D01:10.133741.ism1001053x.2007.s2.061 第29卷增刊2 北京科技大学学报 Vol.29 SuppL 2 2007年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.2007 金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究 宋波)李悦)董鑫)王培福 1)北京科技大学士木与环境工程学院.北京1000832)山东招金集团公司.山东招远265400 摘要针对金属矿山特有的地理地质条件，开展相应岩石声发射试验，确定矿区矿体围岩的时间序列特征.获得岩石破裂 冒落声发射参数的危险临界值.并深入研究形成该种声发射信号的破裂机制和破坏特征.然后分别对较均质岩石试样和含有 结构弱面的岩石试件进行比较试验，总结弱面裂隙影响下的岩石试件产生声发射信号的规律.利用基于离散单元法的颗粒元 程序进行含裂隙岩石试样数值模拟研究，通过降低接触面刚度来模拟岩石内部的损伤，通过不同的模拟条件来研究岩石的破 坏情况.研究成果将为分析损伤岩体的声发射规律开辟一条新的研究途径. 关键词矿山监测：声发射：时间序列：岩石损伤：颗粒元模拟 分类号TD76 目前，声发射监测技术已在我国的金属矿山中 化的特征进行试验研究.考虑含裂隙岩体信号突变 有了较广泛的应用.矿山巷道冒顶片帮的发生必然 的影响.研究了岩石试验破裂后期残余承载时段声 经历岩石裂缝的开裂和发展过程，最后达到失稳的 发射信号，以确定矿体、围岩体的物理力学性质和声 状态.在这个过程中就会产生岩石声发射，如果能 发射规律，力图寻找岩石破坏过程的声发射参数的 监测这些声信号的变化并加以研究和总结就能及时 时序变化特性.利用颗粒元程序对含裂隙岩石试样 的对冒顶片帮进行预警预测！.但什么样的声发射 的物理力学性质进行研究，利用较低刚度的接触刚 信号对应着岩石的破坏开展，怎么针对不同岩性和 度模型面来模拟岩石内部的损伤，通过不同的模拟 水文地质条件来确定岩石冒顶前兆的临界值是灾害 条件来研究岩石的破坏情况.以期为岩石声发射监 预测的关键问题， 测预报技术的现场应用提供依据.提高岩石稳定性 秦四清习等人对岩石的声发射进行了大量的 声发射监测预报的准确率 研究，包括岩石的凯塞效应、岩石声发射的空间分析 特征以及岩石断裂过程中的声发射特征.李银平3 1岩体声发射时间序列特征的试验 等采用含预制裂隙大理岩块试件对压剪应力场中试 研究 件破坏过程声发射特征进行研究.陈忠辉等利对三 首先确定岩石试样的受力与变形之间的关系 维应力状态下岩石快速加卸载围压对声发射的影响 岩石在荷载作用下会产生弹性变形和塑性变形.在 进行了理论探讨.Myr等研究了多孔岩石在不同 破坏前的变形性质可以通过测定其应力与应变的关 压缩应力下的变形破坏特征，指出张性微裂纹的扩 系体现.在确定岩石试样的变形发展的过程中，确 展是引起岩石产生非线性变形的重要原因. 定声发射信号的主要频率范围，采用适宜的采集探 由于相关文献56对岩石破坏全过程声发射 头研究岩石变形过程中声发射信号特征 特征，特别是声发射参数与时间变量之间的特征关 1.1试验系统组成 系尚研究得不多，并且在岩石受力变形直至破坏的 为了获得金属矿山工业矿体及其围岩受荷载破 过程中岩石塑性变形过程，是非等时变化的.对于 坏的声发射信号时间序列发展趋势和破坏临界值， 岩石声发射监测技术的应用来说，主要是依据声发 了解岩石试样在受力过程中裂纹的发展规律，在对 射参数对时间的变化过程来对岩石的稳定性进行评 不同岩石试验的单轴压缩过程中，引入了A21C声 价7明 发射检测系统来获取声发射信号，分析在不同条件 基于山东某金属矿山的工业矿体试样，通过对 下的岩石试验结果.试验系统组成结构如图1所 单轴受压岩石破坏的全过程、声发射参数对时间变 示 1.2试样的制备 收稿日期：2007-09-15 作者简介：宋波(1962一)，男，教授博导，博士 根据试验要求，岩石试样材料取自矿山围岩钻
