《工程科学学报》录用稿，htps:/doi.org/10.13374/i,issn2095-9389.2021.01.16.005©北京科技大学2020 工程科学学报DO: 张拉作用下岩石破裂的声发射特性及P波初动极 性研究 刘希灵☒，刘清林)，杜坤)，李夕兵”，谢秦) 1)中南大学资源与安全工程学院，长沙400083 ☒通信作者，E-mail:Ixlenglish@163.com 版稿 摘要为深入探讨岩石在张拉作用下破裂的声发射特性，设计了一种膨胀剂史张破裂的声发射实验，详细分析了花 岗岩、大理岩和红砂岩声发射信号的特征参数及P波初动极性。实验结果表明：声发射信号的累积计数和能量在三种 岩石试样宏观开裂时均呈指数增长：花岗岩、大理岩和红纱岩试样有发射信号的中心频率分别主要集中在100-300 kHz、200-400kHz、200-500kHz之间：花岗岩低频率事件最多， 理岩高频率事件占比较多，而红砂岩高频事 件占比最多，三种岩样膨胀力荷载后期低中心频率声发射信增，说明大尺度破裂增加：三种岩样声发射信号的 RA主要集中在0-1.9之间，大理岩和红砂岩AF值史要集中在50-100kHz之间，花岗岩AF值主要集中在200- 25OkHz之间，RA-AF的分布特性表明，实验中岩样要以张拉破坏为主：通过P波初动极性分析法，获得各岩样 声发射信号的初动极性，结果显示，花岗岩、大理岩和红砂岩分别有77.82%、79.5%和87.42%的T型破裂源，花岗岩、 大理岩几乎不产生S-型破裂源，而红砂岩因为天然节理裂隙较多，有9.93%的S-型破裂源。RA-AF分布分析和p波 初动极性分析都是统计分析法，可以定性描述岩石破裂类型。 关键词膨胀剂：声发射：中心频率 RA近分布：P波初动 分类号TD315 Research on acoustic emission features and P-wave first motion polarity of tensile fractures in rock LIU Xi-ling回，LIU Qing-lin,DU Kun,L1Xi-bing”,XIE Qin' 1)School of Resources and Safety Engineering,Central South University,Changsha,400083,China Corresponding author,E-mail:Ixlenglish@163.com ABSTRACT In order to investigate the Acoustic Emission (AE)characteristics of tensile fracture in rock,an AE experiment of granite,marble and red sandstone which using expanding agent for fracture generation was designed.The characteristic parameters of AE signals and the P-wave first motion polarity were analyzed in detail.The results show that the cumulative count and energy of AE signal increase exponentially when macroscopic failure occurs in all three kinds of rock samples.The
工程科学学报 DOI: 张拉作用下岩石破裂的声发射特性及 P 波初动极 性研究 刘希灵 1) ，刘清林 1)，杜坤 1)，李夕兵 1)，谢秦 1) 1) 中南大学资源与安全工程学院，长沙 400083 通信作者，E-mail: lxlenglish@163.com 摘 要 为深入探讨岩石在张拉作用下破裂的声发射特性，设计了一种膨胀剂扩张破裂的声发射实验，详细分析了花 岗岩、大理岩和红砂岩声发射信号的特征参数及 P 波初动极性。实验结果表明：声发射信号的累积计数和能量在三种 岩石试样宏观开裂时均呈指数增长；花岗岩、大理岩和红纱岩试样声发射信号的中心频率分别主要集中在 100-300 kHz、200-400 kHz、200-500 kHz 之间；花岗岩低频率事件占比最多，大理岩高频率事件占比较多，而红砂岩高频事 件占比最多， 三种岩样膨胀力荷载后期低中心频率声发射信号增多，说明大尺度破裂增加；三种岩样声发射信号的 RA 主要集中在 0-1.9 之间，大理岩和红砂岩 AF 值主要集中在 50-100kHz 之间，花岗岩 AF 值主要集中在 200- 250kHz 之间，RA-AF 的分布特性表明，实验中岩样主要以张拉破坏为主；通过 P 波初动极性分析法，获得各岩样 声发射信号的初动极性，结果显示，花岗岩、大理岩和红砂岩分别有 77.82%、79.5%和 87.42%的 T-型破裂源，花岗岩、 大理岩几乎不产生 S-型破裂源，而红砂岩因为天然节理裂隙较多，有 9.93%的 S-型破裂源。