李 健 張艷博 劉祥鑫 田寶柱

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

不同含水狀態(tài)下花崗巖巖爆模擬聲發(fā)射實驗研究

李 健1,2張艷博1,2劉祥鑫1,2田寶柱1,2

(1.河北聯(lián)合大學礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

采用雙軸伺服控制系統(tǒng)開展自然和飽和狀態(tài)下的花崗巖巖爆模擬實驗，同時采用美國物理聲學公司生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測并采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)，研究了水對巷道巖爆的影響。研究結(jié)果表明：含水的區(qū)別對應著不同的花崗巖巖爆實驗中的聲發(fā)射特性；飽和花崗巖比自然狀態(tài)花崗巖顆粒彈射時間滯后；自然和飽和花崗巖均在軸向載荷達到峰值荷載的65%～80%時聲發(fā)射事件進入平靜期，自然狀態(tài)下花崗巖的聲發(fā)射事件率平靜期比飽和狀態(tài)下平靜期稍長；飽和花崗巖巖樣的聲發(fā)射平均事件率要比自然狀態(tài)下高，而且高聲發(fā)射事件率持續(xù)時間較長，自然狀態(tài)花崗巖較大聲發(fā)射能率出現(xiàn)時間滯后于飽和花崗巖；花崗巖巖爆過程中聲發(fā)射事件率與能率變化規(guī)律呈現(xiàn)此消彼長的特點；自然狀態(tài)花崗巖出現(xiàn)初始損傷的時間滯后于飽和花崗巖。

不同含水狀態(tài) 巖爆 聲發(fā)射 損傷力學

巖爆是在高地應力條件下，地下工程開挖過程中硬脆性圍巖因開挖卸荷導致應力重新分布，從而使儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放,產(chǎn)生爆裂、松脫、顆粒彈射甚至拋擲等破壞現(xiàn)象的一種動力災害[1]。隨著我國淺部資源逐漸枯竭，許多礦山進入深部開采，而深部巖體處于三向原巖高應力平衡狀態(tài)，巷道開挖卸載后，巖體內(nèi)原有的應力平衡狀態(tài)被打破，由此引起應力重分布，巷道壁面區(qū)域由原來的三向受力狀態(tài)變?yōu)殡p向受力狀態(tài)，局部產(chǎn)生應力集中。這種應力狀態(tài)的變化必然會導致巷道圍巖產(chǎn)生破裂活動，進而引發(fā)巖爆災害，直接威脅施工人員和設(shè)備的安全，給生產(chǎn)造成巨大的損失。

巖爆問題已受到世界各國相關(guān)學者的廣泛關(guān)注，許多學者對巖爆的發(fā)生開展了大量的研究工作。文獻[2]從構(gòu)造應力和能量的角度出發(fā),分析了硬脆性巷道圍巖產(chǎn)生巖爆時應具備的應力條件和能量條件，并研究了巖體彈性能分布特征。文獻[3-4]基于飽水巖石的靜態(tài)和動態(tài)破壞特征，從圍巖效應、能量原理等角度探討了水對巖爆預防的靜力學與動力學機制。文獻[5]對開圓孔的大理巖巖樣進行雙向加載，模擬了含水與干燥情況下的大理巖巖爆過程。張志強等[6-7]對大量硬巖礦山巖爆實例進行調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)涌水的洞段較少發(fā)生巖爆，無水干燥的巖石容易發(fā)生巖爆；張鏡劍等[8]指出對洞壁圍巖噴射高壓水或鉆孔注水能夠有效防治巖爆。綜合大量工程實例發(fā)現(xiàn)，在金屬礦開采以及水電站建設(shè)中都有在花崗巖巖體中施工的工程，因工程開挖巖體應力狀態(tài)發(fā)生改變，巖石發(fā)生變形，當達到其彈性限度時，巖體中積聚的能量迅速釋放，從而容易發(fā)生巖爆災害。

深部巷道圍巖所處環(huán)境復雜，巖爆的影響因素很多，綜合大量巖爆實例發(fā)現(xiàn)，巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等因素對巖爆產(chǎn)生較大影響?；诖耍狙芯窟x取花崗巖進行巷道巖爆模擬實驗，研究了水對花崗巖巖爆過程中聲發(fā)射特征的影響，得到了一些規(guī)律性的結(jié)論。

