引用本文
赵扬锋, 刘力强, 潘一山. 单轴压缩下含断层带花岗岩声发射、微震和电荷感应实验[J]. 地震地质, 2017,39(5): 964-980.
ZHAO Yang-feng, LIU Li-qiang, PAN Yi-shan. EXPERIMENT STUDY ON ACOUSTIC EMISSION, MICROSEISM AND CHARGE INDUCTION DURING FRACTURE PROCESS OF GRANITE WITH FAULT ZONE UNDER UNIAXIAL COMPRESSION[J]. SEISMOLOGY AND GEOLOGY, 2017,39(5): 964-980.  
DOI:10.3969/j.issn.0253-4967.2017.05.007
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单轴压缩下含断层带花岗岩声发射、微震和电荷感应实验
赵扬锋1,2, 刘力强2, 潘一山1
1 辽宁工程技术大学力学与工程学院, 辽宁阜新 123000
2 中国地震局地质研究所, 地震动力学国家重点实验室, 北京 100029

〔作者简介〕 赵扬锋, 男, 1979年生, 2010年于辽宁工程技术大学获工程力学专业博士学位, 副教授, 主要从事矿山灾害力学的研究工作, E-mail:zhyf_20010284@sina.com。

收稿日期: 2016-10-24
基金项目: 国家自然科学基金(51274114)、 中国博士后基金特别资助(2014T70103)和中国地震局地质研究所基本科研业务专项(IGCEA1415)共同资助
摘要

针对岩样在外载荷作用下失稳破坏前有声发射、 微震和电荷等信号的异常变化特性, 运用声发射、 微震和电荷感应等全波形综合监测设备对含断层带花岗岩在单轴压缩下变形破裂过程的信号进行同步监测。结果表明: 含断层带花岗岩在弹性变形阶段有明显的声发射、 微震和电荷感应同步前兆信号, 在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、 微震和电荷感应大幅值前兆信号。断层带对花岗岩试件强度的影响是显著的, 含断层带试件的单轴抗压强度大大降低。随着断层带倾角的减小, 试样的单轴抗压强度降低, 岩样更容易失稳, 失稳破坏的能量也更大。随着断层带倾角的减小, 试样变形破裂过程的声发射、 微震和电荷感应信号都增多, 试样出现同步的前兆信号时的应力降低, 在试样失稳破坏阶段声发射、 微震和电荷感应前兆信号事件的持续时间都增大。断层带倾角30°时, 声发射、 微震和电荷感应信号突变性增加, 进入危险阶段大大提前, 大震级事件也显著增多, 在矿井大倾角断层处更为危险。在试样失稳破坏阶段前同步产生密集且大幅值的声发射、 微震和电荷感应信号, 持续时间较短; 在试样失稳破坏阶段同步产生密集且最强的声发射、 微震和电荷感应信号, 持续时间较长。声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况, 对声发射、 微震和电荷感应前兆信号相结合分析, 可以更准确地获得岩石失稳破坏的前兆信息。

关键词: 断层带; 失稳破坏; 声发射; 微震; 电荷感应
中图分类号:P313 文献标志码:A 文章编号:0253-4967(2017)05-0964-17
EXPERIMENT STUDY ON ACOUSTIC EMISSION, MICROSEISM AND CHARGE INDUCTION DURING FRACTURE PROCESS OF GRANITE WITH FAULT ZONE UNDER UNIAXIAL COMPRESSION
ZHAO Yang-feng1,2, LIU Li-qiang2, PAN Yi-shan1
1 School of Mechanics and Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin, Liaoning 123000, China
2 State Key Laboratory of Earthquake Dynamics, Institute of Geology, China Earthquake Administration, Beijing 100029, China
Abstract