RA-AF 分布分析和 p 波 初动极性分析都是统计分析法，可以定性描述岩石破裂类型。 关键词 膨胀剂；声发射；中心频率；RA-AF 分布；P 波初动 分类号 TD315 Research on acoustic emission features and P-wave first motion polarity of tensile fractures in rock LIU Xi-ling1) , LIU Qing-lin1) , DU Kun1) , LI Xi-bing 1) , XIE Qin1) 1) School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha, 400083, China Corresponding author, E-mail: lxlenglish@163.com ABSTRACT In order to investigate the Acoustic Emission (AE) characteristics of tensile fracture in rock, an AE experiment of granite, marble and red sandstone which using expanding agent for fracture generation was designed. The characteristic parameters of AE signals and the P-wave first motion polarity were analyzed in detail. The results show that the cumulative count and energy of AE signal increase exponentially when macroscopic failure occurs in all three kinds of rock samples. The 《工程科学学报》录用稿，https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.01.16.005 ©北京科技大学 2020 录用稿件，非最终出版稿
centroid frequency of AE signals of granite samples mainly concentrate between 100-300 kHz,and that of marble samples mainly concentrate between 200-400 kHz,while that of red sandstone samples mainly concentrate between 200-500 kHz,and the proportion of high centroid frequency events in red sandstone test is the highest,followed by marble and granite,and as the centroid frequency of AE signal in all three kinds of rocks changed with the time of expander action, 收稿日期：2021-01-01 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41630642；51774326) more AE signals with low centroid frequency appeared in the late loading period,indicating the increase of large-scale fracture in the late loading period.The RA values of AE signals of the three rock samples mainly concentrates between 