單軸壓縮條件下加錨砂巖聲發(fā)射特性及其與巖爆的聯(lián)系

譚嘉諾，王斌,2,3，馮濤，寧勇，劉備備，趙伏軍,2,3

(1.湖南科技大學(xué)資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南湘潭，411201；2.湖南科技大學(xué)南方煤礦瓦斯與頂板災(zāi)害預(yù)防控制安全生產(chǎn)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭，411201；3.湖南科技大學(xué)煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南湘潭411201)

錨桿因其在巖土工程領(lǐng)域的各類洞室圍巖支護(hù)中具有良好加固效果而在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用[1?2]，然而，受巖體自身力學(xué)性能差異及深部復(fù)雜地質(zhì)條件等因素的影響，錨桿支護(hù)措施下的洞室失穩(wěn)現(xiàn)象頻現(xiàn)，輕者錨網(wǎng)破損、圍巖變形，重者發(fā)生巖爆、沖擊地壓等動(dòng)力災(zāi)害，支護(hù)措施下的巖爆依然會(huì)在瞬間造成圍巖片幫剝落、巷道冒落、垮塌甚至閉合堵塞，嚴(yán)重威脅施工人員的生命安全[3?4]。河南義馬千秋煤礦已支護(hù)巷道于2011年11月發(fā)生沖擊地壓，造成10 人死亡，64 人受傷[5]；2015年4月錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程的5 號(hào)實(shí)驗(yàn)室南側(cè)邊墻至拱肩區(qū)域內(nèi)，在支護(hù)區(qū)域發(fā)生巖爆，現(xiàn)場(chǎng)部分巖塊被拋擲至隧洞北側(cè)邊墻處[6]。以上發(fā)生事故的洞室圍巖均已采取錨桿支護(hù)等措施，錨桿支護(hù)下洞室失穩(wěn)破壞具有遲延性和隱蔽性特點(diǎn)。為確保深部巖體工程施工安全，很有必要對(duì)錨桿支護(hù)措施下洞室圍巖巖爆災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)和防治進(jìn)行研究。聲發(fā)射信號(hào)蘊(yùn)含了巖石內(nèi)部裂紋的萌生、擴(kuò)展等諸多信息，對(duì)監(jiān)測(cè)巖體破壞的發(fā)生及工程失穩(wěn)預(yù)測(cè)具有非常重要的價(jià)值[7]，目前，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于各類巖土體工程巖爆災(zāi)害的監(jiān)測(cè)與預(yù)報(bào)。1937年OBERT 等[8]對(duì)礦山巖石在受力變形破斷過(guò)程中的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行了研究并預(yù)報(bào)了阿米克銅礦的巖爆。許多學(xué)者還對(duì)巖石聲發(fā)射特性進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)研究，涉及荷載[9?10]、應(yīng)力路徑[11]和圍巖環(huán)境[12]等多個(gè)領(lǐng)域，為巖體工程聲發(fā)射監(jiān)測(cè)巖爆問(wèn)題的研究提供了有益參考。但目前研究多針對(duì)無(wú)錨巖體的聲發(fā)射率、聲發(fā)射能量等聲發(fā)射參數(shù)的變化特征，而對(duì)錨桿支護(hù)洞室為背景的加錨巖體聲發(fā)射特征的研究較少，對(duì)錨桿錨固下巖體的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)和巖爆分析很少。