金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究 宋 波1) 李 悦1) 董 鑫2) 王培福2) 1) 北京科技大学土木与环境工程学院, 北京 100083 2) 山东招金集团公司, 山东 招远 265400 摘 要 针对金属矿山特有的地理地质条件, 开展相应岩石声发射试验, 确定矿区矿体围岩的时间序列特征, 获得岩石破裂 冒落声发射参数的危险临界值, 并深入研究形成该种声发射信号的破裂机制和破坏特征.然后分别对较均质岩石试样和含有 结构弱面的岩石试件进行比较试验, 总结弱面裂隙影响下的岩石试件产生声发射信号的规律.利用基于离散单元法的颗粒元 程序进行含裂隙岩石试样数值模拟研究, 通过降低接触面刚度来模拟岩石内部的损伤, 通过不同的模拟条件来研究岩石的破 坏情况.研究成果将为分析损伤岩体的声发射规律开辟一条新的研究途径. 关键词 矿山监测;声发射;时间序列;岩石损伤;颗粒元模拟 分类号 TD76 收稿日期:2007-09-15 作者简介:宋波( 1962—) , 男, 教授, 博导, 博士 目前, 声发射监测技术已在我国的金属矿山中 有了较广泛的应用.矿山巷道冒顶片帮的发生必然 经历岩石裂缝的开裂和发展过程, 最后达到失稳的 状态.在这个过程中就会产生岩石声发射, 如果能 监测这些声信号的变化并加以研究和总结就能及时 的对冒顶片帮进行预警预测[ 1] .但什么样的声发射 信号对应着岩石的破坏开展, 怎么针对不同岩性和 水文地质条件来确定岩石冒顶前兆的临界值是灾害 预测的关键问题 . 秦四清 [ 2] 等人对岩石的声发射进行了大量的 研究, 包括岩石的凯塞效应、岩石声发射的空间分析 特征以及岩石断裂过程中的声发射特征 .李银平[ 3] 等采用含预制裂隙大理岩块试件对压剪应力场中试 件破坏过程声发射特征进行研究 .陈忠辉等[ 4] 对三 维应力状态下岩石快速加卸载围压对声发射的影响 进行了理论探讨 .My er 等研究了多孔岩石在不同 压缩应力下的变形破坏特征, 指出张性微裂纹的扩 展是引起岩石产生非线性变形的重要原因. 由于相关文献[ 5-6] 对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 系尚研究得不多, 并且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[ 7-9] . 基于山东某金属矿山的工业矿体试样, 通过对 单轴受压岩石破坏的全过程、声发射参数对时间变 化的特征进行试验研究 .考虑含裂隙岩体信号突变 的影响, 研究了岩石试验破裂后期残余承载时段声 发射信号, 以确定矿体 、围岩体的物理力学性质和声 发射规律, 力图寻找岩石破坏过程的声发射参数的 时序变化特性.利用颗粒元程序对含裂隙岩石试样 的物理力学性质进行研究, 利用较低刚度的接触刚 度模型面来模拟岩石内部的损伤, 通过不同的模拟 条件来研究岩石的破坏情况 .以期为岩石声发射监 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. 1 岩体声发射时间序列特征的试验 研究 首先确定岩石试样的受力与变形之间的关系. 岩石在荷载作用下会产生弹性变形和塑性变形.在 破坏前的变形性质可以通过测定其应力与应变的关 系体现.在确定岩石试样的变形发展的过程中, 确 定声发射信号的主要频率范围, 采用适宜的采集探 头研究岩石变形过程中声发射信号特征. 1.1 试验系统组成 为了获得金属矿山工业矿体及其围岩受荷载破 坏的声发射信号时间序列发展趋势和破坏临界值, 了解岩石试样在受力过程中裂纹的发展规律, 在对 不同岩石试验的单轴压缩过程中, 引入了 AE21C 声 发射检测系统来获取声发射信号, 分析在不同条件 下的岩石试验结果.试验系统组成结构如图 1 所 示 . 1.2 试样的制备 根据试验要求, 岩石试样材料取自矿山围岩钻 第 29 卷 增刊 2 2007 年 12 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol.29 Suppl.2 Dec.2007 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2007.s2.061