0 and 1.9,AF values of marble and red sandstone mainly concentrate between 50kHz and 100kHz,and AF values of granite mainly concentratebetween 200kHz and 250kHz.The distribution characteristics of RA-AF indicate that the tensile failure dominates the cracking process in such experiment.The P-wave first-motion polarity analysis method was used to obtain the first- motion polarity of AE signals of each rock sample.The results showed that there have 77.82%, 79.5%and87.42%T-type crackles in granite,marble and red sandstone respectively,and almost have no S-type crackles in granite and marble.while there have 9.93%S-type crackles in red sandstone.Both the analysis of RA-AF distribution and P-wave first-motion polarity are statistical analysis methods,which can qualitatively analyze the type of rock fracture. KEY WORDS expanding agent;acoustic emission;centroid frequency;RA-AF distribution;P-wave first motion polarity. 随着矿产资源开采活动日渐趋向深部，矿产采过程中岩体的稳定性也越来越受到人们的关注 而岩石破裂状况监测是岩体稳定性评估的最重要手对于岩石的破裂状况监测需要对断裂机理有 深入的认识。通常情况下，岩石材料在受力后，会产生张拉、直剪和扭剪三种破裂模式山，而I型张 拉破坏是岩石破裂的主要类型，这在很多学者的研究中得到了共识。因此，对于岩石张拉破坏特 性的研究不仅有助于深入认识岩石的断裂机理(，刀，还可以为工程现场岩体的稳定性监测提供理论 依据。很多学者对岩石的张拉破裂特性开展了研究⑧，而声发射技术作为一种有效的破裂监测手段， 常被用来作为一种辅助手段对岩石的断裂特性进行研究，并且大量的研究表明，地震前震序列的机 制可以通过室内岩石声发射实验中观察到的微破裂活动得到再现1)。 在岩石破裂的声发射监测中，Aggelisa等u通过分析声发射信号的RA与AF参数，研究了大 理岩试样在三点弯曲破坏下的破裂机制：Nejati等基于RA与AF值指标，研究了巴西劈裂试验过 程中加载速率对破裂机制的影响：刘希灵通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验，结合扫 描电镜进行破裂面微观形貌分析，探讨了劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制的关系；谢秦 [采用分离式霍普釜森压杆(SHPB)装置和NSTRON1346伺服试验机在纯I型加载条件下对巴西圆 盘(CSTBD)直穿裂缝页岩试样进行了测试，基于声发射信号的分析结果，探讨了页岩断裂韧性和裂 纹扩展速度随加载速率变化的断裂机理。杜坤2通过巴西间接拉伸试验和三点弯曲岩石试验，研究 了岩石断裂过程中的声发射特征和裂纹类型，试验结果表明，根据声发射计数和能量特征参数的变 化趋势，岩石破裂过程表现出明显的分段变化特征，并存在明显的增长期，岩石的声发射特征与岩 石破裂过程中产生的微裂纹类型密切相关。同时，也有学者开展了不同应变率下岩石破裂的声发射 特性研究，通过分析声发射信号特征参数得到随着应变率的升高，岩样中拉伸破裂占比增加1，。 以往学者所做的岩石力学实验多采用常规机械加载方式，在这些实验研究中声发射作为一种有效的 分析岩石断裂机理的手段，常被用来检测裂纹从萌生到扩展再到宏观破裂产生的弹性波信号，进而 通过揭示岩石破裂损伤机理。 在常规的张拉声发射实验中，由于加载设备的影响，传感器会收到很多非破裂信号，如果用定 位的方法来确定破裂信号，则会损失很多小幅值的信号，这对通过声发射数据分析破裂特性会产生
