戴文靜　周曉山

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.承德市灤平縣國(guó)土資源局)

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花崗巖巖爆的聲發(fā)射試驗(yàn)研究*

戴文靜1，2周曉山1

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院；2.承德市灤平縣國(guó)土資源局)

摘要通過(guò)對(duì)不同含水深部巷道花崗巖進(jìn)行雙軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)，利用聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)巖爆孕育、發(fā)生與發(fā)展的整個(gè)過(guò)程，對(duì)比分析水對(duì)巖爆的影響，并通過(guò)分析聲發(fā)射事件率和聲發(fā)射絕對(duì)能率研究巖爆發(fā)生的規(guī)律，為巖爆監(jiān)測(cè)提供研究基礎(chǔ)和技術(shù)支持。模擬試驗(yàn)結(jié)果表明：干燥飽水花崗巖都有明顯的巖爆現(xiàn)象發(fā)生，飽水花崗巖巖爆發(fā)生時(shí)間有所滯后，巖爆發(fā)生爆裂程度有所降低；干燥花崗巖彈性能大，飽水花崗巖彈性能略?。桓稍锖惋査◢弾r聲發(fā)射事件率和絕對(duì)能率在主破裂前都有一小段平靜期，飽水花崗巖絕對(duì)能率有雙峰性。

關(guān)鍵詞花崗巖巖爆含水聲發(fā)射

巖爆是在高地應(yīng)力條件下，由于地下硐室開(kāi)挖產(chǎn)生的卸荷作用，導(dǎo)致硐壁應(yīng)力重新分布的一種動(dòng)態(tài)失穩(wěn)地質(zhì)災(zāi)害[1]。影響巖爆的因素眾多，水是其中最重要的一項(xiàng)。因巖石力學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)量較為困難，所以常常利用聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)測(cè)試巖石力學(xué)參量及巖石的聲發(fā)射特征[2]。

在研究水對(duì)巖石破裂作用方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)一系列單軸壓縮、三軸壓縮試驗(yàn)及其他的剪切滲透試驗(yàn)，結(jié)果表明，飽和度與巖石的各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。李昌友[3]等人通過(guò)對(duì)風(fēng)化板巖的崩解和軟化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，干燥板巖容易崩解，大旱后突降雨會(huì)導(dǎo)致板巖的強(qiáng)烈崩解，水對(duì)巖石崩解產(chǎn)生促進(jìn)作用；趙忠波[4]進(jìn)行了新鮮砂巖和弱風(fēng)化砂巖的強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，證實(shí)了水對(duì)巖石具有弱化作用，巖石受風(fēng)化之后彈性模量降低，殘余變形增加；彭曙光[5]等通過(guò)對(duì)受地下水作用的4種不同巖性巖石試件作形貌掃描，發(fā)現(xiàn)礦巖遇水軟化，巖石破壞時(shí)不屬于脆性破壞，且?guī)r石抗壓強(qiáng)度降低；謝和平等[6]利用軟化系數(shù)描述巖石強(qiáng)度的變化，發(fā)現(xiàn)巖石的干抗壓強(qiáng)度明顯高于濕抗壓強(qiáng)度，巖石遇水后軟化系數(shù)較小的強(qiáng)度大幅度下降；張艷博和劉祥鑫等[7]利用多種監(jiān)測(cè)手段開(kāi)展不同含水狀態(tài)的巷道巖爆試驗(yàn)，提出應(yīng)建立巖爆監(jiān)測(cè)的多物理場(chǎng)參數(shù)聯(lián)合預(yù)警方法，可為巖爆監(jiān)測(cè)提供更準(zhǔn)確地預(yù)警信息。

本文通過(guò)對(duì)深部巷道花崗巖進(jìn)行不同含水雙軸壓縮條件下的聲發(fā)射模擬試驗(yàn)，采用聲發(fā)射儀監(jiān)測(cè)巖爆的孕育、發(fā)生以及爆發(fā)的整個(gè)過(guò)程，采集力學(xué)、聲發(fā)射[8]等參數(shù)，對(duì)比分析不同含水條件下花崗巖巖爆特性、巖爆發(fā)生規(guī)律，為巖爆監(jiān)測(cè)提供技術(shù)手段。