1 巖體破裂類型與聲發(fā)射RA 值的聯(lián)系

常用于監(jiān)測(cè)巖體破裂的聲發(fā)射參數(shù)有聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、聲發(fā)射能量計(jì)數(shù)、聲發(fā)射b值(微破裂尺度的分布參數(shù))等，但這些參數(shù)很難判別巖體破裂類型，基于此，SHIOTANI等[13]提出了與巖體破裂類型有關(guān)的聲發(fā)射參數(shù)Grade值，即聲發(fā)射信號(hào)上升時(shí)間與幅值的比值(單位為ms/V)。SHIOTANI等[13]基于巖石彎曲和剪切的對(duì)比試驗(yàn)，綜合材料破壞過(guò)程早期階段和最終形成的破裂差異對(duì)聲發(fā)射Grade 值進(jìn)行計(jì)算，獲得聲發(fā)射Grade 值隨相應(yīng)加載力百分比水平的變化趨勢(shì)[13]，如圖1所示。由圖1可知：彎曲試驗(yàn)中，Grade 值達(dá)到10 后呈顯著下降趨勢(shì)，而剪切試驗(yàn)中整個(gè)破裂過(guò)程的Grade值維持穩(wěn)定，均小于5；Grade 值與巖石破裂類型存在極大相關(guān)性，當(dāng)Grade值較高時(shí)，巖石破壞會(huì)出現(xiàn)張拉型裂紋，而當(dāng)Grade值較低時(shí)，則出現(xiàn)剪切型裂紋，因此，Grade 值可作為評(píng)估巖石破裂類型指標(biāo)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者也認(rèn)為聲發(fā)射波形特征是反映材料結(jié)構(gòu)內(nèi)部破裂模式的有效途徑，在相關(guān)研究中將聲發(fā)射Grade 值定義為聲發(fā)射RA 值[14?16]，即巖石材料聲發(fā)射信號(hào)波形上升部分的梯度。低RA值通常說(shuō)明剪切裂紋產(chǎn)生或發(fā)育，高RA值通常說(shuō)明張拉裂紋產(chǎn)生或發(fā)育。苗金麗等[14]基于聲發(fā)射RA值的變化特征探討了三亞花崗巖巖爆過(guò)程的裂紋形成機(jī)制；周子龍等[15]分析了不同靜載下受擾動(dòng)巖石破壞模式與聲發(fā)射RA值的聯(lián)系；何滿潮等[16]利用聲發(fā)射RA值開展卸荷巖爆試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)卸載速率會(huì)影響巖石裂紋類型。

工程實(shí)例表明，錨桿支護(hù)措施下硬脆性圍巖洞室發(fā)生巖爆災(zāi)害區(qū)域主要以剪切破壞為主，支護(hù)措施下的洞室圍巖災(zāi)害仍會(huì)與圍巖內(nèi)部微裂紋的萌生及擴(kuò)展規(guī)律存在聯(lián)系，因此，本文結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)單軸壓縮條件下加錨砂巖進(jìn)行聲發(fā)射試驗(yàn)研究，分析加錨砂巖聲發(fā)射特征并探討破裂過(guò)程中聲發(fā)射RA值與加錨試樣裂紋擴(kuò)展情況的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以期對(duì)錨桿支護(hù)措施下洞室圍巖巖爆監(jiān)測(cè)和調(diào)控機(jī)制提供借鑒和參考。

2 加錨砂巖聲發(fā)射試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案確定

對(duì)于已施加錨桿支護(hù)的硬脆性圍巖洞室，發(fā)生巖爆區(qū)域的圍巖主要以剪切破壞為主，并具有表面局部破壞的特點(diǎn)，爆坑表現(xiàn)“淺V”特點(diǎn)，錨桿剝露懸空，如圖2所示[10,17]。錨桿支護(hù)初期的硬脆性圍巖具有較好的完整性，且錨桿布置之前通常為補(bǔ)強(qiáng)圍巖而采取初噴混凝土封閉圍巖措施，但目前室內(nèi)試驗(yàn)較多關(guān)注錨桿與裂隙巖體圍巖的相互作用，這對(duì)加錨硬脆性圍巖的破壞特性研究不夠全面。為探索合理的錨固脆性巖體巖爆監(jiān)測(cè)機(jī)制，應(yīng)加強(qiáng)錨桿支護(hù)調(diào)控完整脆性巖體的試驗(yàn)研究。在深部脆性巖體工程中，人為作業(yè)會(huì)改變?cè)瓗r應(yīng)力狀態(tài)，使得巖體處于單軸或雙軸應(yīng)力狀態(tài)，如礦柱、煤柱處于單軸應(yīng)力狀態(tài)及巷道開挖后周邊圍巖處于雙軸應(yīng)力狀態(tài)。另外，由于觀察到的是錨固圍巖最終破壞狀態(tài)，確定最先破壞的初始起裂部位是研究圍巖支護(hù)控制的重點(diǎn)[18?19]。基于以上分析，為了研究問(wèn)題方便，對(duì)加錨標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行單軸壓縮加載試驗(yàn)，對(duì)其初始裂紋擴(kuò)展進(jìn)行探討。