centroid frequency of AE signals of granite samples mainly concentrate between 100-300 kHz, and that of marble samples mainly concentrate between 200-400 kHz, while that of red sandstone samples mainly concentrate between 200-500 kHz, and the proportion of high centroid frequency events in red sandstone test is the highest, followed by marble and granite, and as the centroid frequency of AE signal in all three kinds of rocks changed with the time of expander action, 收稿日期:2021-01-01 基金项目: 国家自然科学基金资助项目(41630642; 51774326). more AE signals with low centroid frequency appeared in the late loading period, indicating the increase of large-scale fracture in the late loading period. The RA values of AE signals of the three rock samples mainly concentrates between 0 and 1.9, AF values of marble and red sandstone mainly concentrate between 50kHz and 100kHz, and AF values of granite mainly concentratebetween 200kHz and 250kHz. The distribution characteristics of RA-AF indicate that the tensile failure dominates the cracking process in such experiment. The P-wave first-motion polarity analysis method was used to obtain the firstmotion polarity of AE signals of each rock sample. The results showed that there have 77.82%, 79.5% and 87.42% T-type crackles in granite, marble and red sandstone respectively, and almost have no S-type crackles in granite and marble, while there have 9.93% S-type crackles in red sandstone. Both the analysis of RA-AF distribution and P-wave first-motion polarity are statistical analysis methods, which can qualitatively analyze the type of rock fracture. KEY WORDS expanding agent; acoustic emission; centroid frequency; RA-AF distribution; P-wave first motion polarity. 随着矿产资源开采活动日渐趋向深部，矿产开采过程中岩体的稳定性也越来越受到人们的关注 而岩石破裂状况监测是岩体稳定性评估的最重要手段，对于岩石的破裂状况监测需要对断裂机理有 深入的认识。通常情况下，岩石材料在受力后，会产生张拉、直剪和扭剪三种破裂模式[1]，而Ⅰ型张 拉破坏是岩石破裂的主要类型，这在很多学者的研究中得到了共识[2-5]。因此，对于岩石张拉破坏特 性的研究不仅有助于深入认识岩石的断裂机理[6, 7]，还可以为工程现场岩体的稳定性监测提供理论 依据。