As the rock samples will produce abnormal signals of acoustic emission, microseismic and charge signals under external loading, the waveform comprehensive monitoring devices are used to synchronously monitor acoustic emission, microseismic and charge signals during the deformation and failure process of granite with fault zone under uniaxial compression. The results show that, the granite with fault zone has obvious synchronous precursory signals of acoustic emission, microseism and charge induction in the elastic deformation stage, and has high amplitude synchronous precursory signals in the instability destruction stage. The influence of fault zone on granite samples strength is remarkable, and the uniaxial compressive strength of samples with the fault zone is greatly reduced. With the angle of the fault zone decreasing, the uniaxial compressive strength of the specimens is reduced, the samples are more liable to instability and the energy of instability destruction is greater. With the fault zone angle of granite samples decreasing, the acoustic emission, microseismic and charge induction signals increase in the deformation and failure process of samples. The samples stress decreases when the acoustic emission, microseismic and charge induction precursory signals appear synchronously. The duration of acoustic emission, microseismic and charge induction precursory signals is increasing in the instability destruction stage. When the angle of the fault zone reaches 30°, the mutability of acoustic emission, microseismic and charge induction signal increases, the time to enter the dangerous stage is much earlier, and the acoustic emission events of large magnitude increase significantly, and the large angle faults of coal mine are more dangerous. The intensive and high amplitude synchronous precursory signals of acoustic emission, microseism and charge induction are produced before the instability destruction, and the signals duration is shorter. The intensive and strongest synchronous precursory signals of acoustic emission, microseism and charge induction are produced in the instability destruction, and the signals duration is longer. Acoustic emission monitoring data can better reflect the micro rupture of rock. And combined with the acoustic emission, microseismic and charge induction precursory signals, the precursory information of rock instability destruction can be obtained more accurately.

Keyword: fault zone; instability destruction; acoustic emission; microseism; charge induction
0 引言

岩石变形破裂过程研究是岩石力学研究的核心内容, 对于井巷工程稳定性、 边坡失稳和地震等岩体动力灾害的预测具有重要意义(王士民等, 2006)。现场实际中很多岩体含有断层、 层理、 节理以及裂隙等宏观构造, 岩石类材料变形破坏过程中伴随有声发射、 微震和电荷感应信号(郑治真, 1994; 赵扬锋等, 2017), 因此研究预制裂纹岩石变形破裂过程中声发射、 微震和电荷感应的变化规律可为岩体动力灾害的预测建立实验理论基础。

国内外许多学者对岩石变形破裂过程的声发射、 微震和电荷感应信号的变化规律进行了大量的实验研究, 得到了许多预测岩体失稳破坏前兆特征的成果。李庶林等(2004)研究了单轴压缩条件下岩石的声发射特征; 陈忠辉等(1997)研究了岩石声发射的围压效应; 李银平等(2004)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的声发射特征进行了研究; 李普春等(2013)在实验室利用分布式多通道瞬态信号采集系统, 从近场条件下研究了岩石黏滑过程中沿断层的声发射信号的初动到时和初动方向空间分布; Tang许江等(2012)开展了不同加载速率、 含水率和岩石结构的声发射特性实验; 许江等(2013)开展了砂岩在不同剪切速率条件下的细观破坏与声发射特性试验, 探讨岩石在剪切破坏过程中的破坏形式与声发射之间的关系; Li等(2014)分析了不同岩石(火山典型岩、 沉积岩和变质岩)的声发射特性与冲击倾向性之间的关系。对岩石的微震实验(朱权洁等, 2012; 李俊平等, 2013; 张诗笛等, 2014)研究, 大多是以矿山现场微震数据为基础, 对岩石破裂微震信号进行研究; 许晓阳等(2010)研究了混凝土、 原煤试样在单轴压缩加载破坏过程中微震信号的频谱特征并进行对比; 杨永杰(2006)对煤岩强度、 变形及微震特征进行较系统的分析研究; 王晓南等(2013)研究由顶板-煤体-底板所构成的煤岩组合体变形破裂声发射和微震的规律, 得到不同组合试样在受载破坏过程中的声发射和微震信号。Kuksenko等(1997)用静电计测量到对大理岩加载时有感应电荷产生, 并且发现岩石在突然加卸载时感应电荷急剧增加, 然后逐渐衰减; 郭自强等(1988, 1995)在岩石破裂时记录到电子发射; 孙正江等(1986)根据主破裂时的磁场强度计算出破裂面的电荷量; 朱元清等(1991)求得岩石变形破裂时裂纹尖端电量的范围; 吴小平等(1990)用测量微电流方法对花岗岩表面电荷性质进行了试验研究; 郝锦绮等(2003, 2004)通过岩石破裂试验发现, 在突然加卸载、 黏滑和岩样破裂几种特定情况下, 自电位和应变场均出现了互相关联的脉冲状突然变化; 赵扬锋等(2010, 2011, 2012)采用自主研制的电荷传感器测量花岗岩、 砂岩、 煤变形破裂过程产生的电荷, 并在现场进行了试验; 潘一山等(2012a, b; 2013a, b)研究了不同加载速率下煤岩单轴压缩电荷感应规律, 不同围压和孔隙压力对含瓦斯煤在破坏过程中的电荷感应规律, 砂岩、 泥岩及煤体拉伸失稳动态破坏过程中的电荷感应规律。王恩元等(2011)、 刘杰等(2011)、 任学坤等(2016)实验研究了预制裂纹煤样和花岗岩板单轴压缩条件下的表面电位及其变化规律, 探讨了预制裂纹对表面电位的影响机理。姜耀东等(2012)、 吕玉凯等(2014)建立了多参量监测系统, 包括声发射、 介电常数、 应变场和表面温度场等监测手段来研究在单轴压缩条件下变形局部化演化过程中煤样失稳破坏的多参量前兆特征; 赵扬锋等(2017)建立了岩石变形破裂过程多参量综合监测系统, 包括微震、 电荷感应、 自电位和声发射等监测手段, 研究了花岗岩和大理岩在不同加载速率下变形破裂过程多参量变化规律。

