第23卷 第15期岩石力学与工程学报 23(15)：2499～25032004年8月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Aug .，20042003年3月7日收到初稿，2003年4月24日收到修改稿。
* 国家“十五”科技攻关项目(2001BA609A-09-02)资助课题。
作者 李庶林 简介：男，39岁，博士后，2000年于东北大学工程力学专业获博士学位，现任教授级高工，主要从事岩石力学、地压监测和地质灾害等方面的教学与研究工作。
E-mail ：shulin.li@ 。
单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究*李庶林1，2尹贤刚2王泳嘉1 唐海燕2(1东北大学资源与土木工程学院 沈阳 110004) (2长沙矿山研究院岩体力学研究所 长沙 410012)摘要 在刚性试验机上，对单轴受压岩石破坏全过程进行声发射试验，得到了岩石破坏全过程力学特征和声发射特征，包括岩石应力-应变曲线、声发射事件数等，研究了声发射事件数(AE 数)、事件率与应力、时间之间的关系。
研究表明：岩石在一次性加载过程中，不是所有的岩石都具有典型的Kaiser 效应的声发射特征点；在弹性阶段的初期和后期，随着应力水平的增加岩石声发射显著增加，特别在弹塑性高应力阶段，岩石声发射增长迅速；岩样在试验接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小，声发射事件率出现明显下降，即出现相对平静阶段；声发射事件率在不同应力水平变化很大，峰值强度后的声发射现象仍然明显，其声发射特征随岩样破坏形式的不同而不同。
关键词 岩石力学，岩石破坏，声发射，时间，监测和预报分类号 TU 45 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)15-2499-05STUDIES ON ACOUSTIC EMISSION CHARACTERISTICS OF UNIAXIALCOMPRESSIVE ROCK FAILURELi Shulin 1，2，Yin Xiangang 2，Wang Yongjia 1，Fang Haiyan 2(1School of Resources and Civil Engineering ，Northeastern University ， Shenyang 110004 China ) (2Division of Rock Mechanics ，Changsha Institute of Mining Research ， Changsha 410012 China )Abstract Experiments on acoustic emission (AE) characteristics of full-regime rock failure are carried out on stiffness test machine (MTS). The mechanical properties of rocks and acoustic emission characteristics ，including full-regime curves ，AE counts and AE rate ，are obtained. The relations among AE counts ，AE rate ，stress levels ，and time are analyzed in detail. The results show that the Kaiser effect does not occur for every rock samples subjected to simple loading. During the initial and late stages of elastic domains ，AE counts increase rapidly with the increase of stress level. But when the curve is near to the peak ，AE counts obviously drop ，which means that there is a relatively tranquil period. The AE rates change dramatically in different stages. In post-peak region ，AE events stay evident and the AE characteristics depend on the failure type of rocks. Key words rock mechanics ，rock failure ，acoustic emission(AE)，time ，monitoring and prediction1 前 言岩石受力破坏的过程是其内部微破裂萌生、扩展和断裂的过程，在这个过程中岩石会产生声发射现象。
这个现象早在20世纪30年代就由美国矿山局的Obert 所发现，并把声发射技术应用到矿山矿柱岩体稳定性和岩爆的监测预报中[1]。
自那时以来，声发射技术在国外岩土工程和矿山岩体稳定性监测方面得到推广应用[2]。
我国金属矿山自70年代开始• 2500 • 岩石力学与工程学报 2004年应用该项技术来监测采场顶板的稳定性，随着声发射监测设备的改进和发展，近年来岩石声发射监测技术在矿山地压研究中得到了广泛的应用[3～6]。
