刀具侵入破岩声发射特性试验研究*

章思平

刀具侵入破岩声发射特性试验研究*

章思平

(湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭市 411201)

在RMT-150C岩石力学实验平台上选用一字型与十字型刀具对花岗岩进行破岩实验，采用AEwin-USB型声发射监测系统收集破岩全过程的声信号，得到花岗岩全过程的声发射振铃计数、声发射能量特征参数。结果表明：一字型与十字型刀具下花岗岩声发射特征信号曲线与载荷—时间曲线都具有很好的对应性；十字型刀具作用下声发射特征信号强度明显大于一字型，且十字型刀具作用下花岗岩破碎更完全;综合对比分析破岩效率，发现十字型刀具较之一字型刀具破岩效果更好。

刀具破岩;声发射振铃计数;声发射能量;破岩效率

0 引 言

岩石是一种脆性材料，不同刀具对岩石的侵入破坏是有所差异的，而岩石破坏的过程中其内部变化是肉眼无法观测的。岩石在外力的用下，岩石的内部的原始裂隙的闭合、扩展、贯通，及新裂隙的产生、闭合、扩展、贯通，在裂隙的变化过程中部分的能量以弹性波的形式释放出来，这种现象就称之为声发射[1-3]。李玉等[4]通过选用一字型刀具对岩石进行破岩试验，分析其声发射特性与分形特征，以此来作为岩石破坏失稳的依据。邹飞[5]通过用DSCM方法，研究刀具侵入破岩的位移场和应变场的特征，认识刀具对岩石破坏的本质及其破坏演化的过程。

国内外学者对岩石声发射特性的研究都比较深入[6-13]，如煤岩体、花岗岩等岩石在不同条件下的声发射研究分析。而对于刀具下破岩声发射特性的研究较少，本文将对岩石的声发射特征信号进行深入的研究，以此来探究刀具破岩声发射特征信号的表现形式与寻求最优的破岩方式。

1 试验概况

1.1 试样制备

本文选用立方体的花岗岩试样，其大小为100 mm×100 mm×100 mm，所用岩石试样均采自同一块完整的岩石，其加工后岩石表面平行度与垂直度均满足岩石力学试验的标准规程。

1.2 试验方案

本实验所采取的试验平台为RMT-150C型标准岩石力学伺服试验系统，采用的加载方式为轴向位移加载。声发射系统采用由美国物理声学公司（PAC）最新研制的AEwin-USB型声发射监测系统。刀具的种类为一字型刀具和十字型刀具两种，实物如图1所示。

图1 刀具

本试验的具体步骤为：首先，试验前将试样表面划上相互垂直的中线，以保证刀具与岩石相互作用为中心加载；其次，开始试验，开启试验系统，对实验机器进行预热，与此同时调试声发射系统并将声发射探头固定于岩石表面；然后，预加载将刀具与岩石中心对齐；最后，进行刀具下的破岩试验，直到岩石破坏，收集声发射特征信号。

2 试验结果分析

2.1 花岗岩单轴压缩试验

为了获取花岗岩岩石试样的基本物理力学参数，我们利用钻芯机从花岗岩大试块中钻取标准圆柱体试样，利用RMT-150C型岩石力学试验机对其进行单轴压缩试验，采取行程加载，加载速率为0.005 mm/s。

通过试验我们得到了表1所示的花岗岩力学参数。

表1 花岗岩物理力学参数

表中为花岗岩的密度，g/cm3；为花岗岩抗压强度，MPa;为弹性模量，GPa；为泊松比。

2.2 一字型刀具下破岩声发射特性分析

通过采用一字型刀具对花岗岩试样进行破岩试验，分析声发射数据，得到图2所示的声发射特征信号曲线。

对声发射特征信号的分析我们可以明显的发现，载荷−时间曲线与振铃计数、能量两种声发射特征信号有明显的对应关系，两种声发射特征信号的变化与载荷−时间曲线的波动变化一致。我们得到其峰值载荷为66.8 kN，整个破岩持续的时间为158 s，声发射振铃计数的峰值为1341次，能量峰值为6036次。我们发现当岩石的载荷值达到其峰值强度的82%时，岩石的声发射活动明显加强，说明岩石内部的原有裂纹闭合、贯通，以及新裂纹的产生，当继续加载时岩石内部的裂纹继续发展、贯通，出现肉眼可见的宏观裂纹，岩石失稳破坏后试验停止。

2.3 十字型刀具下破岩声发射特性分析

通过采用十字型刀具对花岗岩进行破岩试验，我们得到了图3所示的载荷−时间与声发射特征信号的曲线。

图3 十字型刀具下花岗岩载荷−时间−声发射特征信号曲线

结合十字型刀具对花岗岩破岩试验的结果分析发现，岩石在十字型刀具的作用下其所能承受的最大载荷值为201.3 kN，破岩的整个持续时间为324 s，声发射振铃计数的最大值为25123次，能量峰值为66764次。花岗岩在十字型刀具作用下其在峰值前声发射特征信号较为平稳，岩石内部积聚能量，当积聚的能量达到花岗岩的承载极限时，花岗岩突然破碎，声发射特征信号分别达到峰值，其声发射特征信号的峰值与岩石的载荷—时间曲线的峰值很好的对应，并较之一字型刀具破碎声响更大、破碎块度更小。

3 讨 论

通过分析花岗岩试样在一字型和十字型刀具作用下的声发射特征信号与载荷−时间的关系，发现花岗岩试样在刀具作用下破岩声发射特征信号与载荷−时间曲线有很好对应性，具体表现为：载荷−时间曲线的峰值与声发射振铃计数、能量的峰值几乎是同时相对应出现；同时十字型刀具作用下的花岗岩其所承载的载荷值更大、声发射特征信号的峰值也更大、破碎较为彻底。当我们考虑刀具破岩效果时，不仅要考虑破岩消耗的能量，还要考虑破岩后岩石块度。

4 结 论

（1）一字型与十字型刀具破岩的声发射特征信号曲线与载荷−时间有很好的对应性。

（2）花岗岩在十字型刀具作用下，其所能承载的极限更大，所对应的声发射特征信号峰值也更大。

（3）对于花岗岩而言，十字型刀具的破岩效果较一字型刀具的破岩效果更好。

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(2019-02-15)

章思平(1993—)，男，江西抚州人，硕士研究生，主要从事岩石力学方面的研究，Email：674802341@qq.com。

湖南省研究生科研创新项目(CX2017B646).