1 巖爆模擬實驗

1.1 試樣制備

實驗所用花崗巖巖樣選取未風化巖石，按照國際巖石力學試驗規(guī)范加工成尺寸為150 mm×150 mm×75 mm的長方體，正對中心鉆直徑31 mm圓孔，試件兩端面不平行度控制在0.02 mm以內(nèi)。試件考慮了自然和飽和2種狀態(tài)，根據(jù)巖石力學試驗規(guī)程，試件具體處理如下：

(1)自然狀態(tài)花崗巖(ZRHG)在室溫下自然干燥。

(2)飽和巖樣(BHHG)：試樣放入水槽中，先注水至試樣高度的1/4，以后每隔2 h分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，6 h后全部浸沒試樣，試樣在水中浸泡48 h(如圖1)。

圖1 巖樣浸泡過程

1.2 實驗設(shè)備

實驗主要設(shè)備有：RLW-3000微機控制伺服壓力機、美國物理聲學公司生產(chǎn)的PCI-2型全數(shù)字化聲發(fā)射系統(tǒng)。聲發(fā)射探頭與巖壁之間用凡士林耦合，并用橡皮條將其固定在巖石的臨近孔洞位置。

1.3 實驗方案

本實驗主要模擬圍巖壁面附近的實際巖爆應力狀態(tài)，巷道開挖后，圍巖表面處區(qū)域近似雙向受載狀態(tài)，因此加載方式選擇雙軸加載，側(cè)向壓力采用力控制方式加載到90 kN保持不變，軸向采用位移控制方式加載，軸向壓力以0.3 mm/min速率加載至巖樣發(fā)生巖爆破壞。實驗過程中，保持加載系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測同步。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 巷道巖爆模擬實驗分析

從巷道巖爆模擬實驗發(fā)現(xiàn)，自然和飽和狀態(tài)花崗巖都有明顯的巖片彈射、片狀剝落等巖爆現(xiàn)象發(fā)生。加載初期孔洞周圍沒有明顯現(xiàn)象，當軸向載荷加載到一定程度，孔口處左右兩側(cè)表面開始出現(xiàn)細小的顆粒彈射。繼續(xù)加載，孔洞內(nèi)也開始出現(xiàn)顆粒彈射現(xiàn)象，繼而發(fā)展為劇烈的碎片彈射、片狀剝離，不斷有巖塊崩落，伴有清脆的爆裂聲音，破裂位置由孔口左右兩側(cè)表面沿孔軸方向往孔內(nèi)延伸，孔洞內(nèi)壁兩側(cè)逐漸出現(xiàn)明顯的貫通裂縫。達到極限荷載時，試件圍繞孔洞出現(xiàn)大面積崩落，孔洞嚴重變形，巖樣突然失穩(wěn)破壞。從實驗現(xiàn)象看(如圖2)，巖爆過程可以分為平靜期、顆粒彈射、片狀剝離和全面崩塌4個階段，與文獻[9]研究結(jié)果一致。

圖2 自然花崗巖巖爆過程

實驗中發(fā)現(xiàn)，飽和花崗巖巖爆劇烈程度比自然狀態(tài)花崗巖有所減弱，而自然花崗巖孔洞內(nèi)巖屑彈射速度更快、更為猛烈，孔洞內(nèi)呈現(xiàn)煙霧狀，彈射距離也較遠。飽和花崗巖由于水的軟化作用，削弱了顆粒間黏結(jié)力，巖石強度降低，彈性模量減小(見表1)，儲存彈性能的能力下降，巖爆瞬間釋放的能量減少，因此發(fā)生巖爆的劇烈程度有所減弱。表明水可以在一定程度上降低巖石巖爆的劇烈程度。

表1 自然和飽和花崗巖彈性模量Table 1 The elastic modulus of natural and saturated granites

由圖3可見，自然花崗巖破壞后的碎片更為粉碎，而飽和花崗巖是大塊度的剝落，原因在于巖爆是能量瞬間釋放而破壞的過程，自然花崗巖彈性模量較大，積聚應變能能力強，則破壞瞬間釋放的能量較多，因此發(fā)生巖爆后的碎片更為粉碎。

圖3 飽和和自然狀態(tài)花崗巖破壞形態(tài)