。80 北京科技大学学报 2007年增刊2 的.基本上能率低于一个范围，在650s之前间歇发 压力机 生. 一声发射传感器 声发射仪 计算机 口用 网 应变仪 图1声发射检测系统试验装置 200400600800100012001400 时间s 探的岩芯和较大块体的矿体，分为较均质无裂隙岩 石和含杂质含弱面岩石.根据标准试样的要求，分 图4矿体岩石试件应力随时间的变化 别加工成圆柱形样品（见图2）.其主要力学参数如 在连续加载条件下，岩石的声发射次数与施加 表1所示. 的应力有以下特点：当应力较小时声发射频率和能 量较小，主要为岩石内原生裂纹的受压闭合阶段和 弹性变形阶段.该阶段视为稳定期，岩体处于稳定 状态，声发射事件率及能率在较低范围内波动.块 矿中事件率、能率一般小于某测定值.事件变化率 与能量变化率在该期间变化不大，数值增减较小. 从全程声发射振铃计数率图5中可以看出，在 图2岩石试样 550s至650s期间，声发射信号开始密集，时间分布 表1矿体岩石力学参数表 弹性模体积模剪切模密度/黏摩擦内聚抗拉强泊松 4 量/CPa量/CPa/CPa(gam-)角/（力/MPa度/MPa比 2 70 39 292.87 5530 6015 200400600800100012001400 1.3岩体声发射时间序列特征 时间s 在刚性试验机上，将矿体材料的岩石试样以 300N/s的速率加载，实时观察其应力变化情况，同 图5声发射振铃计数率随时间的变化 时记录声发射信号情况.从声发射振铃计数率随时 相对均匀，有明显的上升趋势，平均能率保持在较低 间的变化图可以看出，当加载时间约220s时，带有 水平.该阶段视为活动期，岩体处于破坏发展阶段， 裂纹的矿体材料开始出现明显声发射信号，图3所 事件率或能率都体现出增加的趋势.在650s之后 示为在176s到281s的声发射振铃计数率局部放大 声发射事件率急剧增加，直至750s出现较大破裂， 图形. 并伴随巨大声响，岩石试样表面出现明显裂纹，这对 500 应于岩石试样的主破裂.分析之前的变化可以得 知，振铃率达到6X10可以初步预测破裂前兆的发 400 生.但是否判断为岩石主破裂前兆还应该考虑能量 300 的变化，声发射能量计数率随时间变化关系如图6 200 所示. 在能量计数率随时间变化图中可以看到，它的 100 变化发展趋势大体上同振铃计数率相同，说明两个 176191206221236251266281296 声发射参量之间具有很好的相关性.但是，局部位 时间/s 置的变化仍有区别. 图3矿体岩石试件声发射振铃计数率的局部放大 以上为矿山工业矿体的声发射信号时间序列特 征，矿体主要为脆性破坏，按照声发射信号发生情况 从该试样应力时间分布图（见图4）得知，此时 主要分为五个阶段，初始微信号产生阶段，扩大发展 声发射信号是矿体内的裂纹在闭合摩擦时所产生 阶段，前兆破坏阶段，主破裂形成信号峰值阶段，破
图 1 声发射检测系统试验装置 探的岩芯和较大块体的矿体, 分为较均质无裂隙岩 石和含杂质含弱面岩石.根据标准试样的要求, 分 别加工成圆柱形样品( 见图 2) .其主要力学参数如 表 1 所示 . 图 2 岩石试样 表 1 矿体岩石力学参数表 弹性模 量/GPa 体积模 量/ GPa 剪切模 量/ GPa 密度/ ( g·cm -3 ) 黏摩擦 角/ (°) 内聚 力/ MPa 抗拉强 度/ MPa 泊松 比 70 39 29 2.87 55 30 6 0.15 1.3 岩体声发射时间序列特征 在刚性试验机上, 将矿体材料的岩石试样以 300 N/ s 的速率加载, 实时观察其应力变化情况, 同 时记录声发射信号情况.从声发射振铃计数率随时 间的变化图可以看出, 当加载时间约 220 s 时, 带有 裂纹的矿体材料开始出现明显声发射信号, 图 3 所 示为在176 s 到 281s 的声发射振铃计数率局部放大 图形 . 图 3 矿体岩石试件声发射振铃计数率的局部放大 从该试样应力-时间分布图( 见图 4) 得知, 此时 声发射信号是矿体内的裂纹在闭合摩擦时所产生 的, 基本上能率低于一个范围, 在 650 s 之前间歇发 生 . 