不同側(cè)壓條件下花崗巖巷道巖爆聲發(fā)射特征實驗研究

于光遠，張艷博，梁　鵬，田寶柱，劉祥鑫

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)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)

不同側(cè)壓條件下花崗巖巷道巖爆聲發(fā)射特征實驗研究

于光遠1，2，張艷博1，2，梁鵬1，2，田寶柱1，2，劉祥鑫1，2

(1.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)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)

摘要：利用雙軸伺服控制試驗系統(tǒng)開展開挖卸荷擾動作用下花崗巖巷道巖爆模擬實驗，采用聲發(fā)射系統(tǒng)同步采集巖爆孕育及發(fā)生過程的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，研究不同側(cè)壓影響下花崗巖巷道巖爆聲發(fā)射特征。研究結(jié)果表明：雙軸條件下，軸壓與側(cè)壓差值越大，開挖引起的卸荷作用越明顯，孔洞內(nèi)出現(xiàn)初次顆粒彈射的時間越提前；隨著側(cè)壓的升高，巖爆釋放的總能量逐漸增加，聲發(fā)射累積能量進入“陡增”階段的時間則相對滯后；聲發(fā)射振鈴計數(shù)率能夠很好地反映巖爆發(fā)生階段孔洞內(nèi)應(yīng)力調(diào)整過程，隨著側(cè)壓的增加，振鈴計數(shù)率在加載后期的波動模式逐漸由“較低水平波動并出現(xiàn)一定數(shù)量跳增點”向“較高水平波動并出現(xiàn)一定數(shù)量突降點”轉(zhuǎn)化；結(jié)合聲發(fā)射RA值和AF值可知，巷道巖爆過程即產(chǎn)生張拉破裂又產(chǎn)生剪切破裂，隨著側(cè)壓的增大，巖爆破壞中剪切成分所占比例逐漸增多。研究結(jié)果為巖爆的預(yù)測和防治提供了實驗基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：側(cè)壓；卸荷；巖爆；聲發(fā)射

巖爆是在高地應(yīng)力條件下，由于地下工程的開挖擾動，導(dǎo)致巖體中應(yīng)力重新分布，儲存于巖體中的彈性應(yīng)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(zāi)害[1]。近年來，許多礦山已相繼進入深部開采，一些區(qū)段長、超大埋深地下硐室工程也逐漸被提上日程，巖爆發(fā)生的概率大大提高[2]。巖爆的發(fā)生往往造成設(shè)備的損壞和采掘空間的變形，嚴重時造成人員傷亡以及井巷的損壞，直接威脅施工人員、設(shè)備的安全，影響工程進度，已成為世界性的地下工程難題之一[3]。

巖石在外力作用下裂紋擴展時會產(chǎn)生聲發(fā)射，巖石聲發(fā)射特征可以反映巖石在受力過程中裂隙發(fā)展情況、巖石內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化和巖石損傷破壞情況[4-5]。對于巖爆的聲發(fā)射特性，學(xué)者們進行了廣泛的實驗研究。楊健等進行了巖爆機理的聲發(fā)射實驗研究，認為采用聲發(fā)射技術(shù)追蹤巖爆的產(chǎn)生和發(fā)展過程是進行巖爆機理研究的科學(xué)有效方法[6]；苗金麗等開展了三軸條件下單面突然卸載應(yīng)變巖爆實驗，并分析了其聲發(fā)射特征和微觀斷裂機制[7]；袁子清等通過開展單軸壓縮條件下巖爆模擬聲發(fā)射試驗，得到了有巖爆傾向性巖石加載和破壞全過程的聲發(fā)射演化特征[8]；李長洪等建立了聲發(fā)射參數(shù)的灰色尖點突變模型，并利用建立的模型和實驗中的聲發(fā)射參數(shù)對某礦巖爆進行了預(yù)測，得到了巷道發(fā)生巖爆的聲發(fā)射參數(shù)臨界值，為聲發(fā)射應(yīng)用于巖爆預(yù)測提供了實驗基礎(chǔ)[9]。

不同施工部位，工程巖體所處的水平應(yīng)力不同，巖爆發(fā)生的程度也不同，因此研究不同側(cè)壓條件下巷道巖爆發(fā)生規(guī)律具有重要意義。開挖是一切工程建設(shè)的前提，工程巖體能否發(fā)生巖爆與開挖所產(chǎn)生的卸荷效應(yīng)密切相關(guān)[10]。因此對于巖爆的室內(nèi)模擬實驗，應(yīng)當(dāng)充分考慮開挖導(dǎo)致的卸荷效應(yīng)，這樣才與工程實際符合度更高。

