刘希灵等：劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 1431 变大，AF值逐渐减小.然而石英颗粒更易发生剪 [4]Rudajev V,Vilhelm J,LokajiCek T.Laboratory studies of acoustic 切滑移，促使花岗岩中剪切裂纹比大理岩中更明 emission prior to uniaxial compressive rock failure.IntJ Rock 显.因此，尽管岩石结构的差异性会影响不同裂纹 Mech Min Sci,2000,37(4):699 [5] Yang L,Kang HS,Zhou Y C,et al.Frequency as a key parameter 模式（拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹）的分布 in discriminating the failure types of thermal barrier coatings: 情况和破坏强度，但不会影响岩石从加载初期至 cluster analysis of acoustic emission signals.Surf Coat Technol, 最终破坏中裂纹演化过程. 2015.264:97 (2)由于拉伸破坏过程中也伴随有少量剪切破 [6] Zhang Y B,Liang P,Liu XX,et al.Experimental study on 坏或复合破坏形式，对应的声发射主频信号以 precursor of rock burst based on acoustic emission signal 400~499kHz居多，100~199kHz次之.在压密阶 dominant-frequency and entropy.Chin J Rock Mech Eng,2015, 段，破裂信号主要以100~199kHz为主，随着裂纹 34 Suppl1)2959 (张艳博，梁鹏，刘样鑫，等.基于声发射信号主频和熵值的岩石 起裂、扩展，400~499kHz区间的信号显著增加， 破裂前兆试验研究.岩石力学与工程学报，2015,34（增刊1上 而至临界破坏时，由于花岗岩中剪切裂纹比大理 2959) 岩中更明显，花岗岩中100~199kHz之间的信号 [7] Shiotani T.Ohtsu M.Ikeda K.Detection and evaluation of AE 增加更显著，从而导致其声发射比率突然降低，而 waves due to rock deformation.Construction Building Mater, 大理岩的声发射比率缓慢增加，即在破裂过程中， 2001,15(5-6):235 相比结构单一的大理岩，花岗岩中裂纹扩展更不 [8]Carpinteri A,Corrado M,Lacidogna G.Heterogeneous materials 稳定 in compression:correlations between absorbed,released and acoustic emission energies.Eng Fail Anal,2013,33:236 (3)从微观结构来看，花岗岩主要分为石英颗 [9] Xiao F K,Liu G,Qin T,et al.Acoustic emission (AE) 粒的平坦状形貌、钾长石颗粒的层叠状和台阶状 characteristics of fine sandstone and coarse sandstone fracture 形貌.相比石英颗粒，钾长石抗拉强度较低，属于 process under tension-compression-shear stress.Chin J Rock Mech 弱矿物颗粒，裂纹更多会在钾长石颗粒中扩展，形 Eng,2016,35(Suppl2:3458 成小尺度破裂，如果受力方向平行于层面则形成 (肖福坤，刘刚，素涛，等.拉-压-剪应力下细砂岩和粗砂岩破裂 层叠状的形貌，反之产生台阶状的形貌；大理岩主 过程声发射特性研究.岩石力学与工程学报，2016,35（增刊2 要产生光滑多面体形貌，随着应力水平的增长，矿 3458) 物颗粒之间的分离持续增多，且少有如花岗岩大 [10]Wang H J,Liu D A,Cui Z D,et al.Investigation of the fracture modes of red sandstone using XFEM and acoustic emissions. 尺度矿物颗粒分离产生的低频信号.从而，推测占 Theor Appl Fract Mech,2016,85:283 比最多的400~499kHz的信号应主要来自于钾长 [11]Zeng P,Liu Y J,Ji H G,et al.Coupling criteria and precursor 石及大理岩矿物颗粒内部的破裂.而对于石英颗 identification characteristics of multi-band acoustic emission of 粒，其在花岗岩中占比较多，在劈裂荷载下产生特 gritstone fracture under uniaxial compression.Chin Geotech 定的破裂面穿过石英颗粒的机会也较大，并且其 Eg,2017,39(3):509 破裂尺度都较大且更易发生摩擦滑移因此，100~ (曾鹏，刘阳军，纪洪广，等.单轴压缩下粗砂岩临界破坏的多频 段声发射耦合判据和前兆识别特征.