综上所述, 虽然国内外许多学者对岩石变形破裂过程的声发射、 微震和电荷感应变化规律进行了大量的实验研究, 但众多研究成果中较少涉及将多种监测手段同时运用来对岩石变形破裂过程进行分析, 且无法获得全频段全部的信号波形, 无法传递波形, 丧失了更多的有效信息, 更没有对含断层带岩石变形破裂过程中声发射、 微震和电荷感应的变化规律进行综合研究。因此, 本文采用煤岩变形破裂过程全波形同步综合监测系统, 对含不同倾角断层带的花岗岩进行单轴压缩试验, 观测花岗岩岩样变形破坏过程的声发射、 微震和电荷感应信号变化规律, 尝试以新的方法对岩体失稳破坏前兆进行研究。

1 实验研究
1.1 试验样品

试验所用岩石为花岗岩, 试样均取自北京, 通过切割机获得尺寸为Φ 75mm× 150mm的试样, 将两端磨平, 处于自然干燥状态。选取花岗岩12个岩样, 分作4组, 每组3个岩样。对岩样做以下加工: 第1组岩样不做任何改变, 保持原岩试样; 第2组岩样预制60° 断层带(断层带的倾角为断层带走向与最大主压应力方向的夹角); 第3组岩样预制45° 断层带; 第4组岩样预制30° 断层带。预制断层带加工方法: 采用机械切割法, 对岩石试样预制宏观断层带, 切割工具为高速电动切割机, 切割机轮片采用超薄金刚石锯片, 制成的断层带宽度约1mm, 断层带深度约25mm。制作好的试样用 1:1 的石膏和水搅匀后充入裂缝中, 放置24h等待凝固后用于试验。