图 4 矿体岩石试件应力随时间的变化 在连续加载条件下, 岩石的声发射次数与施加 的应力有以下特点:当应力较小时声发射频率和能 量较小, 主要为岩石内原生裂纹的受压闭合阶段和 弹性变形阶段.该阶段视为稳定期, 岩体处于稳定 状态, 声发射事件率及能率在较低范围内波动 .块 矿中事件率、能率一般小于某测定值.事件变化率 与能量变化率在该期间变化不大, 数值增减较小 . 从全程声发射振铃计数率图 5 中可以看出, 在 550s 至 650 s 期间, 声发射信号开始密集, 时间分布 图 5 声发射振铃计数率随时间的变化 相对均匀, 有明显的上升趋势, 平均能率保持在较低 水平.该阶段视为活动期, 岩体处于破坏发展阶段, 事件率或能率都体现出增加的趋势.在 650 s 之后 声发射事件率急剧增加, 直至 750 s 出现较大破裂, 并伴随巨大声响, 岩石试样表面出现明显裂纹, 这对 应于岩石试样的主破裂.分析之前的变化可以得 知, 振铃率达到 6 ×10 4 可以初步预测破裂前兆的发 生 .但是否判断为岩石主破裂前兆还应该考虑能量 的变化, 声发射能量计数率随时间变化关系如图 6 所示. 在能量计数率随时间变化图中可以看到, 它的 变化发展趋势大体上同振铃计数率相同, 说明两个 声发射参量之间具有很好的相关性 .但是, 局部位 置的变化仍有区别 . 以上为矿山工业矿体的声发射信号时间序列特 征, 矿体主要为脆性破坏, 按照声发射信号发生情况 主要分为五个阶段, 初始微信号产生阶段, 扩大发展 阶段, 前兆破坏阶段, 主破裂形成信号峰值阶段, 破 · 80 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2
Vol.29 Suppl 2 宋波等：金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究 81。 G 12 计数率的数值表现较高.这是因为试样岩体中包含 较多的裂隙和缺陷，在初始受力阶段便开始了裂纹 8 挤压和闭合，产生较大的声发射信号.这种信号与 鉴 4 岩石破坏时的声发射振铃计数率数值相接近，所以 2 需要进一步分析参数进行辨别. 06 12 200400600800100012001400 时间s 10 8 6 图6声发射能量计数率随时间的变化 坏后粘滑信号振荡阶段.其中，信号产生和发展两 0 200 400 6008001000 个阶段在某些包含裂纹岩石试样的压缩试验中没有 时间s 明显区分，但总体破坏前兆阶段较易辨认，为破坏发 生的预测提供方便. 图8含裂隙试样破坏过程声发射振铃计数率 2裂隙对岩体声发射信号的影响 从图9可以看出，平均能量在试件破裂过程中 的变化是波动的，具有跳跃性.分布范围分为三个 当岩石试样中含有较明显裂隙时，会对岩石的 区段：单次振铃平均能量(102m)为0.2~0.3区 强度造成巨大影响，当试件受压时裂缝首先破裂并 段：03~05区段；平均能量超过0.8区段.其中， 发展，导致岩石强度远远低于实际强度值.在矿山 前两个能量区段的振铃在试件受载破坏的全过程都 采掘面的工业矿体中，有很多岩体由于其本身的地 有分布，而超过08区段的则只有两处. 质构成和爆破冲击波的作用会产生很多裂隙，影响 1.4 了整体岩体的强度，并对监测过程中信号的产生和 1.2 1.0 判别造成了麻烦.为了确保准确预报，必须分析含 0.8 0.6 裂隙岩体破坏过程中声发射信号的特点，提高信号 鉴别能力. 从含裂隙岩石试样的应力一应变关系图（见图 00 400 600 8001000 对间s 7)中可以看出，当含裂隙岩石试样受压强度达到密 实岩石试样的一半时，岩石便发生破裂. 图9含裂隙试样声发射单次振铃平均能量 40 结合含裂隙岩石试样在受压时的破坏过程，认 eW/ 为岩石试样振铃平均能量(102mJ)首先达到0.8 20 区段以上时刻为岩石沿主要裂纹破坏时的平均能 10 量，说明在该阶段释放的主要是平均振幅较大的应 0.05 0.10 0.15 0.20 力波.