虽然在岩石声发射监测技术的设备研制与开发和应用研究方面已取得很大的成就，但岩石声发射技术是理论研究落后于工程实际的少数学科，特别是对于岩体失稳的声发射监测预报应用方面，迄今为止仍然是一大难题。
这是因为人们尚未掌握岩石破坏的前兆判据，实际应用中监测预报大多是基于经验判断，缺乏可靠的判别依据和理论基础，致使监测预报的成功率不高、效果不理想，这也是制约声发射监测应用技术的一个关键点。
因此，开展单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究，深刻揭示岩石破裂过程与声发射参数之间的关系，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。
2 岩石声发射试验研究在受压岩石破坏全过程声发射特征研究方面，国内外一些学者进行过广泛的室内试验研究，包括岩石受压、张拉、剪切和断裂试验条件下的声发射特征研究等，且主要是研究岩石峰值强度前的应力、应变与声发射参数之间的关系[7～9]。
对于单轴受压岩石破坏全过程声发射特征，特别是声发射参数与时间变量之间的特征关系则研究得不多，尚未见到相关的报道。
众所周知，在岩石受力变形直至破坏的过程中，岩石塑性变形过程，是非等时变化的。
对于岩石声发射监测技术的应用来说，主要是依据声发射参数对时间的变化过程来对岩石的稳定性进行评价，时间是监测预报的一个基本变量。
基于这种思考，本文主要对单轴受压岩石破坏全过程、声发射参数对时间变化特征进行试验研究，力图寻找岩石破坏过程的声发射参数的时序变化特性，为岩石声发射监测预报技术的现场应用提供依据，提高岩石稳定性声发射监测预报的准确率。
2.1试验设备及装置试验采用加载控制系统和声发射监测系统2套装置。
试验加载设备是MTS851型液压伺服岩石力学试验机，该试验机经改造将原来的模拟控制系统升级为全数字计算机自动控制系统。
该系统的配置基于Windows平台的可视化操作软件，可跟踪记录当前荷载、应力、位移、应变值的大小，并同步绘制载荷-位移、应力-应变曲线等。
声发射监测系统可对声发射事件自动计数、存储，可与计算机通讯，实现对声发射的实时监测，并可进行波形和参数的分析。
试验装置见图1。
2.2试验内容对取自三山岛金矿的斑状黑云母化花岗岩、绢云母化花岗岩和辉绿岩、厂坝铅锌矿的结晶灰岩、铅锌矿石、黑云母片岩等岩石试样进行单轴受压岩石破坏全过程试验，研究岩石受力、变形直至破坏全过程声发射参数特征和时间过程特征等。
通过试验研究，探索单轴受压岩石变形直至破坏全过程的时间特性、声发射参数的时间过程特性以及岩石破坏全过程与声发射参数之间的特性等。
2.3试验测试方法试验时，保持加载过程与声发射监测同步。
对加载系统采用轴向应变控制加载，加载速率为2×10－6 mm/mm·s－1。
对声发射监测系统，设定声发射监测的采样间隔为50 μs，频率为102～104 Hz，为尽可能减少噪音的干扰，选择高的声信号触发电平为3.6或4.5 mV，使试验只测定岩石单轴受压破坏的声发射大事件。
同时，为消除加载系统的环境噪音，在对试件进行加载前，应率定加载系统的噪音图1 试验装置图Fig.1 Experimental equipments第23卷第15期李庶林等. 单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究 • 2501 •水平。
3 试验结果与分析岩石受力变形直致破坏全过程中，以恒定的加载速度，保持加载系统和声发射监测系统同步进行。
MTS系统以4次/s的间隔速度采集数据自动记录应力、应变和时间，并同步绘制荷载-位移、应力-应变曲线图；以等应力增量间隔或等时间间隔，读取声发射仪记录的声发射事件数，并抽样存储声发射事件的波形。
3.1岩石变形与声发射特征在全部试验岩样中，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，只有辉绿岩的初始压密阶段不明显。
本次试验研究进一步观察了岩石在峰值点前的受力变形特点，发现有的岩样在达到其峰值强度的85%～90%之后，出现一段应力增长减缓、而相对应的应变量明显增加的塑性变形阶段，这个阶段在荷载-位移图上很明显。
特别是这个阶段的持续时间较长，但是时间参数在荷载-位移曲线图上却被掩盖了。
具有这种特点的岩石，其在这一阶段的声发射就出现明显的相对平静现象。
图2为试验测得的具有这种特点的一典型的绢英岩化花岗岩岩样的荷载-位移曲线，该岩样的破坏形式为典型的单一剪切面破坏。
从图2中可以看出，该岩样具有明显的初始压密阶段，随后进入弹性阶段。
从图中可以明显看出，在接近峰值点之前、荷载90 kN之后，应变增加迅速，而应力增加缓慢，荷载-位移曲线明显趋缓。
图2 荷载-位移关系曲线Fig.2 Load-displacement curve在峰值强度之后，载荷-位移出现了3次应力突降，从宏观的肉眼观察为几条临近的宏观斜裂纹之间的岩桥破坏、裂纹沟通形成的最终破坏面。
在临近应力降之前，都出现了一段较长的时间延迟和声发射事件的相对平静，然后是应力的突然降低，声发射事件数的突然增加。
3.2应力、应变与声发射之关系在所进行的试验研究中，对岩石声发射监测研究全部是采用一次性加载方式。
通过试验发现岩石在峰值前的声发射事件与应力、应变之间的关系具有2种典型的类型：第1种类型是AE曲线与应力-应变相近似，在初始压密阶段几乎不出现声发射现象，在进入弹性阶段时声发射事件迅速增加，即出现所谓的Kaiser效应的特征点，有趣的是Kaiser效应特征点一般出现在压密阶段的后期或是弹性阶段的初期；第2种类型是AE曲线近乎为直线，不出现或不明显出现Kaiser效应特征点。