圖2 錨桿支護(hù)下脆性圍巖淺表局部破壞[10,17]Fig.2 Local shallow failures of brittle surrounding rock under rockbolt support[10,17]

結(jié)合已有錨固巖石室內(nèi)試驗(yàn)的研究成果[3,20]，確定采用雙筋錨固砂巖試樣的單軸壓縮試驗(yàn)方案。采用AEwin-USB 型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行同步采集，在聲發(fā)射探頭和試件表面接觸部位涂上適量耦合劑黃油，并用膠帶將其固定在試件的一側(cè)，如圖3所示。聲發(fā)射傳感器采用RS-2A探頭，響應(yīng)頻率為150 kHz。為有效過(guò)濾噪聲信號(hào)，設(shè)置通道采集門檻值為40 dB，前置放大器增益為40 dB，波形采樣率為1×106次/s。試驗(yàn)采用RMT-150C型巖石力學(xué)伺服試驗(yàn)機(jī)，位移控制速率為0.001 mm/s。試件上下端部均涂抹適量黃油以降低試驗(yàn)的端部效應(yīng)，并采用高清數(shù)碼相機(jī)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)錄像，以觀察試樣初始表面裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展、貫通過(guò)程。

圖3 聲發(fā)射探頭安裝位置Fig.3 Installation location of AE probe

2.2 試樣制備情況

試樣以砂巖作為加錨基體，加工成高徑比為2:1、直徑為50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，并預(yù)設(shè)2 個(gè)直徑為3 mm 的錨桿鉆孔用于相似錨桿的黏結(jié)安裝，鉆孔中心距離端面35 mm。根據(jù)相似模擬理論，結(jié)合實(shí)際工程中錨桿的延伸率與抗拉強(qiáng)度，確定試樣幾何相似比為10:1，選用表面經(jīng)過(guò)壓花處理直徑為2 mm、延伸率為16%、抗拉強(qiáng)度為433 MPa 的鐵絲作為錨桿相似材料，采用全長(zhǎng)錨固方式，錨固長(zhǎng)度為50 mm。采用環(huán)氧樹脂、聚酰胺樹脂、酒精質(zhì)量比為1.00:1.00:0.25 的混合溶液為錨固劑，最終制得加錨試樣如圖4所示。采用RSM-SY5 型超聲波檢測(cè)儀測(cè)試各試樣軸向的縱波波速(vp)，選用波速相近的加錨試樣，另有無(wú)錨試樣作為對(duì)比組，制得的試樣基本物理參數(shù)如表1所示。

表1 加錨砂巖試樣基本物理參數(shù)Table 1 Basic physical parameters of anchored sandstone specimens

圖4 加錨試樣模型及砂巖試樣與錨桿相似材料Fig.4 Anchored specimen,anchored sandstone specimens and rockbolt-like materials

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加錨砂巖聲發(fā)射計(jì)數(shù)特征

通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)獲得無(wú)錨試樣和加錨試樣應(yīng)力與對(duì)應(yīng)的聲發(fā)射特征，2種類型試樣的聲發(fā)射特征參數(shù)對(duì)比結(jié)果如表2所示。以無(wú)錨R1-3 試樣和加錨Rb21-3 試樣為典型，相應(yīng)的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率和軸向應(yīng)力對(duì)應(yīng)時(shí)間關(guān)系曲線如圖5所示。