很多学者对岩石的张拉破裂特性开展了研究[8-10]，而声发射技术作为一种有效的破裂监测手段， 常被用来作为一种辅助手段对岩石的断裂特性进行研究，并且大量的研究表明，地震前震序列的机 制可以通过室内岩石声发射实验中观察到的微破裂活动得到再现[11-15]。 在岩石破裂的声发射监测中，Aggelisa 等[16]通过分析声发射信号的 RA 与 AF 参数，研究了大 理岩试样在三点弯曲破坏下的破裂机制；Nejati 等[17]基于 RA 与 AF 值指标，研究了巴西劈裂试验过 程中加载速率对破裂机制的影响；刘希灵[18]通过开展花岗岩和大理岩巴西圆盘声发射试验，结合扫 描电镜进行破裂面微观形貌分析，探讨了劈裂荷载下岩石声发射特性与微观破裂机制的关系；谢秦 [19]采用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置和 INSTRON1346 伺服试验机在纯 I 型加载条件下对巴西圆 盘(CSTBD)直穿裂缝页岩试样进行了测试，基于声发射信号的分析结果，探讨了页岩断裂韧性和裂 纹扩展速度随加载速率变化的断裂机理。杜坤[20]通过巴西间接拉伸试验和三点弯曲岩石试验，研究 了岩石断裂过程中的声发射特征和裂纹类型，试验结果表明，根据声发射计数和能量特征参数的变 化趋势，岩石破裂过程表现出明显的分段变化特征，并存在明显的增长期，岩石的声发射特征与岩 石破裂过程中产生的微裂纹类型密切相关。同时，也有学者开展了不同应变率下岩石破裂的声发射 特性研究，通过分析声发射信号特征参数得到随着应变率的升高，岩样中拉伸破裂占比增加[21, 22]。 以往学者所做的岩石力学实验多采用常规机械加载方式，在这些实验研究中声发射作为一种有效的 分析岩石断裂机理的手段，常被用来检测裂纹从萌生到扩展再到宏观破裂产生的弹性波信号，进而 通过揭示岩石破裂损伤机理。 在常规的张拉声发射实验中，由于加载设备的影响，传感器会收到很多非破裂信号，如果用定 位的方法来确定破裂信号，则会损失很多小幅值的信号，这对通过声发射数据分析破裂特性会产生 录用稿件，非最终出版稿
较大的影响。基于此本文设计了一种膨胀剂扩张的岩石声发射实验，详细研究岩石在张拉作用下破 裂的声发射特性。该实验设计的目的是确保传感器收集的声发射信号都是由岩石试样的破裂产生的， 而不依赖于定位来识别有效的破裂信号。进而通过分析张拉破裂下声发射信号的特征参数，深入认 识张拉破裂产生的弹性波信号的特征，同时也为深部开采岩体稳定性的微震以及声发射监控提供理 论支撑。 1实验设计 本次实验选取花岗岩、大理石、砂岩三种岩石类型各一块作为研究对象，均制成为105mm×105 mm×105mm正方体试样如图1所示。三种岩石的矿物成分分别是花岗岩含有石英、斜长石、钾长石 和少量黑云母，大理石主要由方解石和白云石，砂岩的主要矿物组成是石英，三种岩石不管是在岩 石的成因、颗粒组成以及节理裂隙发育方面都可以作为研究岩石声发射特性的伏表岩样。实验方案如 图2所示，声发射监测采用PCI-2采集系统，相关参数设置见表1。按照图2粘贴嫁应变片和声发射 传感器（压电式声发射传感器Nano30,带宽125-750kHz,谐振频为140kH2并将相应设备与采集系 统连接后，在采集系统采集声发射数据之前，需要做几组断铅实验，确保每一个传感器都与岩样表 面处于最佳的耦合状态，这样声发射传感器才能在长时间的实验过程稳定接收高质量的信号。断 铅实验达到预期后，在将准备好的膨胀剂和水搅拌均匀（膨胀剂和水的质量比率为5：1.7），然后将混 合物匀速浇灌到岩石试样的孔洞中，避免在浇灌膨胀剂和水的混物时在孔洞中产生气泡，然后启 动声发射和应变采集系统开始实验。 表1 声发射采集系统参 Table 1 AE instrument pa eters setups Threshold(dB) Sampling rate (MHz) Pre trigger (s) PDT(us) HDT(us) HLT(μs) 40 5 56 50 200 300 图络石试样图：(a)花岗岩：(b)大理岩：(c)红砂岩 Fig.1 Three rock samples:(a)Granite:(b)Marble:(c)Red sandstone 图2膨胀剂扩张破裂的声发射实验系统示意图