基于此，本文選用具有巖爆傾向性的花崗巖作為實驗對象，開展開挖卸荷擾動下的巷道巖爆模擬實驗，并采用聲發(fā)射系統(tǒng)進行同步采集，著重研究不同側(cè)壓條件下巷道巖爆過程聲發(fā)射特征，以期為工程實踐提供參考與指導(dǎo)。

1巖爆模擬實驗

1.1實驗試樣及設(shè)備

實驗選用花崗巖，按照國際巖石力學(xué)試驗規(guī)范加工成尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體，試件兩端面不平行度控制在0.02mm以內(nèi)，在正對的兩面中心鉆直徑45mm貫通圓孔，孔洞內(nèi)采 用由膨脹水泥、石英砂和減水劑等混合而成的充填料充填，并養(yǎng)護3天。

要求充填料力學(xué)性質(zhì)滿足如下要求：①彈性模量和強度盡量接近花崗巖試樣；②具有微膨脹性以保證與孔洞內(nèi)壁接觸良好。經(jīng)過單軸實驗測得花崗巖充填料應(yīng)力-應(yīng)變曲線，見圖1。由圖1可知充填料滿足實驗要求。

實驗主要設(shè)備有：RLW-3000微機控制伺服壓力機，同時采用美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)全程監(jiān)測。聲發(fā)射探頭與巖石表面之間用凡士林耦合。

圖1花崗巖和充填料應(yīng)力-應(yīng)變曲線

1.2加載方式

首先以1000N/S速率將水平方向分別加載到100kN、200kN和300kN，軸向加載到800kN后保持5min，開挖(取出充填料)，開挖后保持5min，之后水平不變，軸向繼續(xù)加載，加載速率為0.3mm/min，直至試樣發(fā)生多次巖爆并導(dǎo)致孔洞左右兩側(cè)形成貫通“V”形坑。加載路徑見圖2(以側(cè)壓200kN為例)。

圖2加載路徑曲線

2實驗結(jié)果分析

2.1實驗現(xiàn)象分析

在孔洞開挖后的二次加載過程中，巖爆演化過程見圖3。加載初期孔洞內(nèi)沒有任何現(xiàn)象，表現(xiàn)為一段平靜期，當(dāng)軸向載荷達到一定程度時孔洞內(nèi)壁局部出現(xiàn)小顆粒彈射，繼續(xù)加載孔洞內(nèi)出現(xiàn)片狀剝離并伴隨混合彈射，最終孔洞內(nèi)壁出現(xiàn)劇烈彈射，壁面出大量顆粒以一定初速度瞬間拋出，并伴有清脆的爆裂聲，破裂部位呈現(xiàn)“V”形坑。巖爆發(fā)生后并沒有引起試樣的整體崩塌，繼續(xù)加載孔洞內(nèi)部再一次恢復(fù)穩(wěn)定，此階段為應(yīng)力調(diào)整過程，應(yīng)力調(diào)整之后孔洞內(nèi)再次出現(xiàn)劇烈彈射，孔洞內(nèi)壁左右兩側(cè)“V”型坑開始向孔口處延伸，并最終貫通。由以上分析可知，此種實驗方法下模擬出的巷道巖爆為多次應(yīng)力調(diào)整引發(fā)的多此巖爆，孔洞內(nèi)經(jīng)歷了“巖爆—應(yīng)力調(diào)整—再次巖爆”的過程。

孔洞開挖過程中，不同側(cè)壓條件下的試樣軸向荷載均出現(xiàn)了小幅度下降(表1)。軸向載荷降從一定程度上能夠反映開挖對孔洞卸荷擾動的大小。經(jīng)分析可知，卸荷擾動作用的大小與開挖過程中軸向、側(cè)向兩個方向壓力差有關(guān)，差值越大，卸荷作用越明顯，產(chǎn)生的卸荷損傷越多。

圖3巖爆過程

表1孔洞開挖后軸向載荷降

試樣編號側(cè)壓/kN側(cè)壓與軸壓差/kN載荷降/kN平均值/kNKHGZ-100-11007000.350.31KHGZ-100-20.31KHGZ-100-30.28KHGZ-200-12006000.270.22KHGZ-200-20.18KHGZ-200-30.20KHGZ-300-13005000.160.15KHGZ-300-20.16KHGZ-300-30.12

注：側(cè)壓與軸壓差為開挖過程的壓力差值。

實驗過程中發(fā)現(xiàn)，孔洞內(nèi)壁出現(xiàn)初次小顆粒彈射的時間開挖過程載荷降的增加而提前(表2)。這表明開挖卸荷是影響巖爆的重要因素，巷道開挖所造成的卸荷影響越大，發(fā)生巖爆的可能性就越高。