随后在屈服到完全破坏阶段，平均能量都较 应变/10-2 主要破裂阶段的小，说明在该阶段是小裂隙的开展 和裂隙间摩擦过程，释放的主要是平均振幅较小的 图7含裂隙试样应力应变关系 应力波 以同样速率加载，含裂隙岩石试样是在加载初 在岩石完全丧失承载能力的最后阶段，仍有一 始就产生声发射信号，并且在300s之前声发射振铃 处单次振铃平均能量(102mJ)达到0.8量值区段 计数率就出现较大的峰值，走势包含较多处突发峰 以上，通过不同阶段加载和观察对应阶段岩石破坏 值，在未达到密实岩石破坏的应力强度就产生峰值 情况得知，主破坏后岩石仍然具有残余承载能力和 破坏，说明含裂隙岩石试样的主破裂由其中所包含 产生声发射信号，虽然岩石脆性较大，但由于岩石破 的裂隙强度决定，前期产生声信号为裂隙开展和相 裂面不会完全分离，形成裂隙的两个面间还有摩擦 互摩擦所造成.含裂隙试样破坏声发射振铃计数率 力和剪切力作用.最后的峰值单次振铃能量就是岩 如图8所示. 石试样在其裂纹处产生主要剪切破坏，此时，岩石试 对于含裂隙岩体试样，在低应力区，声发射振铃 件完全丧失了承载能力
图 6 声发射能量计数率随时间的变化 坏后粘滑信号振荡阶段.其中, 信号产生和发展两 个阶段在某些包含裂纹岩石试样的压缩试验中没有 明显区分, 但总体破坏前兆阶段较易辨认, 为破坏发 生的预测提供方便. 2 裂隙对岩体声发射信号的影响 当岩石试样中含有较明显裂隙时, 会对岩石的 强度造成巨大影响, 当试件受压时裂缝首先破裂并 发展, 导致岩石强度远远低于实际强度值.在矿山 采掘面的工业矿体中, 有很多岩体由于其本身的地 质构成和爆破冲击波的作用会产生很多裂隙, 影响 了整体岩体的强度, 并对监测过程中信号的产生和 判别造成了麻烦.为了确保准确预报, 必须分析含 裂隙岩体破坏过程中声发射信号的特点, 提高信号 鉴别能力 . 从含裂隙岩石试样的应力-应变关系图( 见图 7) 中可以看出, 当含裂隙岩石试样受压强度达到密 实岩石试样的一半时, 岩石便发生破裂 . 图 7 含裂隙试样应力-应变关系 以同样速率加载, 含裂隙岩石试样是在加载初 始就产生声发射信号, 并且在 300 s 之前声发射振铃 计数率就出现较大的峰值, 走势包含较多处突发峰 值, 在未达到密实岩石破坏的应力强度就产生峰值 破坏, 说明含裂隙岩石试样的主破裂由其中所包含 的裂隙强度决定, 前期产生声信号为裂隙开展和相 互摩擦所造成.含裂隙试样破坏声发射振铃计数率 如图 8 所示. 对于含裂隙岩体试样, 在低应力区, 声发射振铃 计数率的数值表现较高 .这是因为试样岩体中包含 较多的裂隙和缺陷, 在初始受力阶段便开始了裂纹 挤压和闭合, 产生较大的声发射信号.这种信号与 岩石破坏时的声发射振铃计数率数值相接近, 所以 需要进一步分析参数进行辨别. 图 8 含裂隙试样破坏过程声发射振铃计数率 从图 9 可以看出, 平均能量在试件破裂过程中 的变化是波动的, 具有跳跃性.分布范围分为三个 区段 :单次振铃平均能量( 10 -2 mJ) 为 0.2 ～ 0.3 区 段 ;0.3 ～ 0.5 区段;平均能量超过 0.8 区段 .其中, 前两个能量区段的振铃在试件受载破坏的全过程都 有分布, 而超过 0.8 区段的则只有两处. 图 9 含裂隙试样声发射单次振铃平均能量 结合含裂隙岩石试样在受压时的破坏过程, 认 为岩石试样振铃平均能量( 10 -2 mJ) 首先达到 0.8 区段以上时刻为岩石沿主要裂纹破坏时的平均能 量, 说明在该阶段释放的主要是平均振幅较大的应 力波 .随后在屈服到完全破坏阶段, 平均能量都较 主要破裂阶段的小, 说明在该阶段是小裂隙的开展 和裂隙间摩擦过程, 释放的主要是平均振幅较小的 应力波 . 在岩石完全丧失承载能力的最后阶段, 仍有一 处单次振铃平均能量( 10 -2 mJ) 达到 0.8 量值区段 以上, 通过不同阶段加载和观察对应阶段岩石破坏 情况得知, 主破坏后岩石仍然具有残余承载能力和 产生声发射信号, 虽然岩石脆性较大, 但由于岩石破 裂面不会完全分离, 形成裂隙的两个面间还有摩擦 力和剪切力作用, 最后的峰值单次振铃能量就是岩 石试样在其裂纹处产生主要剪切破坏, 此时, 岩石试 件完全丧失了承载能力 . Vol.29 Suppl.2 宋 波等:金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究 · 81 ·