较大的影响。基于此本文设计了一种膨胀剂扩张的岩石声发射实验，详细研究岩石在张拉作用下破 裂的声发射特性。该实验设计的目的是确保传感器收集的声发射信号都是由岩石试样的破裂产生的 ， 而不依赖于定位来识别有效的破裂信号。进而通过分析张拉破裂下声发射信号的特征参数，深入认 识张拉破裂产生的弹性波信号的特征，同时也为深部开采岩体稳定性的微震以及声发射监控提供理 论支撑。 1 实验设计 本次实验选取花岗岩、大理石、砂岩三种岩石类型各一块作为研究对象，均制成为 105 mm×105 mm×105 mm 正方体试样如图 1 所示。三种岩石的矿物成分分别是花岗岩含有石英、斜长石、钾长石 和少量黑云母，大理石主要由方解石和白云石，砂岩的主要矿物组成是石英，三种岩石不管是在岩 石的成因、颗粒组成以及节理裂隙发育方面都可以作为研究岩石声发射特性的代表岩样。实验方案如 图 2 所示，声发射监测采用 PCI-2 采集系统，相关参数设置见表 1。按照图 2 粘贴好应变片和声发射 传感器(压电式声发射传感器 Nano30，带宽 125-750kHz，谐振频为 140kHz)并将相应设备与采集系 统连接后，在采集系统采集声发射数据之前，需要做几组断铅实验，确保每一个传感器都与岩样表 面处于最佳的耦合状态，这样声发射传感器才能在长时间的实验过程中稳定接收高质量的信号。断 铅实验达到预期后，在将准备好的膨胀剂和水搅拌均匀(膨胀剂和水的质量比率为 5:1.7)，然后将混 合物匀速浇灌到岩石试样的孔洞中，避免在浇灌膨胀剂和水的混合物时在孔洞中产生气泡，然后启 动声发射和应变采集系统开始实验。 表 1 声发射采集系统参数设置 Table 1 AE instrument parameters setups 图 1 三种岩石试样图：(a)花岗岩；(b)大理岩；(c)红砂岩 Fig.1 Three rock samples: (a) Granite;(b) Marble;(c) Red sandstone 图 2 膨胀剂扩张破裂的声发射实验系统示意图 Threshold (dB) Sampling rate (MHz) Pre trigger (μs) PDT(μs) HDT(μs) HLT(μs) 40 5 256 50 200 300 录用稿件，非最终出版稿
Fig.2 Schematic diagram of rock AE experimental system for expansion fracture 2实验结果及讨论 2.1声发射信号特征参数的变化规律 花岗岩、大理岩和红砂岩岩石试样的声发射参数幅值、能量、累积计数和应变数据随时间变化曲 线如图3所示。由于花岗岩、大理岩和红砂岩试样分别在13000S,98000s和16000s以前采集的声 发射信号很少，所以图3是从13000s,9800s和16000s开始分别记录花岗岩，大理岩和红砂岩的 声发射参数和应变随时间变化的关系。 从图3可以看出，花岗岩、大理岩和红砂岩分别在13000-16025s、100000-108929s和17250- 17888s之间累积计数近似呈水平增长。而三种岩石试样分别在16025-17199s108927-108930s和 17888-17890s之间发生了宏观破裂，累积计数快速增长，能量也达到了峰值。为不更清楚的说明三 种岩石宏观破裂期间累积计数的增长趋势，我们选取了上述三种宏观破裂发生时间段的累积计数数 据，对其进行线性拟合，线性拟合的一次项系数越大，说明数据增长趋势越快 。如表2所示，花岗 岩、大理岩、红砂岩宏观破裂阶段累积计数拟合的一次项系数分别为494⑤104797、20254。花岗岩 的拟合曲线一次项系数远小于大理岩和红砂岩，这说明花岗岩的累积计数在宏观破裂过程中的增长 趋势明显比红砂岩、大理岩缓慢，这与三种岩石声宏观破裂阶段声发射信号能量变化有很大的相关 性。 (a) 10 1000001a200010400010600010s000110000 Time/s 录用稿贷 图3声发射特征参数和应变随时间变化曲线：(a)花岗岩：(b)大理岩；(c)红砂岩 Fig.3 Variation curve of AE parameters and strain over time:(a)Granite:(b)Marble:(c)Red sandstone 花岗岩在岩石试样发生宏观破裂时存在连续多次能量突增现象，而大理岩和红砂岩只存在一次 能量突增的现象，这说明花岗岩的破裂过程有一定的持续性。出现这种现象说明作为火成岩的花岗 岩，其内部矿物颗粒较大，组成复杂，与大理岩和红砂岩矿物颗粒组成有明显的区别，花岗岩在发 生宏观破裂之前局部（尤其是大矿物颗粒边界）更容易形成大尺度的破裂，因此花岗岩会有持续的能 量突增，大理岩和红砂岩的岩石颗粒较小，在膨胀力作用下在宏观破裂时只出现一次能量突增。 此外，在地震活动中存在前震、主震和余震，从图3可以看出，膨胀剂扩张的岩石声发射实
