張俊思,梅甫定,梅志恒,毛 勇,羅衛(wèi)兵
(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.大冶有色金屬有限責(zé)任公司豐山銅礦,湖北 黃石 435000)
巖爆是突然的巖石破壞,常常有巖石的破碎和從圍巖中突出,并伴隨著能量的猛烈釋放,是一種動態(tài)力學(xué)現(xiàn)象[1,2]。巖爆作為金屬礦山深部開采時(shí)遇到的一種嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重威脅著井下作業(yè)人員和設(shè)備的安全。聲發(fā)射作為外在響應(yīng)的一種,是材料在受到外部載荷或是內(nèi)力作用下發(fā)生變形、斷裂,貯藏的部分能量集中以彈性波方式釋放應(yīng)變能的過程[3]。聲發(fā)射是伴隨受力和變形過程產(chǎn)生的,根據(jù)聲發(fā)射各種參數(shù)的強(qiáng)度、數(shù)量、頻率等特征分析材料變形破壞的過程,可以建立起聲發(fā)射特性與其變形過程的內(nèi)在聯(lián)系。
采用聲發(fā)射技術(shù)的研究可以歸為兩類,對聲發(fā)射信號簡化的波形特征參數(shù)的研究和對聲發(fā)射信號波形的頻譜分析。基于以上研究,本文選取聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、幅值和能量三個(gè)特征參數(shù),以豐山銅礦深部大理巖為試驗(yàn)對象,進(jìn)行單軸巖爆模擬試驗(yàn),探索深部大理巖巖爆的發(fā)生機(jī)理,以期對工程實(shí)際具有指導(dǎo)意義。
試驗(yàn)用大理巖巖芯取自湖北大冶豐山銅礦-440m埋深處,平均天然密度為2.656g/cm3,飽和密度為2.662g/cm3。遵循《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266-2013)要求,經(jīng)打磨加工成50×100mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件,用于試驗(yàn)。
試驗(yàn)過程中,加載系統(tǒng)選用MTS 815電液伺服測試系統(tǒng),監(jiān)測系統(tǒng)選用PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。四個(gè)聲發(fā)射傳感器布置在試件兩側(cè),距離端部1cm左右,傳感器探頭均勻涂抹耦合劑,并用絕緣膠帶緊密固定。試驗(yàn)開始時(shí),加載系統(tǒng)同聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)同步開啟。
本試驗(yàn)采取位移控制單軸一次性加載方式,加載至試件發(fā)生整體破裂后停止,加載速率0.0020mm/s。為有效降低環(huán)境噪音對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響,聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)門檻值設(shè)為55dB。據(jù)此方法進(jìn)行多組試驗(yàn),并發(fā)現(xiàn)試件破裂時(shí)均出現(xiàn)碎巖彈射,伴有炸裂聲響的輕微巖爆現(xiàn)象出現(xiàn),從加載后破壞的試件中選取具有典型巖爆現(xiàn)象的兩試件P-1、P-3展開研究。
通過對AE信號處理,獲得試件P-1、P-3 AE波形的幅值、振鈴計(jì)數(shù)的變化規(guī)律如圖1、圖2所示。
觀察發(fā)現(xiàn)AE信號振鈴計(jì)數(shù)的峰值與AE信號幅值的凸起相對應(yīng)。在壓密階段,由于試樣內(nèi)部裂隙在受壓后閉合而產(chǎn)生較多AE信號。在試件P-1中,壓密階段加載用時(shí)占破壞全過程的19%。說明原生微裂隙、空隙在外界作用下壓實(shí)閉合消耗的時(shí)間較短,但是AE活動比較活躍。在裂隙被壓密后,AE振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)了短暫的相對平靜期,但是AE幅值仍然比較活躍。在180s~220s左右,AE振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)了一段密集的活動,此時(shí),幅值出現(xiàn)了一次高潮。隨后,振鈴計(jì)數(shù)和幅值再次進(jìn)入平靜期。在330s及以后,振鈴計(jì)數(shù)和幅值再次活躍起來,說明此時(shí)裂紋開始貫通、連接,最終形成宏觀裂紋,直至試件被破壞。
圖1 P-1時(shí)間-應(yīng)力-振鈴計(jì)數(shù)-幅值
圖2 P-3時(shí)間-應(yīng)力-振鈴計(jì)數(shù)-幅值
與試件P-1相比,試件P-3在整個(gè)加載過程中,振鈴計(jì)數(shù)的活動規(guī)律與試件P-1基本相同,但是幅值一直表現(xiàn)出中高強(qiáng)度。在壓密階段出現(xiàn)一些高幅值的撞擊,隨后幅值強(qiáng)度降低,進(jìn)一步說明在壓密階段的高幅值聲發(fā)射信號主要是試樣內(nèi)部微裂紋、孔隙等細(xì)觀結(jié)構(gòu)在外界載荷作用下壓密所致。在試件破裂前,P-3和P-1的幅值均表現(xiàn)出急劇增加的趨勢,在時(shí)間上分別為330s及以后、320s及以后,大量高強(qiáng)度的幅值的聚集說明試件內(nèi)部裂紋開始擴(kuò)展、貫通,試件即將破裂。