1.2 试验系统和试验方法

试验系统包括加载和载荷-位移记录系统, 电荷感应和微震信号数据采集系统, 声发射数据采集系统和电磁屏蔽系统4个部分组成(图1)。其中加载和载荷-位移记录系统采用中国地震局地质研究所的CTM微机伺服控制液压万能试验机, 最大载荷为1, 000kN。电荷感应和微震信号数据采集系统采用自行研制的多通道数据采集器, 每通道的采样频率最高为100kHz, 实验时采样频率设为每通道12.5kHz。声发射数据采集系统为中国地震局地质研究所实验室用的声发射系统, 实验参数: 16通道16位同步触发方式, 前置放大器40db, 采样频率为3MHz, 采样长度为4, 096个样点。实验时该试验系统可同步采集载荷、 位移、 电荷感应、 微震和声发射信号, 其中电荷感应和微震信号各3通道, 声发射信号16通道。研制的电荷传感器的灵敏度为 ACQ=1×1011V/C, 电荷感应可测范围为± (1.526× 10-15~5× 10-11)C。 微震传感器选择1个PS-10B(垂向)与2个PSH-10B(水平向)速度传感器组装成三分向传感器, 该传感器对于频率在10Hz至1.4kHz内的振动信号能够平坦响应。微震传感器的前端放大器增益为32倍, 灵敏度为 22.7V/(m/s), 可测的振动速度范围为 ± (2.1× 10-7~6.883× 10-3)m/s, 该传感器用耦合剂粘贴于试验机试验台上。

图1 试验系统装置实物图Fig. 1 Physical map of experimental system device.

图2 含断层带试样及声发射和电荷传感器布置示意图Fig. 2 Samples with fault zone and the diagrammatic sketch of acoustic emission and charge sensor.

图2是倾角为30° 和60° 断层带试样及声发射传感器和电荷传感器布置示意图, 45° 倾角断层带与其相似, 完整花岗岩的各传感器布置方式见文献(赵扬锋等, 2017)。16个声发射传感器(每列4个共4列)如图2所示用耦合剂粘贴于样品表面, 图2中声发射传感器1、 2、 3、 4至样品底面的距离分别为20mm、 55mm、 90mm、 125mm, 其他列类同。电荷传感器分布如图2所示, 电荷传感器17在试样断层带下端5mm, 电荷传感器18正对断层带中间, 电荷传感器19距试样底面的距离为80mm, 电荷传感器探头正对试样表面且距试样表面5mm。

试验机采用压力控制方式加载, 加载速度为0.5kN/s。试验时, 按图2所示声发射探头用耦合剂粘贴于试样表面, 待耦合剂固化后将试样放置在压力机的底座上, 试样与压力机底座和压头间用绝缘纸绝缘, 将压力机压头调整到与试样接触; 按图2所示布置电荷传感器, 罩上屏蔽网, 粘贴微震传感器于试验台上。声发射监测系统在正式采集数据前先在试样上进行断铅试验, 以确保试验过程中所采集数据的有效性。该试验主要是观测不同预制裂纹岩样变形破坏过程的声发射、 微震和电荷感应变化规律, 试验系统通过网络取得时间同步, 确保各试验参数所对应的时间一致性, 以便后期处理数据时可找到相对应时间点。

图3 含断层带花岗岩应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of granite with fault zone.

图4 完整花岗岩微震和电荷感应信号监测结果Fig. 4 Microseismic and charge induction signals monitoring results of intact granite.

图 5 含60° 断层带的花岗岩微震和电荷感应信号监测结果Fig. 5 Microseismic and charge induction signals monitoring results of granite with 60° fault zone.

图 6 含45° 断层带的花岗岩微震和电荷感应信号监测结果Fig. 6 Microseismic and charge induction signals monitoring results of granite with 45° fault zone.

图 7 含30° 断层带的花岗岩微震和电荷感应信号监测结果Fig. 7 Microseismic and charge induction signals monitoring results of granite with 30° fault zone.

2 试验结果分析

本文针对花岗岩进行了4组多参量监测试验, 鉴于相同岩样变形破裂过程声发射、 微震和电荷感应信号试验结果的相似性, 仅选取其中具有代表性的监测数据作为研究对象, 并对其中各参量数据进行处理, 得到图3-14。