Fig.2 Schematic diagram of rock AE experimental system for expansion fracture 2 实验结果及讨论 2.1 声发射信号特征参数的变化规律 花岗岩、大理岩和红砂岩岩石试样的声发射参数幅值、能量、累积计数和应变数据随时间变化曲 线如图 3 所示。由于花岗岩、大理岩和红砂岩试样分别在 13000 s，98000 s 和 16000 s 以前采集的声 发射信号很少，所以图 3 是从 13000 s，9800 s 和 16000 s 开始分别记录花岗岩，大理岩和红砂岩的 声发射参数和应变随时间变化的关系。 从图 3 可以看出，花岗岩、大理岩和红砂岩分别在 13000-16025 s、100000-108929 s 和 17250- 17888 s 之间累积计数近似呈水平增长。而三种岩石试样分别在 16025-17199 s、108927-108930 s 和 17888-17890 s 之间发生了宏观破裂，累积计数快速增长，能量也达到了峰值。为了更清楚的说明三 种岩石宏观破裂期间累积计数的增长趋势，我们选取了上述三种宏观破裂发生时间段的累积计数数 据，对其进行线性拟合，线性拟合的一次项系数越大，说明数据增长趋势越快。如表 2 所示，花岗 岩、大理岩、红砂岩宏观破裂阶段累积计数拟合的一次项系数分别为 149.45、104797、20254。花岗岩 的拟合曲线一次项系数远小于大理岩和红砂岩，这说明花岗岩的累积计数在宏观破裂过程中的增长 趋势明显比红砂岩、大理岩缓慢，这与三种岩石声宏观破裂阶段声发射信号能量变化有很大的相关 性。 图 3 声发射特征参数和应变随时间变化曲线：(a)花岗岩；(b) 大理岩；(c) 红砂岩 Fig.3 Variation curve of AE parameters and strain over time: (a) Granite;(b) Marble;(c) Red sandstone 花岗岩在岩石试样发生宏观破裂时存在连续多次能量突增现象，而大理岩和红砂岩只存在一次 能量突增的现象，这说明花岗岩的破裂过程有一定的持续性。出现这种现象说明作为火成岩的花岗 岩，其内部矿物颗粒较大，组成复杂，与大理岩和红砂岩矿物颗粒组成有明显的区别，花岗岩在发 生宏观破裂之前局部(尤其是大矿物颗粒边界)更容易形成大尺度的破裂，因此花岗岩会有持续的能 量突增，大理岩和红砂岩的岩石颗粒较小，在膨胀力作用下在宏观破裂时只出现一次能量突增。 此外，在地震活动中存在前震、主震和余震[23]，从图 3 可以看出，膨胀剂扩张的岩石声发射实 录用稿件，非最终出版稿
验也存在类似于地震事件的现象：在岩石试件宏观破裂前产生一定数量的声发射事件，岩石试件形 成宏观破裂时产生大量密集声发射事件，岩石试样发生宏观破裂后依然会有相当数量的声发射事件。 表2三种岩石宏观破裂阶段黑积计数线性拟合一次项系数 Table 2 The linear fitting first order coefficients of cumulative counts during macroscopic fracture stages of three rock samples Granite Marble Red sandstone Coefficient of 149.45 104797 20254 first order term 2.2声发射信号的频率特征 信号中心频率是声发射信号能谱图对应的质心频率，声发射事件的高频成众占比较高时中心频 率较高，反之中心频率较低，中心频率能表示声发射事件的频率成分分布糢征对)岩石这种多晶 体、各向异性材料来说，其破裂模式与矿物颗粒的组成以及矿物晶体的性质密彻相关，结构体（层理、 夹层、弱面等)和矿物颗粒之间的耦合（胶结物、填充物或空隙）决定了岩运观破裂的形态，而晶体的 性质决定了岩石内部微裂纹发展的方式。不同类型的破裂就会产生不同特征的声发射信号，而频率 则是表征弹性波震源特性的一个重要参数。对于岩石声发射而言、不同类型的震源产生不同尺度的 破裂，不同尺度的破裂则产生不同频率的信号。声发射信号频率破裂穴度的关系在众多研究中都 有提及42”，结果都表明岩石在不同加载阶段声发射信号频率有明显的变化，这与不同加载阶段的 破裂尺度有很大的关系，信号频率的变化特征甚至可以作为判断宏观破坏发生的前兆信息。 图4显示了三种岩石声发射信号中心频率随膨胀剂作用时间的变化特征，整体上来看，在加载 后期出现较多中心频率较低的声发射信号，这说明载合期大尺度破裂增加，但由于岩样是沿着预 定面破裂，这种频率降低的变化并不明显。为了进一显示各岩样不同频率成分的显著性，我们绘 制了如图5所示的各频段声发射信号的分布图。