分析表2中數(shù)據(jù)可見，飽和花崗巖顆粒彈射時間存在滯后現(xiàn)象。自然狀態(tài)花崗巖在時間為加載至峰值歷時的79%～85%時，孔洞內(nèi)開始彈射巖屑。飽和花崗巖在時間為加載至峰值歷時的87%～94%時，孔洞內(nèi)出現(xiàn)顆粒彈射，孔壁兩側(cè)有碎片崩出的巖爆現(xiàn)象。這是由于水的侵入，導致巖石強度降低，彈性模量降低，儲存彈性能的能力下降，以塑性變形方式消耗能量的能力增加，短時間內(nèi)難以積聚發(fā)生巖爆的大能量，因此顆粒彈射時間較晚。

表2 自然和飽和花崗巖巖爆時間Table 2 The time of rock burst with natural and saturated granites

2.2 巖爆過程中聲發(fā)射特性

巖樣破壞過程中聲發(fā)射特征與花崗巖內(nèi)部損傷裂隙擴展密切相關(guān)，巖石聲發(fā)射事件率和能率是反映巖石破壞的重要參數(shù)。根據(jù)試驗結(jié)果，選取聲發(fā)射事件率、能率為參量，繪制了自然與飽和狀態(tài)下花崗巖載荷-時間、AE事件率-時間曲線如圖4，聲發(fā)射能率-時間曲線如圖5。

由圖4(a)～圖4(f)中可以看出，花崗巖在自然和飽和狀態(tài)下的聲發(fā)射事件率變化規(guī)律大致相似，聲發(fā)射主要集中出現(xiàn)在加載至峰值歷時的10%～80%時段內(nèi)，并不斷波動。巖樣表現(xiàn)出初始聲發(fā)射較早、聲發(fā)射頻度高的群發(fā)性特征，這與花崗巖的物質(zhì)組成以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一定聯(lián)系，花崗巖試件主要由長石、石英、角閃石等礦物組成，由于各類礦物自身強度性質(zhì)的差異和顆粒間結(jié)晶聯(lián)接的不均勻性以及結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的天然缺陷，致使花崗巖對應力作用敏感，在載荷作用下裂紋擴展活躍，表現(xiàn)為聲發(fā)射活動比較豐富。

對比圖4發(fā)現(xiàn)，飽和花崗巖的聲發(fā)射平均事件率要比自然狀態(tài)花崗巖高，高聲發(fā)射事件率持續(xù)時間較長。說明由于水對巖石的物理化學作用，使得花崗巖物理力學特性發(fā)生變化，晶體顆粒強度及晶體顆粒間黏結(jié)力降低，易于裂隙的產(chǎn)生和擴展，該期間聲發(fā)射活動更為豐富。部分自然和飽和花崗巖聲發(fā)射事件平靜期見表3。

表3 自然和飽和花崗巖聲發(fā)射事件平靜期Table 3 Quiet period of AE events of natural and saturated granites

當軸向載荷加載到峰值荷載的65%～80%時，聲發(fā)射事件進入平靜期(見圖4)。主要是由于巖石破壞前內(nèi)部大量裂紋集結(jié)，并逐漸形成貫通性破裂面，造成較大阻力區(qū)，巖石變形時所產(chǎn)生的能量主要耗散于破裂面的剪切滑動，使聲發(fā)射信號嚴重衰減。因此出現(xiàn)聲發(fā)射平靜期，此時巖樣孔洞附近開始彈射細小巖屑，因此聲發(fā)射事件率出現(xiàn)平靜期的起點可作為巖爆發(fā)生的前兆特征。對比圖4中(a)與圖4(b)、圖4(c)與圖4(d)、圖4(e)與圖4(f)并結(jié)合表3發(fā)現(xiàn)，飽和狀態(tài)下花崗巖的聲發(fā)射平靜期比自然狀態(tài)下花崗巖平靜期稍短。原因在于水的影響使顆粒間黏結(jié)力降低，巖石變得松散脆弱，聲發(fā)射信號較容易穿過較小阻力區(qū)，只有遇到較大阻力區(qū)時才被阻住，進而出現(xiàn)聲發(fā)射平靜期。因此飽和花崗巖平靜期較短。

圖4 花崗巖載荷-時間、AE事件率-時間曲線

圖5 花崗巖聲發(fā)射能率-時間曲線

聲發(fā)射能率的大小代表了巖石損傷過程中單位時間內(nèi)釋放能量的多少，是一個反映巖石聲發(fā)射信號能量強弱的參數(shù)。由圖5可見，花崗巖聲發(fā)射能率前期維持在較低而平穩(wěn)的狀態(tài)，巖樣處于儲能階段；在大破裂前能量突然釋放，聲發(fā)射能率急劇增加。由圖5對比發(fā)現(xiàn)，自然狀態(tài)花崗巖較大聲發(fā)射能率出現(xiàn)時間滯后于飽和花崗巖。飽和花崗巖主要是由于水的侵入，使晶體內(nèi)黏結(jié)力降低，加上水對巖石的化學腐蝕損傷效應，巖石將變得松散脆弱，巖石強度降低，裂隙更容易擴展、貫通，造成飽和巖樣在較短時間內(nèi)失去承載力而發(fā)生破壞，因此大能率事件出現(xiàn)較早。