2.1 不同倾角断层带花岗岩变形破裂过程声发射、 微震和电荷感应信号变化规律

对完整花岗岩、 含60° 、 45° 、 30° 断层带花岗岩试样在加载速率为0.5kN/s下变形破裂过程的声发射、 微震和电荷感应信号变化规律进行了对比分析。图3为不同倾角断层带花岗岩应力-应变曲线。图4-7分别为完整花岗岩、 倾角为60° 、 45° 、 30° 断层带花岗岩微震和电荷感应信号监测结果; 其中的a, b, c图分别为花岗岩变形破裂过程的时间-应力曲线、 时间-微震和时间-电荷感应信号曲线, b图中上、 中、 下3图分别为垂向振动速度传感器和2水平向振动速度传感器接收到的微震信号, c图中上、 中、 下3图分别为图2中电荷传感器17、 18、 19接收到的电荷感应信号。图8-11分别为完整花岗岩, 倾角为60° 、 45° 、 30° 断层带花岗岩声发射信号监测结果, 其中纵坐标为声发射信号大小, 最大幅值为± 32, 768; 横坐标为时间, 与图4-7的时间对应; 图中从上至下依次为声发射传感器2、 7、 12和14接收到的声发射信号。图12-14分别为倾角60° 、 45° 、 30° 断层带花岗岩声发射监测定位结果, 其中红色圆圈的大小代表了该声发射事件震级的大小。

从图3可知, 完整花岗岩的单轴抗压强度为143.21MPa, 断层带倾角为60° 的花岗岩的单轴抗压强度为119.87MPa, 断层带倾角为45° 的花岗岩的单轴抗压强度为105.29MPa, 断层带倾角为30° 的花岗岩的单轴抗压强度为91.02MPa, 花岗岩的应力和应变呈线性关系, 断层带倾角对花岗岩的弹性模量影响不大, 随着断层带倾角的减小, 花岗岩试样的单轴抗压强度降低, 最大应变减小。

由图4可知: 当是完整花岗岩时, 微震传感器在1, 025s时接收到幅值达0.97× 10-3m/s的微震信号, 在1, 205.1s时有幅值达6× 10-3m/s的微震信号产生, 在1, 301~1, 308s时(试样失稳破坏阶段)微震信号幅值达6.8× 10-3m/s且信号非常密集, 在岩石失稳破坏后微震信号非常微弱; 而电荷传感器18在1, 037s时(该试样单轴抗压强度的79.1%)接收到幅值达24.74pC的电荷感应信号, 在1, 070.8s时接收到幅值达50pC的电荷感应信号, 在1, 205.1s时(该试样单轴抗压强度的92.1%)电荷传感器17、 18、 19同步接收到幅值达50pC的电荷感应信号, 在1, 200~1, 310s期间3个电荷传感器不断接收到电荷感应信号, 既有同步信号也有非同步信号, 在1, 301~1, 308s时岩样处于失稳破坏阶段, 此时3个电荷传感器接收到的电荷感应信号幅值既大又较密集; 在试样应力达到该试样极限强度的92.1%时微震传感器和电荷传感器首次同步接收到较大的微震信号和电荷感应信号, 在试样失稳破坏前也有非同步的微震和电荷感应信号, 且电荷感应信号明显多于微震信号, 在试样失稳破坏阶段接收到幅值大且密集的同步微震信号和电荷感应信号。

由图5可知: 当含倾角为60° 的断层带时, 微震传感器在996.5s时(该试样单轴抗压强度的91.4%)接收到幅值达2.75× 10-3m/s的微震信号, 在1, 072~1, 089s时(试样失稳破坏阶段)微震信号幅值达6.8× 10-3m/s且信号非常密集, 信号的持续时间达到2s, 在岩石破坏后微震信号非常微弱; 而电荷传感器17在822.2s时(该试样单轴抗压强度的75.4%)接收到幅值达14.85pC的电荷感应信号, 在996.5s时(该试样单轴抗压强度的91.4%)电荷传感器17、 18、 19同步接收电荷感应信号, 其幅值分别为: 7.65pC、 2.8pC和11.2pC, 在1, 072~1, 089s期间3个电荷传感器接收到既密集幅值又大的电荷感应信号, 最大幅值达50pC, 持续时间达1.4s; 在996.5s时(该试样单轴抗压强度的91.4%)微震传感器和电荷传感器首次同步接收到较大的微震信号和电荷感应信号, 在试样2次失稳破坏(1, 081.3s和1, 088.9s)前都有同步的微震信号和电荷感应信号且信号幅值分别达到6.8× 10-3m/s和50pC, 且电荷感应信号明显多于微震信号, 初次明显的电荷感应信号也早于初次明显微震信号。