从图5可以看出，花岗岩中心频率主要分布在100 300kHz,大理岩中心频率主要分布在200-400Az,红砂岩中心频率主要分布在200-500kHz。因此， 花岗岩较低频率事件占比较多，大理岩较高频率事件占比较多，红砂岩高频的事件占比最多。此外， 花岗岩、大理岩和红砂岩300-500kHz频段的事件占比分别在20%，30%和60%左右，红砂岩高频事 件占比最高，大理岩次之，花岗岩高频事件占比最低。这种现象出现的原因在于：如图6所示， 花岗岩内部矿物颗粒较大，不同达小的矿物颗粒胶结复杂，大尺度的矿物颗粒交界面破裂就会产生 低频率的信号：而大理岩砂物颗粒较小且均一，这会产生较多小尺度破裂，高频信号占比会增加： 进一步，红砂岩矿物颗粒在种岩石试样中最小、最均匀，因此高频信号占比也最多。 1H0 (c) 20 r03N10om511e0w3m10m79w1100 Time's 图4三种岩石中心频率的时域分布散点图：(a)花岗岩：(b)大理岩：（©）红砂岩 Fig.4 Scatter diagram of centroid frequency in time domain of three rock samples:(a)Granite:(b)Marble:(c)Red sandstone
验也存在类似于地震事件的现象：在岩石试件宏观破裂前产生一定数量的声发射事件，岩石试件形 成宏观破裂时产生大量密集声发射事件，岩石试样发生宏观破裂后依然会有相当数量的声发射事件。 表 2 三种岩石宏观破裂阶段累积计数线性拟合一次项系数 Table 2 The linear fitting first order coefficients of cumulative counts during macroscopic fracture stages of three rock samples Granite Marble Red sandstone Coefficient of first order term 149.45 104797 20254 2.2 声发射信号的频率特征 信号中心频率是声发射信号能谱图对应的质心频率，声发射事件的高频成分占比较高时中心频 率较高，反之中心频率较低，中心频率能表示声发射事件的频率成分分布特征。对于岩石这种多晶 体、各向异性材料来说，其破裂模式与矿物颗粒的组成以及矿物晶体的性质密切相关，结构体(层理、 夹层、弱面等)和矿物颗粒之间的耦合(胶结物、填充物或空隙)决定了岩石宏观破裂的形态，而晶体的 性质决定了岩石内部微裂纹发展的方式。不同类型的破裂就会产生不同特征的声发射信号，而频率 则是表征弹性波震源特性的一个重要参数。对于岩石声发射而言，不同类型的震源产生不同尺度的 破裂，不同尺度的破裂则产生不同频率的信号。声发射信号频率与破裂尺度的关系在众多研究中都 有提及[24-27]，结果都表明岩石在不同加载阶段声发射信号频率有明显的变化，这与不同加载阶段的 破裂尺度有很大的关系，信号频率的变化特征甚至可以作为判断宏观破坏发生的前兆信息。 图 4 显示了三种岩石声发射信号中心频率随膨胀剂作用时间的变化特征，整体上来看，在加载 后期出现较多中心频率较低的声发射信号，这说明加载后期大尺度破裂增加，但由于岩样是沿着预 定面破裂，这种频率降低的变化并不明显。为了进一步显示各岩样不同频率成分的显著性，我们绘 制了如图 5 所示的各频段声发射信号的分布图。从图 5 可以看出，花岗岩中心频率主要分布在 100- 300 kHz，大理岩中心频率主要分布在 200-400 kHz，红砂岩中心频率主要分布在 200-500 kHz。因此， 花岗岩较低频率事件占比较多，大理岩较高频率事件占比较多，红砂岩高频的事件占比最多。 此外， 花岗岩、大理岩和红砂岩 300-500 kHz 频段的事件占比分别在 20%，30%和 60%左右，红砂岩高频事 件占比最高，大理岩次之，花岗岩高频事件占比最低。这种现象出现的原因在于：如图 6 所示[28]， 花岗岩内部矿物颗粒较大，不同大小的矿物颗粒胶结复杂，大尺度的矿物颗粒交界面破裂就会产生 低频率的信号；而大理岩矿物颗粒较小且均一，这会产生较多小尺度破裂，高频信号占比会增加； 进一步，红砂岩矿物颗粒在三种岩石试样中最小、最均匀，因此高频信号占比也最多。 图 4 三种岩石中心频率的时域分布散点图: (a) 花岗岩；(b) 大理岩；(c) 红砂岩 Fig.4 Scatter diagram of centroid frequency in time domain of three rock samples: (a) Granite；(b) Marble；(c) Red sandstone 录用稿件，非最终出版稿