1 前言

岩石受力破坏的过程是其内部微破裂萌生、扩展和断裂的过程，在这个过程中岩石会产生声发射现象。这个现象早在 20 世纪 30 年代就由美国矿山局的 Obert 所发现，并把声发射技术应用到矿山矿柱岩体稳定性和岩爆的监测预报中[1]。自那时以来，声发射技术在国外岩土工程和矿山岩体稳定性监测方面得到推广应用[2]。我国金属矿山自 70 年代开始应用该项技术来监测采场顶板的稳定性，随着声发射监测设备的改进和发展，近年来岩石声发射监测技术在矿山地压研究中得到了广泛的应用[3～6]。虽然在岩石声发射监测技术的设备研制与开发和应用研究方面已取得很大的成就，但岩石声发射技术是理论研究落后于工程实际的少数学科，特别是对于岩体失稳的声发射监测预报应用方面，迄今为止仍然是一大难题。这是因为人们尚未掌握岩石破坏的前兆判据，实际应用中监测预报大多是基于经验判断，缺乏可靠的判别依据和理论基础，致使监测预报的成功率不高、效果不理想，这也是制约声发射监测应用技术的一个关键点。因此，开展单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究，深刻揭示岩石破裂过程与声发射参数之间的关系，有助于我们进一步认识岩石的破坏机理，提出合理的岩石破坏的前兆判据。

2 岩石声发射试验研究

在受压岩石破坏全过程声发射特征研究方面，国内外一些学者进行过广泛的室内试验研究，包括岩石受压、张拉、剪切和断裂试验条件下的声发射特征研究等，且主要是研究岩石峰值强度前的应力、应变与声发射参数之间的关系[7～9]。对于单轴受压岩石破坏全过程声发射特征，特别是声发射参数与时间变量之间的特征关系则研究得不多，尚未见到相关的报道。众所周知，在岩石受力变形直至破坏的过程中，岩石塑性变形过程，是非等时变化的。对于岩石声发射监测技术的应用来说，主要是依据声发射参数对时间的变化过程来对岩石的稳定性进行评价，时间是监测预报的一个基本变量。基于这种思考，本文主要对单轴受压岩石破坏全过程、声发射参数对时间变化特征进行试验研究，力图寻找岩石破坏过程的声发射参数的时序变化特性，为岩石声发射监测预报技术的现场应用提供依据、据，提高岩石稳定性声发射监测预报的准确率。

2.1 试验设备及装置

试验采用加载控制系统和声发射监测系统 2 套装置。试验加载设备是 MTS851 型液压伺服岩石力学试验机，该试验机经改造将原来的模拟控制系统升级为全数字计算机自动控制系统。该系统的配置基于 Windows 平台的可视化操作软件，可跟踪记录当前荷载、应力、位移、应变值的大小，并同步绘制载荷-位移、应力-应变曲线等。声发射监测系统可对声发射事件自动计数、存储，可与计算机通讯，实现对声发射的实时监测，并可进行波形和参数的分析。试验装置见图 1。

2.2 试验内容

对取自三山岛金矿的斑状黑云母化花岗岩、绢云母化花岗岩和辉绿岩、厂坝铅锌矿的结晶灰岩、铅锌矿石、黑云母片岩等岩石试样进行单轴受压岩石破坏全过程试验，研究岩石受力、变形直至破坏全过程声发射参数特征和时间过程特征等。通过试验研究，探索单轴受压岩石变形直至破坏全过程的时间特性、声发射参数的时间过程特性以及岩石破坏全过程与声发射参数之间的特性等。

2.3 试验测试方法

试验时，保持加载过程与声发射监测同步。对加载系统采用轴向应变控制加载，加载速率为 2×10－6 mm/mm·s－1。对声发射监测系统，设定声发射监测的采样间隔为 50 m s，频率为 102～104 Hz，为尽可能减少噪音的干扰，选择高的声信号触发电平为 3.6 或 4.5 mV，使试验只测定岩石单轴受压破坏的声发射大事件。同时，为消除加载系统的环境噪音，在对试件进行加载前，应率定加载系统的噪音水平。

3 试验结果与分析

岩石受力变形直致破坏全过程中，以恒定的加载速度，保持加载系统和声发射监测系统同步进行。MTS系统以4 次/s的间隔速度采集数据自动记录应力、应变和间，并同步绘制荷载-位移、应力-应变曲线图；以等应力增量间隔或等时间间隔，读取声发射仪记录的声发射事件数，并抽样存储声发射事件的波形。

3.1 岩石变形与声发射特征

在全部试验岩样中，大部分岩石受力变形的特点大体上相近，都是经历初始压密、弹性、塑性和峰后破坏 4 个阶段，只有辉绿岩的初始压密阶段不明显。本次试验研究进一步观察了岩石在峰值点前的受力变形特点，发现有的岩样在达到其峰值强度的 85%～90%之后，出现一段应力增长减缓、而相对应的应变量明显增加的塑性变形阶段，这个阶段在荷载-位移图上很明显。特别是这个阶段的持续时间较长，但是时间参数在荷载-位移曲线图上却被掩盖了。具有这种特点的岩石，其在这一阶段的声发射就出现明显的相对平静现象。图 2 为试验测得的具有这种特点的一典型的绢英岩化花岗岩岩样的荷载-位移曲线，该岩样的破坏形式为典型的单一剪切面破坏。从图 2 中可以看出，该岩样具有明显的初始压密阶段，随后进入弹性阶段。从图中可以明显看出，在接近峰值点之前、荷载 90 kN 之后，应变增加迅速，而应力增加缓慢，荷载-位移曲线明显趋缓。