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岩爆是在深部岩体工程中常见的突发性灾害现象，也是一种非线性力学现象[1]。随着矿山、水利水电、交通隧道等工程向深部发展，岩爆灾害也越来越频繁[2]，然而岩爆是一种复杂的破坏行为，对岩爆机制方面的认识，不同的研究者持有不同的观点[3]。陈明祥等[4]认为岩爆需要考虑岩石内部的损伤机制对变形和破坏的影响作用。欧阳孝忠[5]认为岩爆与原始地应力与地应力的重分布都有关。谭以安[6]认为岩爆是具有大量弹性应变能储备的硬质脆性岩体在围岩应力作用下产生张剪脆性破坏。钱七虎[7]提出岩爆是对掘进全过程及其后果的复合响应。
声发射是一种研究材料破坏的检测手段，常被用来研究岩石内部微观破坏的发育情况[8]。常见的声发射研究主要涉及声发射频谱[9]、b值[10]、能量参数[11]、振幅[12]、撞击数[13]等方面。目前，采用声发射技术对岩石破坏过程进行的研究，已经取得了很多成果[14]。苗金丽等[15]对真三轴应力状态下的突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射原始波形数据进行频谱分析和时频分析，发现岩爆过程中同时产生大量的高频低幅特征的波和低频高幅特征的波，显示高能量释放及低RA值特征；何满潮等[16]对北山花岗岩开展了不同速率卸载的岩爆试验，发现声发射主频随着卸载速率降低而逐渐上移，声发射信号量随着卸载速率的降低而减少；张艳博等[17]开展巷道岩爆室内模拟声发射监测试验，对岩爆过程中的声发射信号进行聚类分析，得到3种类型声发射信号，建立了基于巷道岩爆模拟试验声发射数据的岩爆实时预警方法；赵菲等[18]对具有不同高度的花岗岩进行室内岩爆模拟试验，观察岩石试件破坏特征，分析花岗岩试件岩爆过程中声发射信号的参数特征、波形频谱特征，发现随着岩石试件高度的降低，岩爆临界破坏强度有升高的趋势。
现在基于声发射的岩爆室内模拟试验研究有很多，但还缺少针对大理岩岩爆前后声发射信号在幅值-主频平面内分布规律对比分析而进行的研究。笔者将开展对室内应变岩爆模拟试验中产生的声发射数据的深入研究，在应变岩爆模拟试验系统的帮助下，开展大理岩室内岩爆模拟试验，采集整个试验过程中的应力路径和声发射信号，分析岩爆试验不同阶段声发射幅值和主频分布情况的变化规律，对比分析加载阶段和岩爆阶段试验结果的区别，探究大理岩岩爆破坏阶段的本质特征，以及岩爆破坏产生的内在规律。
试验采用取自锦屏水电站的2件大理岩岩样，平均质量为517.39 g，平均高度为100.56 mm，平均单轴强度为92.52 MPa，平均弹性模量为30.12 GPa，平均泊松比为0.189。2件大理岩样品的力学参数差别较小，且内部结构较为均匀。对要进行大理岩岩爆试验的2件大理岩试件加工成尺寸为150 mm×60 mm×30 mm的标准件，分别编号为M1和M2。
为能够在室内试验模拟现场岩爆的破坏过程，利用深部岩爆试验过程模拟系统实现三向六面的独立加载以及单面突然卸载的功能，从而模拟岩爆应力状态的转化过程[19]。岩体在开挖前处于三向不等应力状态，在开挖过程中出现单面快速卸荷，试验过程中采用三向加载和单面卸载的方式模拟岩石的应力状态变化过程，最大主应力σ1、中间主应力σ2、最小主应力σ3在加载过程中的变化形式如图1 所示[1]。试验过程中实时采集岩石的声发射信号以及三向应力信息，研究不同应力状态下的声发射现象，分析岩爆声发射释能特征，反映岩石内部损伤。试验布置如图2所示。
图1 瞬时真三轴试验方法应力路径
Fig.1 Stress path of instantaneous real three axis test
图2 岩爆试验布置示意
Fig. 2 Schematic diagram of rockburst experiment
岩爆试验初始加载阶段，三向同时加载，每5 min增加5 MPa，直到三向应力均达到围岩应力设计值30 MPa。保持三向应力状态15 min后单面卸载σ3，同时保持σ2不变，并增加最大主应力σ1，保持单向暴露15 min，等待发生岩爆破坏。若未发生破坏，则将卸载面的应力恢复至卸载前的状态，σ1增加10 MPa，保持三向应力加载状态15 min后，重复上述单面卸载步骤，直到发生岩爆破坏为止。加载应力路径如图1a所示。
通过记录试验过程中三向应力路径，得到M1和M2试件的应力加载曲线如图3所示。根据加载方式和岩石破坏程度的不同，将试验过程大体分为加载初期、加卸载阶段和岩爆阶段，其中前2个阶段统称为加载阶段，3个阶段在图中以不同的背景颜色区分。
图3 应力加载曲线
Fig.3 Stress path curves
岩爆试验过程中产生了大量的声发射事件，通过PAC声发射检测系统可以收集到声发射的撞击数、发生时间、绝对能量、电压幅值、主频等多个参数，绘制每个试验的时间-幅值关系如图4所示。
图4 大理岩声发射幅值