表2　孔洞內(nèi)出現(xiàn)初次顆粒彈射時間

2.2巖爆過程聲發(fā)射特征分析

由于實驗過程中巖爆現(xiàn)象在開挖后的二次加載中產(chǎn)生，因此對二次加載過程進行重點分析。

2.2.1聲發(fā)射時序參數(shù)特征

圖4為試樣二次加載全過程載荷、聲發(fā)射累積能量隨時間變化曲線。從圖4中可知，二次加載初期，不同側(cè)壓條件下花崗巖均有少量較弱聲發(fā)射產(chǎn)生，此時試件處于彈性變形階段，聲發(fā)射信號相對較低。隨著軸向載荷的增加，巖石內(nèi)部的微裂隙逐漸擴展、貫通形成大裂紋，巖石孔洞內(nèi)出現(xiàn)劇烈的顆粒彈射和片狀剝落，此時聲發(fā)射累積能量快速增長，并在峰值載荷附近達到最大值。

對比圖4中可知，巖爆過程中的能量釋放規(guī)律受側(cè)壓影響顯著。當(dāng)側(cè)壓較低時，巖爆全過程所釋放的總能量較低，隨著側(cè)壓力的提高，試樣巖爆所釋放的總能量逐漸增加，聲發(fā)射累積能量數(shù)量級由109增加至1011。這表明巷道施工部位水平應(yīng)力越大，越容易發(fā)生強巖爆。

圖4試樣載荷、累積能量-時間曲線

從整個加載過程來看，加載后期累積能量曲線都存在“陡增”的階段，這是由于孔洞內(nèi)壁開始劇烈彈射并釋放較高能量所致。隨著側(cè)壓的增高，累積能量由“平穩(wěn)”進入“陡增”的轉(zhuǎn)折點滯后。這表明在軸壓不變的情況下，隨著開挖前巷道所受側(cè)壓力的增加，巷道開挖后的加載過程中，誘發(fā)孔洞內(nèi)部裂紋產(chǎn)生與拓展的應(yīng)力水平逐漸增加。

圖5為試樣載荷、振鈴計數(shù)率-時間曲線。從圖5中可以看出，側(cè)壓對花崗巖巖爆過程中聲發(fā)射振鈴計數(shù)率有明顯影響。隨著側(cè)壓的提高，巖爆發(fā)生前振鈴計數(shù)率突變點出現(xiàn)的時間滯后。表明在側(cè)壓較低的情況下，開挖卸荷后，較低的應(yīng)力擾動即能誘發(fā)微裂紋的迅速拓展和貫通，進而產(chǎn)生巖爆災(zāi)害。

圖5試樣載荷、振鈴計數(shù)率-時間曲線

由圖5知，加載前期，不同側(cè)壓花崗巖振鈴計數(shù)率均很小，此時巖石試件以彈性變形為主，因此聲發(fā)射信號相對較低。加載后期，孔洞內(nèi)部開始出現(xiàn)裂紋的萌生與拓展，聲發(fā)射信號增強，振鈴計數(shù)率均急劇升高，較為密集，出現(xiàn)群震型特征，并不斷波動。振鈴計數(shù)率后期劇烈波動過程中均存在較低的平靜期，結(jié)合實驗現(xiàn)象可知，當(dāng)振鈴計數(shù)率出現(xiàn)平靜期的時候，孔洞內(nèi)顆粒彈射也出現(xiàn)短暫的停止，這表明此階段為應(yīng)力調(diào)整過程，孔洞內(nèi)壁在軸向加載的作用下繼續(xù)積累應(yīng)變能，當(dāng)能量積累達到下一個臨界狀態(tài)時，孔洞內(nèi)再次發(fā)生巖爆，因此，聲發(fā)射振鈴計數(shù)率能夠很好地反映巖爆發(fā)生過程中孔洞內(nèi)應(yīng)力調(diào)整過程。

隨著側(cè)壓的增加，加載后期聲發(fā)射振鈴計數(shù)率波動模式也隨之改變，側(cè)壓為100kN和200kN的情況下，加載后期振鈴計數(shù)率表現(xiàn)為在較低水平波動，其中側(cè)壓為100kN的試件波動范圍為2000～10000，側(cè)壓為200kN試樣波動范圍為5000～20000，且波動過程中出現(xiàn)一定數(shù)量的“跳增點”；在300kN側(cè)壓情況下加載后期振鈴計數(shù)率表現(xiàn)為在較高水平波動，其波動范圍為25000～65000，且波動過程中出現(xiàn)“下降點”。

2.2.2聲發(fā)射參數(shù)與裂紋演化特征

聲發(fā)射參數(shù)中的RA值和AF值 可反映材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂紋類型，RA 值是上升時間和幅值的比值，而AF值由振鈴計數(shù)和持續(xù)時間的比值獲得。一般來說，具有低 AF、高 RA 值的聲發(fā)射信號通常代表剪切裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，若是高 AF、低 RA 值則是張拉裂紋的產(chǎn)生或發(fā)育，因此可在分析宏觀和微觀破壞特征的基礎(chǔ)上，對比分析不同環(huán)境下巖爆聲發(fā)射RA值和AF值分布圖，探討花崗巖巖爆裂紋拓展演化機制。裂紋分類見圖6[11]。