由图6可知: 当含倾角为45° 的断层带时, 微震传感器在743.6s时(该试样单轴抗压强度的77.5%)接收到幅值达6× 10-3m/s的微震信号, 在797.6s时开始接收到较大幅值的微震信号, 在952.7~955s(该试样失稳破坏阶段)时接收到幅值达6.8× 10-3m/s的微震信号且信号的持续时间达到2.3s; 而电荷传感器17、 18、 19在743.6s时(该试样单轴抗压强度的77.5%)同步接收到电荷感应信号, 其幅值分别为: 15.75pC、 7.86pC、 5.18pC, 在797.6s时开始接收到较大幅值的电荷感应信号, 电荷传感器17接收到的电荷感应信号比电荷传感器18、 19接收到的电荷感应信号多且幅值大, 从图3可以看到电荷传感器17位于断层带的尖端, 而电荷传感器18位于断层带的中间, 电荷传感器19远离断层带, 说明断层带尖端更易产生电荷感应信号, 在952.7~954.3s(该试样失稳破坏阶段)时接收到幅值达50pC的电荷感应信号且信号的持续时间达到1.6s; 在743.6s时(该试样单轴抗压强度的77.5%)微震传感器和电荷传感器首次同步接收到较大的微震信号和电荷感应信号, 在试样失稳破坏阶段有同步的微震信号和电荷感应信号且信号幅值都达到最大值, 但电荷感应信号的持续时间小于微震信号的持续时间。

由图7可知: 当含倾角为30° 的断层带时, 微震传感器在450.5s时(该试样单轴抗压强度的54.9%)接收到幅值达3.45× 10-3m/s的微震信号, 在667.3s和793.2s时接收到的微震信号幅值达6× 10-3m/s, 而在815.8~818.5s(试样的失稳破坏阶段)时接收到幅值达6.8× 10-3m/s的微震信号且信号的持续时间达到2.7s; 电荷传感器17、 18、 19在450.5s同时接收到较大的电荷感应信号, 最大幅值达12.8pC, 在544.8s时电荷传感器17接收到幅值达35.6pC的电荷感应信号, 在815.8~817.7s(试样的失稳破坏阶段)时接收到幅值达50pC的电荷感应信号且信号的持续时间达到1.9s; 在450.5s时(该试样单轴抗压强度的54.9%)微震传感器和电荷传感器首次同步接收到较大的微震信号和电荷感应信号, 在试样失稳破坏阶段前都有同步的微震信号和电荷感应信号且信号幅值分别达到6.8× 10-3m/s和50pC, 但电荷感应信号的持续时间小于微震信号的持续时间。

图8 完整花岗岩声发射信号监测结果Fig. 8 AE signals monitoring results of intact granite.

图 9 含60° 断层带的花岗岩声发射信号监测结果Fig. 9 AE signals monitoring results of granite with 60° fault zone.

图 10 含45° 断层带的花岗岩声发射信号监测结果Fig. 10 AE signals monitoring results of granite with 45° fault zone.

图 11 含30° 断层带的花岗岩声发射信号监测结果Fig. 11 AE signals monitoring results of granite with 30° fault zone.

由图 8-11可知: 花岗岩变形破裂过程中有大量的声发射事件产生, 随着断层带倾角的减小, 断层带花岗岩变形破裂过程声发射事件数和声发射能量大大增加。花岗岩试样含倾角为60° 的断层带时, 在990.8s时声发射事件密集发生且各通道声发射信号幅值都达到最大值± 32, 768, 岩石应力为单轴抗压强度的90.8%; 花岗岩试样含倾角为45° 的断层带时, 在740.7s时声发射事件密集发生且各通道声发射信号幅值都达到最大值, 岩石应力为单轴抗压强度的77.5%; 花岗岩试样含倾角为30° 的断层带时, 在400.5s时声发射事件密集发生且各通道声发射信号幅值都达到最大值, 岩石应力为单轴抗压强度的48.8%; 随着断层带倾角的减小, 声发射前兆信号更为提前, 声发射事件数也增多。

图12 含60° 断层带的花岗岩声发射定位结果Fig. 12 AE locations of granite with 60° fault zone.