Fig.4 AE amplitude of marble
M1和M2试件声发射幅值在时间上的分布情况 与2个试件的应力加载曲线有一定的对应关系。M1加载初期最高幅值为104 dB，第1次单面卸载时最高幅值为113 dB左右，进入岩爆阶段后，出现最高幅值达到了115 dB，为整个试验最高幅值。M2加载初期声发射幅值最高约为70 dB，第1次单面卸载时最高的幅值约为95 dB，岩爆阶段幅值增大到了110 dB，由此可见，声发射幅值随着加载的应力水平增加而相应增大，在应力突然增加时声发射幅值出现局部极大值，两例试验的声发射幅值最大值均在岩爆阶段出现。
绘制每个试验的时间-主频图如图5所示。
图5 大理岩声发射主频
Fig.5 AE peak frequency of marble
M1加载初期主频主要分布在90 kHz左右、200～270 kHz、480 kHz左右，少量超过600 kHz；第1次单向卸载时主频分布与上述范围处差别不大；进入岩爆阶段后，主频主要分布在90、260 和480 kHz三个频率带内，其中260 kHz左右的声发射主频点分布较多，为主频的主要分布带；M2试件加载初期主频则主要分布在90、270和480 kHz左右；第1次单向卸载时主频在0～100、 200～300和480 kHz左右都有分布；岩爆阶段3个关键点的主频同样分布在3个频率带中，但在270 kHz附近较为集中。由此可见，2组试验的声发射信号主频都主要集中在以90 kHz和270 kHz为中心的2个频率带中，此为大理岩破坏时声发射的本征固有频率，不随加载应力的变化而发生变化。
单一声发射信号的取样时间极短，采样频率较高，不同声发射信号的变化很大，所以统计所有声发射试件的幅值和主频信息，比单一声发射频谱信息更能反应试验过程中大理岩的破坏规律[20]。为更好地体现锦屏大理岩的主频分布特点，可绘制2次岩爆试验过程中声发射事件的幅值-主频平面内的分布图，如图6所示。
通过统计幅值-主频平面内不同区域声发射事件的数量，计算声发射事件密度，并以数据点的大小在图6中表示，其中密度最大处以红色实心圆点标出。
M1在主频约为90、270 kHz的幅值最高，达到115 dB左右，在主频20、130和480 kHz均出现较窄的数据带，最大幅值分别在100、83和90 dB，主频超过600 kHz的数据点较少且较离散。M2在25、270 kHz的幅值较高，超过了110 dB，在100 kHz的幅值达到93 dB，480 kHz左右出现的声发射数据点较少，幅值只有70 dB。
图6 大理岩声发射幅值-主频分布
Fig.6 Amplitude-frequency chart of marble AE signal
为研究幅值-主频分布在岩爆阶段与岩爆之前的加载阶段有何区别，现绘制2例试验加载阶段和岩爆阶段的幅值-主频分布如图7所示。
图7 不同阶段幅值-主频分布
Fig.7 Amplitude-frequency distribution in different stages
由此可见，2例试验在不同阶段的幅值-频率分布规律有明细区别，M1试件声发射密度最大处所对应主频从加载阶段的70 kHz左右变化到岩爆阶段的260 kHz左右。M2试件的声发射密度最大位置在加载阶段和岩爆阶段都在260 kHz左右。岩爆阶段声发射试件在幅值-主频平面内密度最大处对应的主频大于等于加载阶段，统计2例试验不同阶段幅频分布信息见表1。
表1 不同阶段幅频分布信息
Table 1 Information of amplitude-frequency
distribution in different stages
阶段最高幅值/dB平均主频/kHz最高峰值/dB平均主频/kHzM1M2M1M2加载阶段岩爆阶段11293128.26195.36115111205.88216.90
岩爆阶段的最高幅值和平均主频均大于加载阶段，岩爆阶段的平均主频在200 kHz以上。说明岩爆阶段岩石发生了更加剧烈的破坏，产生了更多的高频率、高幅值声发射信号。
通过对2例大理岩进行岩爆试验，采集试验过程中的应力和声发射参数，以应力曲线划分不同的试验阶段，并针对岩爆阶段和加载阶段的声发射幅值、主频以及幅值-主频分布规律进行了分析，所得3条结论如下。
1)大理岩岩爆试验声发射信号主频都主要集中在50～90 kHz和255～270 kHz两个频率带中，此为大理岩破坏时声发射的本征固有频率，不随加载应力的变化而发生变化。
2)不同阶段的幅值-频率分布规律有明显区别，岩爆阶段声发射试件在幅值-主频平面内密度最大处对应的主频不小于加载阶段。
3)岩爆阶段出现声发射最高幅值，岩爆阶段的平均主频在200 kHz以上，明显高于加载阶段。说明岩爆阶段岩石发生了更加剧烈的破坏，产生了更多的高频率、高幅值声发射信号。
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