1試驗(yàn)方案

1.1巖石試樣制備

本試驗(yàn)選取未風(fēng)化的花崗巖，取樣時(shí)對(duì)巖石進(jìn)行層位、方位及受力方向標(biāo)記，并將巖石粗加工成塊狀，長(zhǎng)×寬×高為150 mm×150 mm×150 mm，人工打磨時(shí)控制試樣兩端面高度差不大于0.05 mm，端面不平整度誤差不大于0.02 mm。選擇12塊符合規(guī)格的巖樣，在中心正對(duì)著的兩面鉆孔(φ=45 mm)，一面孔深50 mm，另一面孔深90 mm，孔間留10 mm厚巖層，分兩組，每組4塊，進(jìn)行如下處理：

(1)干燥試件制備。將試件置于GZX-9070MBE型電熱鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，在105 ℃恒溫下烘48 h。期間烘干24 h后，取出放入干燥器內(nèi)冷卻至室溫后稱量，再次間隔24 h取出稱量。若兩次稱量試件質(zhì)量變化率在0.1%之內(nèi)，即滿足要求。最后將試樣用塑料保鮮膜包裹好。

(2)飽和含水試件制備。采用自由浸水法飽和，將干燥后的巖樣放入水槽中，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(méi)試樣，試樣在水中浸泡48 h。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

壓力試驗(yàn)在RLW-3000微機(jī)控制雙軸試驗(yàn)機(jī)上完成，巖石聲發(fā)射試驗(yàn)采用美國(guó)聲學(xué)物理公司PAC(Physical Acoustic Corporation)生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)(如圖1)。

圖1　實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.3試驗(yàn)方案

干燥花崗巖編號(hào)為GHG-1、GHG-2、GHG-3、GHG-4，飽水花崗巖編號(hào)為BSHG-1、BSHG-2、BSHG-3、BSHG-4，分別進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，保持加載系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測(cè)同步。首先手動(dòng)控制試驗(yàn)機(jī)預(yù)加載到5 kN，關(guān)閉內(nèi)側(cè)閥門(mén)后計(jì)算機(jī)控制加載，水平載荷以力控制方式以800 N/s加到300 kN，軸向預(yù)加載300 kN，水平方向以25 mm/min卸載，軸向持續(xù)加載，直至巖爆發(fā)生。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1試驗(yàn)現(xiàn)象以及破壞分析

試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。干燥狀態(tài)和含水狀態(tài)下都產(chǎn)生了較為明顯的巖爆現(xiàn)象。當(dāng)軸向應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值后，巖石出現(xiàn)掉渣，隨著載荷的繼續(xù)增加，掉渣現(xiàn)象更加明顯，孔側(cè)壁碎片彈射，孔壁內(nèi)部深層又有新的剝離層出現(xiàn)。當(dāng)達(dá)到極限應(yīng)力時(shí)，整個(gè)洞孔受載突然破裂。

圖2　不同含水狀態(tài)花崗巖破裂形態(tài)

由于水的作用，導(dǎo)致巖石強(qiáng)度減小，塑性變形成分增加，彈性成分減小，彈性模量相應(yīng)減小，使積蓄的彈性能減少，造成巖爆劇烈程度降低。

2.2力學(xué)特性分析

通過(guò)RLW-3000型微機(jī)伺服巖石雙軸試驗(yàn)機(jī)對(duì)花崗巖雙向加載，可以得到各試件的載荷-時(shí)間曲線，如圖3所示。選取了每種狀態(tài)下的3塊試件進(jìn)行分析。

圖3　不同含水花崗巖載荷-時(shí)間曲線

從圖3中可以看出，花崗巖軸向、水平預(yù)加載相同，軸向持續(xù)加載直到極限應(yīng)力后回落，水平載荷不變，在軸向加載到一定程度后卸載。將曲線分為4個(gè)階段：①試驗(yàn)初始階段，由于巖石初始裂紋的存在，在加載初期，這類裂紋首先發(fā)生受壓閉合作用，形成早期的非線性變形，但花崗巖屬于高強(qiáng)度的硬脆巖石，此階段不明顯；②彈性階段，此階段載荷-時(shí)間曲線保持線性關(guān)系，巖石試件并沒(méi)有產(chǎn)生明顯的破裂；③巖爆發(fā)生及發(fā)展階段，在孔硐邊壁已產(chǎn)生較為典型的顆粒彈射現(xiàn)象，裂隙擴(kuò)展接交形成滑動(dòng)面，試件的承載能力達(dá)到極限，出現(xiàn)峰值強(qiáng)度，巖樣爆裂，伴隨巨大聲響；④破裂階段，試件通過(guò)峰值強(qiáng)度之后，內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到破壞，曲線急劇下降。