分析圖6和圖7可見，花崗巖巖爆過程中聲發(fā)射事件率與能率表現(xiàn)出此消彼長的特征：前期聲發(fā)射事件率較大并處于活躍期時，聲發(fā)射能率處于低而穩(wěn)定的狀態(tài)；破壞前聲發(fā)射事件率下降并進入平靜期時，巖石內(nèi)部積聚的能量迅速釋放,聲發(fā)射能率急劇上升，在破壞時達到最大。由于花崗巖屬于脆性巖石，彈性模量大，儲存彈性應變能的能力較強，巖爆傾向性較強。在破壞前期，巖石主要處在微裂隙產(chǎn)生、擴展階段，有大量的聲發(fā)射事件產(chǎn)生，并儲存了較多的彈性應變能，為儲存能量的巖爆孕育過程；在破壞瞬間能量突然大量釋放，聲發(fā)射能率急劇升高。表明巖爆孕育過程中產(chǎn)生了大量的小能率聲發(fā)射事件，而破壞前產(chǎn)生少量的大能率事件，能量突然釋放。因此當出現(xiàn)少量的大能率事件時，可以推斷即將發(fā)生巖爆。

圖6 花崗巖聲發(fā)射能率-事件率相關(guān)

圖7 花崗巖聲發(fā)射事件率、能率-時間關(guān)系

2.3 巖爆過程中損傷力學分析

在外載荷作用下，由于細觀結(jié)構(gòu)層次的微小缺陷發(fā)展致使材料或結(jié)構(gòu)的劣化過程稱為損傷。巖石破壞過程實際上是其內(nèi)部微裂紋的損傷演化過程，隨著荷載的增加，微裂紋不斷地孕育、擴展和貫通，最后導致巖石破壞。其損傷過程中，聲發(fā)射事件主要是源于巖石內(nèi)部裂紋的擴展及晶粒滑移破壞。因此，利用巖石聲發(fā)射特征可以研究其損傷破壞過程。

假設(shè)巖石材料服從Weibull分布，用聲發(fā)射事件數(shù)來表示巖石損傷程度，根據(jù)連續(xù)介質(zhì)損傷力學[10-13]，此時損傷變量表示為

(1)

(2)

式中，N為聲發(fā)射累計事件數(shù)；N0為聲發(fā)射事件總數(shù)；m為形狀參數(shù)；E為彈性模量；σp為峰值應力；εp為峰值應力對應的應變。

由式(1)并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)得到聲發(fā)射累積數(shù)-時間、損傷變量-時間關(guān)系曲線如圖8，可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射與巖石內(nèi)部損傷有直接的一致對應關(guān)系，聲發(fā)射累積數(shù)就直接對應著巖石不同的損傷狀態(tài)，損傷變量代表了巖石內(nèi)部損傷的累積，新的損傷的產(chǎn)生一定伴隨著聲發(fā)射的發(fā)生。初始階段，聲發(fā)射累積數(shù)較小，損傷較低，隨著AE累積數(shù)的增加，損傷變量隨時間近似線性增長；臨近破壞，損傷變量曲線變化趨勢逐漸放緩，表明在破裂瞬間不一定是產(chǎn)生大破裂，也可能是巖石內(nèi)部多處裂紋貫通，形成一條影響巖石強度的宏觀裂紋。

圖8 自然花崗巖ZRHG-1損傷變量-時間、AE累計事件數(shù)-時間曲線

試驗過程中，830 s左右，孔口處左右兩側(cè)開始掉落碎屑，繼而出現(xiàn)小碎片彈射，AE能率開始小幅度增加，損傷曲線逐漸變緩，損傷變量增長速度開始降低(見圖9)；隨著巖石內(nèi)部損傷程度的增加，巖石強度逐步衰減，1 100 s時，巖樣內(nèi)裂隙貫通，沿孔洞內(nèi)壁左右兩側(cè)形成垂直于加載方向的貫通裂縫，同時孔洞內(nèi)碎片彈射更加劇烈，巖石內(nèi)儲存的彈性應變能迅速釋放，表現(xiàn)為AE能率急劇增加，損傷曲線趨于水平，巖石內(nèi)部損傷達到最大，損傷變量穩(wěn)定于某一值。