岩土工程学报，2017， 199kHz之间的信号应主要来自石英矿物颗粒内 39(3):509) 部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移 [12]Bucheim W.Geophysical methods for the study of rock pressure in coal and potash salt mining//International Strata Control 参考文献 Congress.Leipzig,1958:222 [1]Wang X J,Feng X,Zhao K.Numerical simulation on acoustic [13]Rodriguez P,Celestino T B.Application of acoustic emission emission of roof fill failure of mining drift with different cross- monitoring and signal analysis to the qualitative and quantitative section.Min Res Dev,2011,31(1):9 characterization of the fracturing process in rocks.Eng Fract (王晓军，冯萧，赵康.不同回采断面顶板充填体破裂声发射数 Mech,2019,210:54 值模拟研究.矿业研究与开发，2011,31(1)：9) [14]Liang CY,WuSR,LiX.Research on micro-meso characteristics [2]Zhang S W,Shou K J,Xian X F,et al.Fractal characteristics and of granite fracture under uniaxial compression at low and acoustic emission of anisotropic shale in Brazilian tests.Tunnelling intermediate strain rates.Chin J Rock Mech Eng,2015,34(Suppl Underground Space Technol,2018,71:298 12977 [3]Lockner D.The role of acoustic emission in the study of rock (梁昌玉，吴树仁，李晓.中低应变率范围内单轴压缩下花岗岩 fracture.Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,1993,30(7): 断口细-微观特征研究.岩石力学与工程学报，2015,34（增刊1）： 883 2977)变大，AF 值逐渐减小. 然而石英颗粒更易发生剪 切滑移，促使花岗岩中剪切裂纹比大理岩中更明 显. 因此，尽管岩石结构的差异性会影响不同裂纹 模式（拉伸裂纹、剪切裂纹以及复合裂纹）的分布 情况和破坏强度，但不会影响岩石从加载初期至 最终破坏中裂纹演化过程. (2) 由于拉伸破坏过程中也伴随有少量剪切破 坏或复合破坏形式 ，对应的声发射主频信号以 400～499 kHz 居多，100～199 kHz 次之. 在压密阶 段，破裂信号主要以 100～199 kHz 为主，随着裂纹 起裂、扩展，400～499 kHz 区间的信号显著增加， 而至临界破坏时，由于花岗岩中剪切裂纹比大理 岩中更明显，花岗岩中 100～199 kHz 之间的信号 增加更显著，从而导致其声发射比率突然降低，而 大理岩的声发射比率缓慢增加，即在破裂过程中， 相比结构单一的大理岩，花岗岩中裂纹扩展更不 稳定. (3) 从微观结构来看，花岗岩主要分为石英颗 粒的平坦状形貌、钾长石颗粒的层叠状和台阶状 形貌. 相比石英颗粒，钾长石抗拉强度较低，属于 弱矿物颗粒，裂纹更多会在钾长石颗粒中扩展，形 成小尺度破裂，如果受力方向平行于层面则形成 层叠状的形貌，反之产生台阶状的形貌；大理岩主 要产生光滑多面体形貌，随着应力水平的增长，矿 物颗粒之间的分离持续增多，且少有如花岗岩大 尺度矿物颗粒分离产生的低频信号. 从而，推测占 比最多的 400～499 kHz 的信号应主要来自于钾长 石及大理岩矿物颗粒内部的破裂. 而对于石英颗 粒，其在花岗岩中占比较多，在劈裂荷载下产生特 定的破裂面穿过石英颗粒的机会也较大，并且其 破裂尺度都较大且更易发生摩擦滑移，因此，100～ 199 kHz 之间的信号应主要来自石英矿物颗粒内 部不连续分离以及压密阶段矿物颗粒之间的滑移. 参    考    文    献 Wang  X  J,  Feng  X,  Zhao  K.  Numerical  simulation  on  acoustic emission  of  roof  fill  failure  of  mining  drift  with  different  cross￾section. Min Res Dev, 2011, 31（1）: 9 （王晓军, 冯萧, 赵康. 不同回采断面顶板充填体破裂声发射数 值模拟研究. 矿业研究与开发, 2011, 31（1）：9 ） [1] Zhang S W, Shou K J, Xian X F, et al. Fractal characteristics and acoustic emission of anisotropic shale in Brazilian tests. Tunnelling Underground Space Technol, 2018, 71: 298 [2] Lockner  D.  