設(shè)樣本數(shù)據(jù)值域?yàn)閇Min,Max],則線性函數(shù)歸一化表達(dá)式為:
式中:x、y 分別為轉(zhuǎn)換前、后的值;Max、Min 分別為樣本的最大值和最小值。
線性函數(shù)歸一化具有以下性質(zhì):①樣本的大小關(guān)系保持不變;②樣本的相對距離保持不變。采用線性函數(shù)歸一化處理巖爆過程中監(jiān)測到的各物理量,在同一尺度下觀察個(gè)物理量的變化規(guī)律,能夠較迅速、有效的識別巖爆發(fā)生前兆。
由于AE信號各個(gè)參量的物理值值域和量綱都不一樣,不利于快速的分析出各個(gè)參量的突變點(diǎn)出現(xiàn)的先后順序,也影響各參量之間的關(guān)聯(lián)性分析。因此,筆者選取AE信號的幅值、振鈴計(jì)數(shù)和能量三個(gè)特征參數(shù)進(jìn)行歸一化處理,綜合分析同一尺度下各個(gè)參量的變化規(guī)律,為巖爆的預(yù)警研究提供綜合依據(jù)。
圖3 P-1應(yīng)力及AE參數(shù)歸一化值變化
本文采取線性函數(shù)歸一化處理方法,對AE全波形信號后處理獲得振鈴、能量和幅值參數(shù)變化規(guī)律,這里采用巖石破壞時(shí)的AE累計(jì)數(shù)量Na對AE數(shù)N進(jìn)行歸一化處理。既歸一化比率為:n=N/Na。
AE特征參數(shù)的歸一化比率變化如圖3、圖4所示。在初始加載階段雖然產(chǎn)生少量AE信號,但相比后期巖石破裂的振鈴計(jì)數(shù)數(shù)量和對應(yīng)的幅值及能量極少,說明在壓密階段,AE各特征參數(shù)的歸一化比率均很小。隨后,在三種累計(jì)曲線中,AE幅值累計(jì)曲線首先開始增大,試件P-1和P-3中時(shí)間點(diǎn)分別為80s和170s,此時(shí)對應(yīng)著裂紋的萌生。之后,AE能量累計(jì)曲線和AE振鈴計(jì)數(shù)累計(jì)曲線開始增大,從中可以發(fā)現(xiàn),AE幅值累計(jì)曲線能夠快反映裂紋的產(chǎn)生,這一特征可以作為巖爆預(yù)警的依據(jù)。
觀察曲線后可以發(fā)現(xiàn)AE振鈴計(jì)數(shù)累計(jì)曲線和AE能量累計(jì)曲線都呈臺階式增長,圖4中P-1累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線和累計(jì)能量曲線表現(xiàn)的尤為突出,一共出現(xiàn)兩次臺階,此時(shí)曲線接近垂直狀態(tài),可以直接反映巖石的宏觀破裂。在巖石整個(gè)加載過程中,AE累計(jì)能量增長曲線和AE累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增長曲線的總是相互伴隨,同步增加。從中可以說明,振鈴計(jì)數(shù)的記錄是伴隨著能量的釋放,即高振鈴計(jì)數(shù)高能量。
觀察AE幅值累計(jì)增長曲線,發(fā)現(xiàn)在試件破裂前,曲線的增長會有一個(gè)“臨界點(diǎn)”,分別在試件P-1和P-3的270s、260s左右。這一點(diǎn)可作為巖石彈性變形階段和裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段的分界點(diǎn),在“臨界點(diǎn)”前巖石處于彈性變形階段,幅值累計(jì)曲線斜率較小。此后,隨著載荷的不斷增加,曲線斜率逐漸增大,裂紋開始穩(wěn)定擴(kuò)展,直至試件被破壞。這一“臨界點(diǎn)”可以作為巖爆發(fā)生的前兆特征點(diǎn),為巖爆預(yù)警提供理論依據(jù)。
(1)通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)試件的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和幅值活動規(guī)律基本吻合,但聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)在試件破壞前具有明顯的相對平靜期,這可以為工程實(shí)際中的巖爆預(yù)警提供理論依據(jù)。
(2)試件在壓密階段,由于巖石內(nèi)部原有裂隙、空洞被壓實(shí),振鈴計(jì)數(shù)和幅值的數(shù)量明顯增加,但信號強(qiáng)度不高。隨著試樣內(nèi)部微裂紋的不斷擴(kuò)展、萌生,產(chǎn)生大量的高幅值、高振鈴計(jì)數(shù)的聲發(fā)射信號。
(3)在幅值、振鈴計(jì)數(shù)和能量三種累計(jì)曲線中,幅值累計(jì)增長曲線最快開始增大,對裂紋的響應(yīng)時(shí)間最短。AE累計(jì)能量增長曲線和AE累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增長曲線的總是相互伴隨,同步增加。幅值累計(jì)增長曲線的初始增長點(diǎn)和曲線增長的“臨界點(diǎn)”均可以作為巖爆發(fā)生的前兆特征點(diǎn),為工程實(shí)際中此類災(zāi)害的發(fā)生提供防范指導(dǎo)。