。82 北京科技大学学报 2007年增刊2 3数值模拟在含裂隙岩体破坏过程中 平稳的阶段 的应用 采用基于离散元的颗粒流程序P℉C2D来进行 矿山采掘面岩石试样的数值模拟分析，定义岩石试 样尺寸为实际尺寸，边界用Wall单元来代替，使用 有限实际边界.总共定义4道墙体，其包围的矩形 图12剪切裂纹模拟岩石试样裂隙发展 面积为50mm×100mm的岩石试样轴向剖面（见图 10).首先计算连续性介质模型，跟据试验数据拟和 剪切裂纹模拟岩石试样颗粒位移如图13所示， 调试模型使其满足现实宏观变形发展情况，然后在 它分别表示的是初始加载阶段，主破裂发生前阶段 此基础上引入非线性损伤构造，研究其力学性质的 主破裂发生后阶段，残余承载阶段的颗粒位移图. 改变和变形的发展情况. 从图中可以直观的发现，模拟试样在初期和主破裂 发生前位移规律并不明显，主破裂后颗粒主要在破 裂面进行相对移动，残余承载阶段的移动趋势更加 明显.说明模拟岩石试样在很短的时间内发生了脆 性破坏 图10数值模型 3.1切向软弱面破坏模拟 通过改变模型内颗粒段的性质达到加入软弱面 图13剪切裂纹模拟岩石试样颗粒位移 的效果，图11表示的是含剪切裂纹模拟岩石试样模 根据图14所示，当模拟岩石试样发生主破裂 型图. 时，其峰值强度为60MPa,对比不含剪切软弱面的 试样峰值强度109MPa减弱了近45%的承载能力. 说明包含切向裂隙的岩石试样较容易发生破坏，在 监测中应重点考虑 6 5 4 3 2 图11剪切裂纹模拟岩石试样模型 0020.40.60.81.012141.61.82.02.2 为了研究剪切裂纹岩石试样模型的破坏情况和 应变10-2 声发射发生情况，对模拟试样发生的破坏处进行记 录.在程序中利用cak模块来实现裂缝发生定位 图14剪切裂纹模拟岩石试样应力应变曲线 和记录，每个断开的连接认为是一个声发射信号. 3.2轴向软弱面破坏模拟 从图12中的破坏发生点可以看出，连接刚度模 考虑到不同裂纹对岩石受力性能的影响，引入 型的破坏形式大多为剪切破坏，由于裂缝的存在使 包含轴向裂隙的模拟岩石试样，根据实际岩石试样 岩石较大部分的竖向压力形成了薄弱面的剪切力， 的裂纹情况，在密实岩石试件的基本模型基础上，在 导致薄弱面的大部分连接产生了剪切破坏.模拟岩 (0.01,0点和(0.04,0.1)之间生成一个轴向的裂 石试样发生主破坏后，由于岩石试样颗粒间的摩擦 纹 作用在剪切面仍然会有破坏点产生，但处于一个较 考虑到模型颗粒的大小，在模型中引入的软弱
3 数值模拟在含裂隙岩体破坏过程中 的应用 采用基于离散元的颗粒流程序 PFC2D 来进行 矿山采掘面岩石试样的数值模拟分析, 定义岩石试 样尺寸为实际尺寸, 边界用 Wall 单元来代替, 使用 有限实际边界.总共定义 4 道墙体, 其包围的矩形 面积为 50 mm ×100 mm 的岩石试样轴向剖面( 见图 10) .首先计算连续性介质模型, 跟据试验数据拟和 调试模型使其满足现实宏观变形发展情况, 然后在 此基础上引入非线性损伤构造, 研究其力学性质的 改变和变形的发展情况. 图 10 数值模型 3.1 切向软弱面破坏模拟 通过改变模型内颗粒段的性质达到加入软弱面 的效果, 图 11 表示的是含剪切裂纹模拟岩石试样模 型图 . 图 11 剪切裂纹模拟岩石试样模型 为了研究剪切裂纹岩石试样模型的破坏情况和 声发射发生情况, 对模拟试样发生的破坏处进行记 录.在程序中利用 crack 模块来实现裂缝发生定位 和记录, 每个断开的连接认为是一个声发射信号. 从图 12 中的破坏发生点可以看出, 连接刚度模 型的破坏形式大多为剪切破坏, 由于裂缝的存在使 岩石较大部分的竖向压力形成了薄弱面的剪切力, 导致薄弱面的大部分连接产生了剪切破坏.模拟岩 石试样发生主破坏后, 由于岩石试样颗粒间的摩擦 作用在剪切面仍然会有破坏点产生, 但处于一个较 平稳的阶段 . 