由圖3中不難看出，干燥花崗巖線彈性階段比較明顯，彈性能大，經(jīng)歷時(shí)間最長(zhǎng)，峰值強(qiáng)度較于飽水花崗巖大；飽水花崗巖彈性階段曲線較為平緩，花崗巖含水后彈性能較小，峰值強(qiáng)度較小；峰值之后飽和狀態(tài)下試件破裂前后端載荷的變化幅度要大于干燥狀態(tài)，說(shuō)明產(chǎn)生相等變形量，干燥狀態(tài)下施加的外部載荷明顯要比飽和狀態(tài)下需施加的外部荷載大。

2.3試驗(yàn)分析

2.3.1聲發(fā)射事件率分析

選取聲發(fā)射事件率能反映花崗巖內(nèi)部破裂事件發(fā)生的頻率、聲發(fā)射源活動(dòng)性和定位集中度。由試驗(yàn)結(jié)果分別繪制出不同含水狀態(tài)下花崗巖聲發(fā)射事件率和載荷對(duì)時(shí)間的關(guān)聯(lián)圖，如圖4、圖5所示。

圖4　飽水花崗巖聲發(fā)射事件率、載荷時(shí)間曲線

圖5　干燥花崗巖聲發(fā)射事件率、載荷時(shí)間曲線

由圖4可以看出，飽水花崗巖在受壓初期就有一些聲發(fā)射事件發(fā)生，但活動(dòng)水平都很低，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，直至線性彈性階段?；◢弾r的顆粒之間和某些礦物顆粒內(nèi)部存在著許多不定向、不連續(xù)的微形裂隙，此類巖石在荷載作用下的裂紋行為非?；钴S，對(duì)應(yīng)力作用敏感?；◢弾r即使在飽水時(shí)，含水量也很低，但含水還是有很大作用的。而其中BSHG-1在初加載時(shí)聲發(fā)射就十分活躍，聲發(fā)射事件率達(dá)到300次/s的高度，說(shuō)明此巖樣在遇水時(shí)，水在晶粒間產(chǎn)生負(fù)壓，造成巖石實(shí)際強(qiáng)度降低，晶粒之間微空隙很快受壓閉合，產(chǎn)生較大能量的聲發(fā)射信號(hào)。

試驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行，載荷增加抵消了晶粒之間的結(jié)合力，晶粒開(kāi)始沿晶粒間分離，產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象。此階段一直持續(xù)到極限應(yīng)力的98%左右時(shí)，聲發(fā)射出現(xiàn)高峰，隨后擴(kuò)展速度減緩，聲發(fā)射信號(hào)減弱，直至巖爆后所形成的主破裂面產(chǎn)生。

圖5為干燥花崗巖聲發(fā)射事件率-載荷-時(shí)間曲線。由圖5中看出，在加載初期，在裂隙壓密階段就有大量聲發(fā)射事件產(chǎn)生，花崗巖本身含水率低，干燥之后仍然繼承著花崗巖很大特性；在彈性變形階段，聲發(fā)射率顯著增加，聲發(fā)射持續(xù)出現(xiàn)峰值，在達(dá)到極限應(yīng)力之前的一段時(shí)間，聲發(fā)射事件率出現(xiàn)一段平靜的時(shí)間；在達(dá)到極限載荷時(shí)聲發(fā)射率出現(xiàn)高峰；之后，伴隨著試件的破壞，聲發(fā)射事件率和載荷回落。

綜上，花崗巖在干燥情況下加載初期就有大量聲發(fā)射產(chǎn)生，在飽水之后加載初期聲發(fā)射較少，說(shuō)明花崗巖含水之后彈性能減弱，干燥和飽水巖樣聲發(fā)射在到達(dá)極限應(yīng)力之前都有一段平靜期。

2.3.2聲發(fā)射絕對(duì)能率分析

聲發(fā)射絕對(duì)能率是指單位時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到全部事件的聲發(fā)射總和。選取聲發(fā)射絕對(duì)能率對(duì)花崗巖巖爆聲發(fā)射特性進(jìn)行描述，以此來(lái)反映花崗巖內(nèi)部破裂事件的絕對(duì)能量和強(qiáng)度及巖石內(nèi)部的破裂演化特征。由試驗(yàn)結(jié)果分別繪制出不同含水狀態(tài)下花崗巖絕對(duì)能率和載荷對(duì)時(shí)間的關(guān)聯(lián)圖，如圖6、圖7所示。