圖6裂紋分類示意圖

圖7不同側(cè)壓條件下花崗巖巖爆
過程聲發(fā)射RA-AF散點圖

圖7為不同側(cè)壓條件下巷道巖爆聲發(fā)射RA值和AF值分布圖，對比分析可知，三種側(cè)壓下花崗巖均呈現(xiàn)出高RA值對應(yīng)低AF值、低RA值對應(yīng)高AF值的特點。從圖中可以看出，花崗巖巖爆過程即產(chǎn)生張拉裂紋又產(chǎn)生剪切裂紋。對比分析可知，側(cè)壓為100kN條件下花崗巖在張性區(qū)域分布較密集，RA最大值為530，在剪性區(qū)域內(nèi)散點分布較為稀疏；側(cè)壓為200kN條件下RA最大值為650，剪性區(qū)域內(nèi)散點分布逐漸增多；側(cè)壓為300kN條件下RA最大值為750，在剪性區(qū)域內(nèi)散點密集分布。這表明隨著側(cè)壓的升高，花崗巖巖爆過程中剪性裂紋逐漸增多。這表明在工程現(xiàn)場，水平應(yīng)力越高，巷道巖爆過程中越容易發(fā)生張拉破裂。

3結(jié)論

通過對不同側(cè)壓條件下花崗巖巷道巖爆過程聲發(fā)射特征進行研究，得到如下結(jié)論。

1)開挖前軸壓與側(cè)壓之間差值越大，開挖引發(fā)的卸荷作用越明顯，開挖后孔洞內(nèi)出現(xiàn)初次小顆粒彈射的時間越提前。

2)隨著側(cè)壓的增高，巖爆釋放的總能量增加，聲發(fā)射累積能量出現(xiàn)陡增的時間點則相對滯后。

3)巖爆過程中，聲發(fā)射振鈴計數(shù)率在波動過程中出現(xiàn)明顯的“平靜期”，這很好地反映了孔洞內(nèi)“巖爆—應(yīng)力調(diào)整—再次巖爆”的演化過程。

4)隨著側(cè)壓的增加，加載后期振鈴計數(shù)率演化模式逐漸由“較低水平波動并出現(xiàn)一定數(shù)量跳增點”向“較高水平波動并出現(xiàn)一定數(shù)量突降點”轉(zhuǎn)化。

5)巷道巖爆過程中，既產(chǎn)生張拉破裂又產(chǎn)生剪切破裂，隨著側(cè)壓的增高，巖爆破壞中剪切成分所占比例逐漸增加。

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Experimental study on acoustic emission characteristics of granite tunnel rock burst under different lateral pressure

YU Guang-yuan1，2，ZHANG Yan-bo1，2，LIANG Peng1，2，TIAN Bao-zhu1，2，LIU Xiang-xin1，2

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Mining Development and Technology Safety Key Lab of Hebei Province，Tangshan 063009，China)

Abstract:An experiment is carried out to simulate granites tunnel rock burst under unloading with biaxial rigid servo-controlled system.The acoustic emission(AE) system produced by American physical acoustics corporation is used to collect data of the AE in the process of rock burst synchronously.The influence of different lateral pressure on tunnel rock burst AE is studied.The result shows that in the conditions of biaxial，axial pressure and lateral pressure difference is large，due to excavation unloading load effect more obvious，the inwall of the hole first ejects rock debris is earlier；The rock burst release of total energy gradually were increased，the cumulative energy of AE into the “steep” stage of time lag；The AE ringing count rate can well reflect the stress adjustment of the hole process of rock burst，the AE ringing count rate fluctuation patterns gradually from “l(fā)ower level fluctuation and the emergence of a number of jump points” to “high level fluctuation and the emergence of a certain number of drop point” transformation at the later stage of the loading with the increasing lateral pressure；Tunnel rock burst process that produces a tensile rupture and shear rupture combined with the RA and AF values of acoustic emission，with the increase of lateral pressure，shear failure of rock burst in proportion gradually increased.The results provided the experimental basis for the prediction and control of rock burst.

Key words：lateral pressure；unloading；rock burst；acoustic emission

收稿日期：2015-09-15

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目資助(編號：51374088；51174071)；河北省自然科學(xué)基金資助(編號：E2012209047)；河北省高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)研究項目資助(編號：QN2014067)

作者簡介：于光遠(1991-)，男，碩士生，就讀于華北理工大學(xué)礦業(yè)工程專業(yè)，主要從事礦山巖石力學(xué)方面的研究工作。E-mail：386071340@qq.com。

中圖分類號：TD353

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0082-05