圖9 自然花崗巖ZRHG-2損傷變量-時間、AE能率-時間曲線

對比圖10中不同含水狀態(tài)下花崗巖損傷變量-時間曲線發(fā)現(xiàn)，飽和花崗巖損傷值突增點出現(xiàn)較早，自然花崗巖初始損傷滯后于飽和花崗巖。已有研究[14-17]表明，水能使巖石亞臨界裂紋擴展的門檻值有較大幅度的降低，能加速巖石內(nèi)部裂紋的擴展。由于水的影響，飽和花崗巖亞臨界裂紋擴展的門檻值降低，裂紋擴展加速，內(nèi)部較早出現(xiàn)損傷。

圖10 不同含水狀態(tài)下花崗巖損傷變量-時間曲線

3 結(jié) 論

(1)自然狀態(tài)花崗巖破壞后的碎片比飽和花崗巖更為粉碎，飽和花崗巖比自然狀態(tài)花崗巖顆粒彈射時間滯后。

(2)軸向載荷達到峰值荷載的65%～80%時，聲發(fā)射事件進入平靜期，且自然狀態(tài)下花崗巖的聲發(fā)射平靜期比飽和狀態(tài)下平靜期稍長。聲發(fā)射事件率出現(xiàn)平靜期的起點可作為巖爆發(fā)生的前兆特征。

(3)飽和花崗巖的聲發(fā)射平均事件率要比自然狀態(tài)花崗巖高，高聲發(fā)射事件率持續(xù)時間較長，自然狀態(tài)花崗巖較大聲發(fā)射能率出現(xiàn)時間滯后于飽和花崗巖，說明水對花崗巖的聲發(fā)射活動具有一定影響。

(4)花崗巖巖爆過程中聲發(fā)射事件率與能率變化規(guī)律表現(xiàn)出此消彼長的特征：前期聲發(fā)射事件率較大并處于活躍期，聲發(fā)射能率處于低而穩(wěn)定的狀態(tài)；破壞時聲發(fā)射事件率下降并進入平靜期，能量突然大量釋放,聲發(fā)射能率急劇上升。當出現(xiàn)少量的大能率事件時，可以推斷即將發(fā)生巖爆。

(5)聲發(fā)射與巖石內(nèi)部損傷具有一致對應關(guān)系，新的損傷的產(chǎn)生一定伴隨著聲發(fā)射的發(fā)生，損傷變量可以表征巖石內(nèi)部的損傷。自然狀態(tài)花崗巖出現(xiàn)初始損傷的時間滯后于飽和花崗巖。

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(責任編輯 石海林)

Experimental Study of Simulated Acoustic Emission of Granites Rock Burst under Different Moisture State

Li Jian1,2Zhang Yanbo1,2Liu Xiangxin1,2Tian Baozhu1,2

(1．CollegeOfMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009，China;2.HebeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique,Tangshan063009，China)

An experiment is carried out to simulate granites rock burst under natural and saturated state with biaxial rigid servo-controlled system.The PCI-2 acoustic emission system produced by American Physical Acoustics Corporation is used to collect data of the acoustic emission synchronously.Then，the influence of water on tunnel rock burst is studied.It is found that the granite samples with different moisture contents show different acoustic emission characteristics in the process of rock burst.The saturated granites eject rock debris later than the natural granites.The acoustic emission of natural and saturated granites comes into quiet period when the axial load reaches 65%～80% of the peak load and the quiet period with natural granites is longer than that with saturated granites.The average acoustic emission events rate of saturated granites is higher and the duration of high acoustic emission events rate is longer than that with natural granites.The high acoustic emission energy rate of natural granites appears after that of saturated granites.The acoustic emission events rate and energy rate present trading off and taking turns in the process of granite rock burst.The initial damage of natural granites occurs after that of saturated granites.

Different moisture state，Rock burst，Acoustic emission，Damage mechanics

2013-12-21

國家自然科學基金項目(編號:51374088，51174071)，河北省自然科學基金項目(編號：E2012209047)。

李 健(1989—)，女，碩士研究生。

P618.11，TE112

A

1001-1250(2014)-04-053-07