圖6　飽水花崗巖絕對(duì)能率-載荷-時(shí)間曲線

圖7　干燥花崗巖絕對(duì)能率-載荷-時(shí)間曲線

從圖6可以看出，飽水狀態(tài)下花崗巖在加載初期能率平穩(wěn)，花崗巖作為高強(qiáng)度巖石，飽水時(shí)彈性能有一定的減弱。隨著載荷增加，在巖樣主破裂前能率突然出現(xiàn)峰值，此時(shí)巖樣內(nèi)部裂紋大量擴(kuò)展，彈性能釋放，能率增加。之后，能率雖有活躍，但也沒(méi)有峰值，直到載荷到極限應(yīng)力巖石爆裂，能率達(dá)到高峰，這兩段之間是一段較平靜的時(shí)期，與聲發(fā)射事件率的峰值對(duì)比有一些延遲。

從圖7可以看出，干燥花崗巖在加載前期能率有些活躍，隨著載荷增加，彈性能的聚集，在彈性階段能率出現(xiàn)高峰，如圖7(b)，巖樣內(nèi)部裂紋大面積擴(kuò)展，彈性能釋放。載荷繼續(xù)加載，能率出現(xiàn)一段較為平靜期，但持續(xù)較短。

以上分析得出：花崗巖屬于高強(qiáng)度巖石，含水率較低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，在加載初期，干燥花崗巖能率較活躍，飽水花崗巖遇水受影響較平穩(wěn)；彈性階段，飽水花崗巖能率出現(xiàn)峰值，而飽水花崗巖稍微滯后。隨后，干燥和飽水花崗巖都有一較短的平靜期，此時(shí)載荷到達(dá)極限應(yīng)力，能率出現(xiàn)峰值，隨后回落。

3結(jié)論

(1)巖石在加載過(guò)程中，在裂隙壓密階段，花崗巖屬于高強(qiáng)度巖石，變化不明顯。彈性階段和破壞階段干燥和飽水花崗巖變化符合一般規(guī)律，干燥花崗巖彈性能大，飽水花崗巖彈性能略小。

(2)在初期，干燥和飽水花崗巖都有大量聲發(fā)射事件產(chǎn)生，飽水花崗巖受水影響，聲發(fā)射事件較干燥狀態(tài)略少，聲發(fā)射事件率峰值出現(xiàn)滯后，干燥和飽水巖樣聲發(fā)射在到達(dá)極限應(yīng)力之前都有一平靜期。

(3)在加載初期，干燥花崗巖能率較活躍，飽水花崗巖遇水受影響較平穩(wěn)；彈性階段，飽水花崗巖能率出現(xiàn)峰值稍微滯后，隨后，干燥和飽水花崗巖都有一平靜期，飽水花崗巖絕對(duì)能率有雙峰性。

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(收稿日期2015-10-20)

Experimental Study of Rock Burst Acoustic Emission

Dai Wenjing1,2Zhou Xiaoshan1

(1. College of Mining Engineering, North China of Science and Technology;2. Bureau of Land Resources Management of Luanping County, Chengde City)

AbstractBased on the different water deep roadway granite biaxial loading acoustic emission experiment, monitoring the whole process of occurrence and development of rock burst by the acoustic emission testing technology, analyzing the influence of water to rock burst to obtain the rock burst occurs regularity by the analysis of the rate of acoustic emission event and the acoustic emission absolute energy rate to provide research basis and technical basis for monitoring rock burst. The simulation result show that dry saturated granite has obvious phenomenon of rock burst occurred, but the full water granite rock burst occurrence time is lag behind, the degree of rock burst is decreased; the dry granite elastic energy is larger than the saturated granite flexibility; dry saturated granite and saturated granite rate of acoustic emission events and absolute duty have a short quiet period before the main rupture, the absolute duty of full water granite has the bimodal characteristics.

KeywordsGranite, Rock burst, Containing moisture, Acoustic emission

*河北省教育廳自然科學(xué)類項(xiàng)目(編號(hào)：QN2014067)。

戴文靜(1985—)，女，碩士研究生，163009 河北省唐山市新華西道46號(hào)。

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