图 13 含45° 断层带的花岗岩声发射定位结果Fig. 13 AE locations of granite with 45° fault zone.

图 14 含30° 断层带的花岗岩声发射定位结果Fig. 14 AE locations of granite with 30° fault zone.

图12-14为根据远场P波反演声发射矩张量的算法和实验室声发射三维定位软件(刘培洵等, 2007, 2014)获得花岗岩变形破裂过程声发射的定位结果, 由图12-14可知: 花岗岩变形破裂过程发生声发射的位置与断层带倾角有一定的相关性, 在断层带附近, 声发射事件多且能量大, 声发射密集区沿着断层带倾角方向。随着断层带倾角的减小, 声发射事件数增多, 声发射能量也增大, 大震级声发射事件数也增多。含倾角为30° 的断层带的试件声发射事件数远远大于含倾角为60° 和45° 断层带的试件声发射事件数, 含倾角为30° 断层带时大震级声发射事件也大大提前。岩石的变形破坏过程是以裂纹发生发展为主导的过程, 经历了裂纹的压密、 发生发展、 密集并合成宏观裂纹、 宏观裂纹发展4个阶段。显然, 含倾角为30° 的断层带时岩石进入密集并合成宏观裂纹阶段大大提前, 在400s也即岩石应力为单轴抗压强度的48.8%时即进入此阶段, 在此阶段岩石的声发射信号突变性增加, 声发射事件数大大增加, 相应的微裂纹也增加, 大的震级事件也开始出现, 表明此阶段已有宏观裂纹出现。随着断层带倾角的减小, 岩石抵抗破坏的能力降低, 发生破坏的能量增加, 特别是断层带倾角达到30° 时, 声发射信号突变性增加, 进入危险阶段大大提前, 大震级事件也显著增多, 在大的倾角断层处更容易发生地震、 矿震等。

2.2 综合分析

断层带对花岗岩试件的影响是显著的。含断层带试件的单轴抗压强度大大降低; 破坏时的应变也明显降低, 这表明断层带的存在引起裂尖局部应力集中, 导致裂纹的产生和扩展进而导致较早形成宏观裂纹。随着断层带倾角的减小, 花岗岩试样的单轴抗压强度降低, 且单轴抗压强度随着断层带倾角的增大呈线性增大关系。这是由于花岗岩是一种天然结晶的脆性材料, 其抗剪强度高于抗拉强度数倍, 花岗岩断裂的强度理论适宜采用最大拉应力理论, 在相同载荷作用下, 随着断层带倾角的减小, 最大拉应力增大, 单轴抗压强度就减小。

含断层带花岗岩在变形破裂过程中有声发射、 微震和电荷感应信号产生, 在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、 微震和电荷感应信号且幅值都达到最大值, 在试样失稳破坏阶段前花岗岩有明显的声发射、 微震和电荷感应同步前兆信号。花岗岩试样随着断层带倾角的减小, 试样变形破裂过程的声发射、 微震和电荷感应信号都增多, 初次出现明显的声发射、 微震和电荷感应信号时试样的应力大大降低, 初次出现同步的声发射、 微震和电荷感应前兆信号时试样的应力也大大降低(无断层带时试样的应力为单轴抗压强度的92.1%, 含倾角为60° 断层带时试样的应力为单轴抗压强度的91.4%, 含倾角为45° 断层带时试样的应力为单轴抗压强度的77.5%, 含倾角为30° 断层带时试样的应力为单轴抗压强度的54.9%)。

