推斷含水煤巖內(nèi)部性態(tài)變化、反演含水煤巖的破壞機(jī)制，對進(jìn)一步認(rèn)識巖石的破壞機(jī)理以及巖石破壞的前兆判據(jù)、分析巖石破裂失穩(wěn)機(jī)制十分有意義。(2)水巖相互作用對巖石劣化的效應(yīng)是多場耦合作用的綜合結(jié)果，隨著試驗(yàn)手段和試驗(yàn)方法的進(jìn)一步發(fā)展，含水煤巖聲發(fā)射有向真三軸、多場耦合方向發(fā)展的趨勢。如何將聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)引入相關(guān)理論(如損傷力學(xué)、化學(xué)動力學(xué)、孔隙介質(zhì)流體動力學(xué)等)對巖石劣化的效應(yīng)進(jìn)行定量分析，實(shí)現(xiàn)多場耦合作用下的本構(gòu)關(guān)系建立和識別以及數(shù)值模擬方法的確定等工作十分重要，尚有待完善。(3)在實(shí)驗(yàn)室條件下，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備及周圍環(huán)境噪聲的影響，無法保證煤巖損傷破壞過程中聲發(fā)射信號的精度和準(zhǔn)確性，而采用數(shù)值模擬的方法則不會出現(xiàn)上述問題。隨著數(shù)值模擬軟件的完善及并行技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)用數(shù)值模擬軟件，對煤巖試件進(jìn)行聲發(fā)射數(shù)值試驗(yàn)，將模擬結(jié)果與物理試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，能夠加深對煤巖損傷破壞過程及其聲發(fā)射時空特性的認(rèn)識。(4)含水煤巖聲發(fā)射試驗(yàn)研究的最終目的是要為工程服務(wù)，為工程巖體穩(wěn)定性的預(yù)測預(yù)報提供試驗(yàn)依據(jù)，如何將聲發(fā)射參數(shù)反映到設(shè)計參數(shù)中，有待巖土工程相關(guān)學(xué)科的共同努力。

作者：夏冬楊天鴻常宏單位：深部金屬礦山安全開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院 河北鋼鐵集團(tuán)沙河中關(guān)鐵礦有限公司