图 12 剪切裂纹模拟岩石试样裂隙发展 剪切裂纹模拟岩石试样颗粒位移如图 13 所示, 它分别表示的是初始加载阶段, 主破裂发生前阶段, 主破裂发生后阶段, 残余承载阶段的颗粒位移图. 从图中可以直观的发现, 模拟试样在初期和主破裂 发生前位移规律并不明显, 主破裂后颗粒主要在破 裂面进行相对移动, 残余承载阶段的移动趋势更加 明显.说明模拟岩石试样在很短的时间内发生了脆 性破坏 . 图 13 剪切裂纹模拟岩石试样颗粒位移 根据图 14 所示, 当模拟岩石试样发生主破裂 时, 其峰值强度为 60 M Pa, 对比不含剪切软弱面的 试样峰值强度 109 M Pa 减弱了近 45 %的承载能力. 说明包含切向裂隙的岩石试样较容易发生破坏, 在 监测中应重点考虑 . 图 14 剪切裂纹模拟岩石试样应力-应变曲线 3.2 轴向软弱面破坏模拟 考虑到不同裂纹对岩石受力性能的影响, 引入 包含轴向裂隙的模拟岩石试样, 根据实际岩石试样 的裂纹情况, 在密实岩石试件的基本模型基础上, 在 ( 0.01, 0) 点和( 0.04, 0.1) 之间生成一个轴向的裂 纹 . 考虑到模型颗粒的大小, 在模型中引入的软弱 · 82 · 北 京 科 技 大 学 学 报 2007 年 增刊 2
Vol.29 Suppl 2 宋波等：金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究 83。 面宽度定义为08×103m,如图15所示，为与其 为复杂，当薄弱面的强度条件对岩石破裂角的剪切 他颗粒相区别，在图中显示颜色为白色，此时岩石试 强度影响不大时，其破坏形式与密实不含裂隙岩石 样内部颗粒处于平衡状态，没有发生破坏. 的主破裂情况相差不多时，它的区别在于破坏后期 声发射信号更加复杂，破坏点较多分布在岩石破裂 角和薄弱面区域. 根据不同裂隙方向的数值岩石试样的模拟分 析，发现在同样的基本模型前提下，剪切方向薄弱面 试样内部破坏情况以剪切破坏为主，力学性能较差. 而包含轴向薄弱面的岩石试样内部破坏前期同密实 岩石近似相同，后期分别沿破坏角和薄弱面破坏，体 现出较为复杂的破坏形态. 4 结论 图15含轴向裂纹模拟岩石试样 ()矿山工业矿体破坏类型主要为脆性破坏， 含轴向裂纹模拟岩石试样模型生成并达到内部 按照声发射信号发生情况主要分为五个阶段，初始 平衡后，就对模拟试样进行单轴压缩试验，记录应力 微信号产生阶段，扩大发展阶段，前兆破坏阶段，主 一应变关系如图16所示. 破裂形成信号峰值阶段，破坏后粘滑信号振荡阶段 其中，信号产生和发展两个阶段在某些包含裂纹岩 石试样的压缩试验中没有明显区分，但总体破坏前 兆阶段较易辨认.为破坏发生的预测提供方便 (2)含裂隙岩体受压破坏大体可细分为四个阶 段，岩石内部裂纹开始初步扩张或萌生时，平均每次 声发射释放的能量较小，属裂隙压密阶段：岩石内部 00.20.40.60.81.0121.41.61.82.02.2 新裂纹大量出现阶段，对应于岩石试样初始主破裂 应变/10-2 发生，平均每次声发射释放的能量最大：岩石破裂后 残余承载阶段，此时平均声发射释放能量低于主破 图16含轴向裂纹模拟岩石试样应力一应变曲线 裂，高于初始阶段，是较多裂缝开展摩擦，岩石大范 从图17中可以看到，虽然沿薄弱面产生了很多 围破裂阶段：在岩石完全丧失承载能力，无法稳压而 破坏点，但含轴向裂隙的模拟岩石试样仍然同密实 完全破坏阶段主要是沿已经成形的剪切破坏面的滑 岩石试样一样，破坏点较多分布在岩石破裂角方向. 动，在此过程中滑动面上的剪切力会切断突出的岩 之后岩石试样继续加载，此时沿薄弱面发生大量的 石相交错部分，平均每次声发射的能量也较大. 破坏点，并且很多为剪切连接破坏.结合颗粒位移 (3)引入单次振铃的平均能量来进行声发射信 趋势图可以看出，试样内的颗粒位移表现较复杂，初 号辨别，证明平均能量参数可以在含裂隙岩体岩石 期主要沿着岩石破裂角方向移动，加载后期则分别 复杂声发射信号中起到鉴别作用 沿岩石破裂角和薄弱面移动.从图中破坏类型可以 (4)通过模拟岩石试样的轴向压缩来分析试样 看出，此阶段破坏类型主要为法向连接破坏而非剪 的破坏情况和力学性能，得出声发射模拟结果的变 切破坏 化趋势与实际岩石试样的声发射变化趋势基本一 致，分为四个变化阶段，即：初始区、前兆区，破坏区 和残余区.通过对包含裂隙的数值岩石试样进行模 拟试验分析，得知裂隙走向和试样内部破坏有很大 关系，沿剪切方向的薄弱面会对岩石试样的强度造 成很大影响，是监测过程中需要重点考虑的部分， 沿轴向方向的薄弱面岩石试样内部破坏情况较为复 图17 含轴向裂纹模拟岩石试样裂隙发展 杂，前期同密实岩石近似相同，后期分别沿破坏角和 综上可以得出，含轴向裂隙岩石试样的破坏较 薄弱面破坏