The  role  of  acoustic  emission  in  the  study  of  rock fracture. Int J Rock Mech Min Sci Geomech Abstr,  1993,  30（7）: 883 [3] Rudajev V, Vilhelm J, LokajíČek T. Laboratory studies of acoustic emission  prior  to  uniaxial  compressive  rock  failure. Int J Rock Mech Min Sci, 2000, 37（4）: 699 [4] Yang L, Kang H S, Zhou Y C, et al. Frequency as a key parameter in  discriminating  the  failure  types  of  thermal  barrier  coatings: cluster  analysis  of  acoustic  emission  signals. Surf Coat Technol, 2015, 264: 97 [5] Zhang  Y  B,  Liang  P,  Liu  X  X,  et  al.  Experimental  study  on precursor  of  rock  burst  based  on  acoustic  emission  signal dominant-frequency  and  entropy.  Chin  J  Rock  Mech  Eng,  2015, 34(Suppl 1): 2959 （张艳博, 梁鹏, 刘祥鑫, 等. 基于声发射信号主频和熵值的岩石 破裂前兆试验研究. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(增刊1): 2959） [6] Shiotani  T,  Ohtsu  M,  Ikeda  K.  Detection  and  evaluation  of  AE waves  due  to  rock  deformation. Construction Building Mater, 2001, 15（5-6）: 235 [7] Carpinteri  A,  Corrado  M,  Lacidogna  G.  Heterogeneous  materials in  compression:  correlations  between  absorbed,  released  and acoustic emission energies. Eng Fail Anal, 2013, 33: 236 [8] Xiao  F  K,  Liu  G,  Qin  T,  et  al.  Acoustic  emission  (AE) characteristics  of  fine  sandstone  and  coarse  sandstone  fracture process under tension-compression-shear stress. Chin J Rock Mech Eng, 2016, 35(Suppl 2): 3458 （肖福坤, 刘刚, 秦涛, 等. 拉−压−剪应力下细砂岩和粗砂岩破裂 过程声发射特性研究. 岩石力学与工程学报, 2016, 35(增刊2): 3458） [9] Wang H J, Liu D A, Cui Z D, et al. Investigation of the fracture modes  of  red  sandstone  using  XFEM  and  acoustic  emissions. Theor Appl Fract Mech, 2016, 85: 283 [10] Zeng  P,  Liu  Y  J,  Ji  H  G,  et  al.  Coupling  criteria  and  precursor identification  characteristics  of  multi-band  acoustic  emission  of gritstone  fracture  under  uniaxial  compression. Chin J Geotech Eng, 2017, 39（3）: 509 （曾鹏, 刘阳军, 纪洪广, 等. 单轴压缩下粗砂岩临界破坏的多频 段声发射耦合判据和前兆识别特征. 岩土工程学报, 2017, 39（3）：509 ） [11] Bucheim W. Geophysical methods for the study of rock pressure in coal  and  potash  salt  mining//International Strata Control Congress. Leipzig, 1958: 222 [12] Rodríguez  P,  Celestino  T  B.  Application  of  acoustic  emission monitoring  and  signal  analysis  to  the  qualitative  and  quantitative characterization  of  the  fracturing  process  in  rocks. Eng Fract Mech, 2019, 210: 54 [13] Liang C Y, Wu S R, Li X. Research on micro-meso characteristics of  granite  fracture  under  uniaxial  compression  at  low  and intermediate strain rates. Chin J Rock Mech Eng, 2015, 34(Suppl 1): 2977 （梁昌玉, 吴树仁, 李晓. 中低应变率范围内单轴压缩下花岗岩 断口细-微观特征研究. 岩石力学与工程学报, 2015, 34(增刊1): 2977） [14] 刘希灵等： 劈裂荷载下的岩石声发射及微观破裂特性 · 1431 ·