某礦深部灰?guī)r蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)與特性研究

閆明帥 邱 宇 陳 辰 王曉軍

(1.五礦礦業(yè)(安徽)工程設(shè)計有限公司；2.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；4.江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院)

圍巖的穩(wěn)定性影響著地下安全開采，其中，圍巖的流變特性對于地下開采的影響尤為突出[1-4]。近年來，大量學(xué)者對深部巖石蠕變特性進(jìn)行了深入研究，成果豐碩[5-8]，但對于巖石蠕變過程中聲發(fā)射特征的研究成果相對較少[9-10]。聲發(fā)射的產(chǎn)生與巖石蠕變損傷有關(guān)，如何利用聲發(fā)射信號對巖石蠕變破壞行為進(jìn)行分析，進(jìn)而利用聲發(fā)射對巖石蠕變破壞進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)報值得深入研究。本研究通過對某礦深部灰?guī)r進(jìn)行分級加卸載條件下的短時蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)，分析灰?guī)r樣品在不同蠕變階段的聲發(fā)射參數(shù)變化特征，為預(yù)測、預(yù)報灰?guī)r蠕變破壞提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)試樣選自某礦深部灰?guī)r，按照《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50266—2013)[11]制成了6件規(guī)格為50 mm×100 mm(直徑×高度)的標(biāo)準(zhǔn)試件(圖1)。

本研究試驗(yàn)的加載系統(tǒng)為GDS三軸流變儀(圖2)。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)壓力機(jī)相比具有無限剛度的特征，能夠給出精確的材料應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，有助于減少試驗(yàn)中的誤差，使得試驗(yàn)結(jié)果更加符合實(shí)際[12]。此外，在巖芯加載過程中可以通過計算機(jī)自動校正位移，也能夠在一定程度上提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

圖1 試樣照片

圖2 GDS三軸流變儀

試驗(yàn)開始時施加軸壓，施加軸壓過程采用載荷控制加載方式，開始時加載速度為0.1 kN/s，加載至預(yù)定的初始軸壓值。為防止試件在加載時發(fā)生破壞，高應(yīng)力水平時的加載速度為0.5 kN/s。待試件達(dá)到自身抗壓強(qiáng)度后，試件發(fā)生破壞，從而可以得到不同圍壓狀態(tài)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。短時蠕變聲發(fā)射試驗(yàn)采用分級加載方式。加載級數(shù)及每一級加載的應(yīng)力水平應(yīng)根據(jù)前期單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行劃分，本研究根據(jù)單軸抗壓試驗(yàn)結(jié)果共分為個6級別。在巖石蠕變的全過程中，采用PCⅠ-Ⅱ AEwin聲發(fā)射系統(tǒng)采集巖石的聲發(fā)射信號。該型儀器能夠?qū)崟r顯示聲發(fā)射信號的波形和聲發(fā)射參數(shù)，并且能滿足長時間監(jiān)測需求。在試件軸向中間部位布置聲發(fā)射傳感器，聲發(fā)射探頭與試件采用專用耦合劑耦合。聲發(fā)射采樣頻率為1 000 kHz，門檻值設(shè)置為40 dB。

2 結(jié)果分析

2.1 不同蠕變階段聲發(fā)射特征

本研究選取其中1件試件(編號為H-54)，將每1分級的聲發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行分類分析，通過對聲發(fā)射參數(shù)中的振鈴計數(shù)進(jìn)行分析處理，并結(jié)合試件的體積應(yīng)變變化，綜合分析不同應(yīng)力水平狀態(tài)下的聲發(fā)射特征。巖石的體應(yīng)變計算公式為

εV=εz+2εh，

式中，εV為體積應(yīng)變；εz為軸向應(yīng)變；εh為橫向應(yīng)變。

經(jīng)數(shù)據(jù)分析處理，得到不同階段的振鈴計數(shù)和體積應(yīng)變的變化曲線。分析可知：在整個灰?guī)r蠕變破壞過程中，聲發(fā)射事件數(shù)與蠕變體積應(yīng)變具有較好的相關(guān)性，在低應(yīng)力恒載過程中，聲發(fā)射大都集中于恒載前期，聲發(fā)射的振鈴計數(shù)發(fā)生突變時一般在巖石的減速蠕變階段，巖石長期處于不變的應(yīng)力水平下，巖石雖然會出現(xiàn)少量變形，但一般不會引起聲發(fā)射；隨著應(yīng)力水平的增加，在恒載時間中期，偶爾也有聲發(fā)射突增現(xiàn)象出現(xiàn)，說明在高應(yīng)力水平恒載狀態(tài)下，在等速蠕變階段，部分巖石會出現(xiàn)裂紋擴(kuò)展現(xiàn)象；在最后一級恒載時，即達(dá)到巖石單軸抗壓強(qiáng)度的90%左右時，巖石的恒載初始階段以及即將發(fā)生破壞的前期都會出現(xiàn)大量聲發(fā)射現(xiàn)象，表明巖石可能發(fā)生蠕變破壞。

2.2 累計振鈴事件比與泊松比變化特征

為進(jìn)一步揭示巖石蠕變與聲發(fā)射變化的密切相關(guān)性，根據(jù)不同時期的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變計算出了泊松比，累計振鈴事件比(即累計振鈴計數(shù)與累計事件數(shù)的比值)對巖石的變形與斷裂較敏感，優(yōu)于單一的聲發(fā)射參量分析結(jié)果[13-14]。本研究試驗(yàn)得出的泊松比-累計振鈴事件比變化曲線如圖3所示。

分析圖3可知：在灰?guī)r整個蠕變破壞過程中，聲發(fā)射累計振鈴事件比與蠕變體泊松比具有較好的相關(guān)性，在恒載階段，灰?guī)r的瞬時泊松比變化較大，跳動較大，此時的聲發(fā)射累計振鈴事件比變化也較大；在長期蠕變階段，隨著時間的增加，灰?guī)r的泊松比和聲發(fā)射累計振鈴事件比均趨于某個穩(wěn)定值，即使有變化，也是在相對穩(wěn)定的范圍內(nèi)，說明等速蠕變階段灰?guī)r的泊松比和累計振鈴事件比都將進(jìn)入一個平靜期；當(dāng)加載應(yīng)力達(dá)到巖石單軸抗壓強(qiáng)度的90%左右時(巖石即將破壞時)，巖石的聲發(fā)射累計振鈴事件比會出現(xiàn)突變現(xiàn)象。

3 結(jié) 論

(1)某礦深部灰?guī)r樣品聲發(fā)射事件數(shù)與體積應(yīng)變具有較好的相關(guān)性，低應(yīng)力恒載時，聲發(fā)射大都集中于恒載前期，聲發(fā)射的振鈴計數(shù)發(fā)生突變時一般在巖石的減速蠕變過程中，恒載后期出現(xiàn)了大量聲發(fā)射現(xiàn)象，表明巖石可能發(fā)生蠕變破壞。

(2)在巖石發(fā)生蠕變破壞過程中，聲發(fā)射累計振鈴事件比與蠕變體泊松比有較好的相關(guān)性，初期泊松比變化大，波動較大，聲發(fā)射累計振鈴事件比也有較大變化；長期蠕變階段，泊松比及聲發(fā)射累計振鈴事件比均趨于某一穩(wěn)定值，在巖石即將要發(fā)生破壞的前期，聲發(fā)射累計振鈴事件比會出現(xiàn)突變。

圖3H-54樣品泊松比-累計振鈴事件比變化曲線