试样在变形破裂过程中声发射信号早于微震和电荷感应信号发生, 声发射事件数也远多于微震和电荷感应信号事件数, 声发射信号频率在100~1, 000kHz, 而微震信号频率在10~1, 400Hz, 电荷感应信号频率在0~1, 000Hz, 这是由于岩石破裂的物理过程是岩石在高应力作用下逐步出现微破裂(微尺度、 微能量), 到裂缝扩展、 贯通(小尺度、 小能量的破裂), 到岩石局部失稳(中尺度、 中能量地震)的由小到大的渐变过程。在岩石微破裂(信号能量低, 频率高)时即有声发射信号产生, 在岩石裂缝扩展、 贯通时(信号能量高, 频率低)有微震和电荷感应信号产生, 同时伴随有较大声发射信号, 到岩石局部失稳破坏时声发射、 微震和电荷感应信号都达到最大值。由于接收到的声发射信号以高频为主, 而接收到的微震和电荷感应信号以低频为主, 岩石微小破裂都能产生声发射信号, 而较大破裂时才能产生微震和电荷感应信号, 因此岩石破裂过程声发射事件数远大于微震和电荷感应事件数, 岩石破裂过程产生较大幅值的声发射信号的时间早于岩石破裂过程产生较大幅值的微震和电荷感应信号的时间。

在试样失稳破坏阶段前同步产生密集且大幅值的声发射、 微震和电荷感应信号, 持续时间较短; 在试样失稳破坏阶段时同步产生密集且最强的声发射、 微震和电荷感应信号, 持续时间较长。随着断层带倾角的减小, 在试样失稳破坏阶段声发射、 微震和电荷感应信号事件的持续时间都增大, 声发射能量也增大, 大震级声发射事件数也增多, 但电荷感应信号事件的持续时间小于微震信号事件的持续时间(含倾角为60° 断层带时微震信号持续时间为2s, 电荷感应信号持续时间为1.4s; 含倾角为45° 断层带时微震信号持续时间为2.3s, 电荷感应信号持续时间为1.6s; 含倾角为30° 断层带时微震信号持续时间为2.7s, 电荷感应信号持续时间为1.9s)。

3 结论

利用自行设计的声发射、 微震和电荷感应的全波形同步综合监测试验系统来提取含不同倾角断层带的岩石变形破裂过程的声发射、 微震和电荷感应信号的变化规律, 主要得出如下结论:

(1)断层带对花岗岩试件的影响是显著的, 含断层带试件的单轴抗压强度大大降低; 随着断层带倾角的减小, 花岗岩试样的单轴抗压强度降低, 岩石更容易失稳, 失稳破坏的能量也更大。

(2)含断层带花岗岩在变形破裂过程中有声发射、 微震和电荷感应信号产生, 在试样失稳破坏阶段有同步的声发射、 微震和电荷感应信号且幅值都达到最大值, 花岗岩在弹性变形阶段有明显的声发射、 微震和电荷感应同步前兆信号。

(3)随着断层带倾角的减小, 花岗岩试样变形破裂过程的声发射、 微震和电荷感应信号都增多, 初次出现明显的声发射、 微震和电荷感应信号时试样的应力大大降低, 初次出现同步的声发射、 微震和电荷感应前兆信号时试样的应力也大大降低, 在试样失稳破坏阶段声发射、 微震和电荷感应信号事件的持续时间都增大。

(4)含倾角为30° 断层带的岩石声发射事件数远远大于含倾角为60° 和45° 断层带的声发射事件数, 含倾角为30° 断层带时大震级声发射事件也大大提前。在断层带倾角为30° 时, 声发射、 微震和电荷感应信号突变性增加, 进入危险阶段大大提前, 大震级事件也显著增多, 在大的倾角断层处更容易发生地震、 矿震等。

(5)试样在变形破裂过程中声发射信号早于微震和电荷感应信号发生, 声发射事件数也远多于微震和电荷感应信号事件数。在试样失稳破坏阶段前同步产生密集且大幅值的声发射、 微震和电荷感应信号, 持续时间较短; 在试样失稳破坏阶段时同步产生密集且最强的声发射、 微震和电荷感应信号, 持续时间较长。针对这一规律, 声发射监测数据能较好地反映岩石的微小破裂情况, 可以较好地反映微震和电荷感应前兆信息, 可以对声发射、 微震和电荷感应前兆信号进行比对, 从而准确获得岩石失稳破坏的前兆信息。

致谢 感谢刘培洵副研究员对声发射观测技术和声发射定位方面的大力支持。

The authors have declared that no competing interests exist.

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