面宽度定义为 0.8 ×10 -3 m, 如图 15 所示, 为与其 他颗粒相区别, 在图中显示颜色为白色, 此时岩石试 样内部颗粒处于平衡状态, 没有发生破坏. 图 15 含轴向裂纹模拟岩石试样 含轴向裂纹模拟岩石试样模型生成并达到内部 平衡后, 就对模拟试样进行单轴压缩试验, 记录应力 -应变关系如图 16 所示. 图 16 含轴向裂纹模拟岩石试样应力-应变曲线 从图 17 中可以看到, 虽然沿薄弱面产生了很多 破坏点, 但含轴向裂隙的模拟岩石试样仍然同密实 岩石试样一样, 破坏点较多分布在岩石破裂角方向 . 之后岩石试样继续加载, 此时沿薄弱面发生大量的 破坏点, 并且很多为剪切连接破坏 .结合颗粒位移 趋势图可以看出, 试样内的颗粒位移表现较复杂, 初 期主要沿着岩石破裂角方向移动, 加载后期则分别 沿岩石破裂角和薄弱面移动.从图中破坏类型可以 看出, 此阶段破坏类型主要为法向连接破坏而非剪 切破坏. 图 17 含轴向裂纹模拟岩石试样裂隙发展 综上可以得出, 含轴向裂隙岩石试样的破坏较 为复杂, 当薄弱面的强度条件对岩石破裂角的剪切 强度影响不大时, 其破坏形式与密实不含裂隙岩石 的主破裂情况相差不多时, 它的区别在于破坏后期 声发射信号更加复杂, 破坏点较多分布在岩石破裂 角和薄弱面区域. 根据不同裂隙方向的数值岩石试样的模拟分 析, 发现在同样的基本模型前提下, 剪切方向薄弱面 试样内部破坏情况以剪切破坏为主, 力学性能较差. 而包含轴向薄弱面的岩石试样内部破坏前期同密实 岩石近似相同, 后期分别沿破坏角和薄弱面破坏, 体 现出较为复杂的破坏形态. 4 结论 ( 1) 矿山工业矿体破坏类型主要为脆性破坏, 按照声发射信号发生情况主要分为五个阶段, 初始 微信号产生阶段, 扩大发展阶段, 前兆破坏阶段, 主 破裂形成信号峰值阶段, 破坏后粘滑信号振荡阶段. 其中, 信号产生和发展两个阶段在某些包含裂纹岩 石试样的压缩试验中没有明显区分, 但总体破坏前 兆阶段较易辨认, 为破坏发生的预测提供方便. ( 2) 含裂隙岩体受压破坏大体可细分为四个阶 段, 岩石内部裂纹开始初步扩张或萌生时, 平均每次 声发射释放的能量较小, 属裂隙压密阶段 ;岩石内部 新裂纹大量出现阶段, 对应于岩石试样初始主破裂 发生, 平均每次声发射释放的能量最大;岩石破裂后 残余承载阶段, 此时平均声发射释放能量低于主破 裂, 高于初始阶段, 是较多裂缝开展摩擦, 岩石大范 围破裂阶段 ;在岩石完全丧失承载能力, 无法稳压而 完全破坏阶段主要是沿已经成形的剪切破坏面的滑 动, 在此过程中滑动面上的剪切力会切断突出的岩 石相交错部分, 平均每次声发射的能量也较大. ( 3) 引入单次振铃的平均能量来进行声发射信 号辨别, 证明平均能量参数可以在含裂隙岩体岩石 复杂声发射信号中起到鉴别作用 . ( 4) 通过模拟岩石试样的轴向压缩来分析试样 的破坏情况和力学性能, 得出声发射模拟结果的变 化趋势与实际岩石试样的声发射变化趋势基本一 致, 分为四个变化阶段, 即 :初始区、前兆区, 破坏区 和残余区.通过对包含裂隙的数值岩石试样进行模 拟试验分析, 得知裂隙走向和试样内部破坏有很大 关系, 沿剪切方向的薄弱面会对岩石试样的强度造 成很大影响, 是监测过程中需要重点考虑的部分. 沿轴向方向的薄弱面岩石试样内部破坏情况较为复 杂, 前期同密实岩石近似相同, 后期分别沿破坏角和 薄弱面破坏 . Vol.29 Suppl.2 宋 波等:金属矿山岩体声发射时间序列特征的试验和模拟研究 · 83 ·