由表2可知：錨桿錨固后，試樣聲發(fā)射計(jì)數(shù)率明顯降低，加錨試樣的聲發(fā)射計(jì)數(shù)率比無(wú)錨試樣的結(jié)果要低1個(gè)數(shù)量級(jí)，即使二者的累計(jì)計(jì)數(shù)都處在同一水平，加錨試樣的累計(jì)計(jì)數(shù)也僅為無(wú)錨試樣累計(jì)計(jì)數(shù)的1/4。

由圖5(a)可見：無(wú)錨試樣在加載初期的聲發(fā)射信號(hào)極弱，幾乎沒有聲發(fā)射活動(dòng)產(chǎn)生，出現(xiàn)很長(zhǎng)的平靜期；在軸向外載荷繼續(xù)作用下，微裂紋的萌生和緩慢擴(kuò)展使聲發(fā)射信號(hào)逐漸增多；當(dāng)軸向外載荷達(dá)到峰值應(yīng)力的90%時(shí)，巖石內(nèi)部微裂隙快速擴(kuò)展，相互作用加?。宦暟l(fā)射活動(dòng)在應(yīng)力峰值處活躍，迅速達(dá)到聲發(fā)射計(jì)數(shù)率峰值，聲發(fā)射信號(hào)表現(xiàn)出集中釋放的特點(diǎn)，巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展匯通成宏觀破壞面，導(dǎo)致試件最終被破壞。這與文獻(xiàn)[21]中單軸壓縮下無(wú)錨砂巖聲發(fā)射特征一致。

圖5 試樣軸向應(yīng)力?AE計(jì)數(shù)和時(shí)間關(guān)系曲線Fig.5 Relation ship curves of axial stress?-AE counts of specimens and time

由圖5(b)可見：但試樣加錨后，在外載荷加載初期迅速產(chǎn)生較高頻度的聲發(fā)射信號(hào)，而后與無(wú)錨試件的類似，出現(xiàn)一定時(shí)長(zhǎng)的聲發(fā)射平靜期，總體的平靜期維持時(shí)間比無(wú)錨試樣的平靜期短。加錨試樣聲發(fā)射曲線在整個(gè)加載過(guò)程中表現(xiàn)為聲發(fā)射信號(hào)分散性釋放，聲發(fā)射信號(hào)仍在接近應(yīng)力峰值處驟然增加，宏觀裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展貫通，試件發(fā)生最終破壞。

3.2 加錨砂巖聲發(fā)射能量特征

以無(wú)錨R1-3 試樣和加錨Rb21-3 試樣為例，其軸向應(yīng)力與聲發(fā)射平均能量的典型關(guān)系曲線如圖6所示。

圖6 試樣軸向應(yīng)力?AE能量和時(shí)間關(guān)系曲線Fig.6 Relationship curves of axial stress?AE energy of specimens based on time

由表2可知：無(wú)錨巖樣單個(gè)撞擊的平均能量為0.063 mV/s，加錨后巖樣的單個(gè)撞擊平均能量提高約16%，為0.073 mV/s，表明加錨后試樣內(nèi)部新生微裂紋演化擴(kuò)展過(guò)程需要消耗更多能量；錨桿錨固后，承載過(guò)程中巖樣聲發(fā)射能量也明顯減少，可見無(wú)錨巖樣內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋要比加錨時(shí)的多，相應(yīng)的AE累積能量就比較高，這說(shuō)明無(wú)錨砂巖試樣單軸受壓時(shí)微裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生的貫穿宏觀裂紋較多；而在加錨條件下，錨桿的等效圍壓作用能抑制巖樣內(nèi)部微裂紋的萌生及擴(kuò)展，導(dǎo)致加錨巖樣宏觀裂紋減少，AE累積能量相對(duì)偏低。

3.3 加錨砂巖裂紋擴(kuò)展演化的聲發(fā)射RA值特征

試驗(yàn)采用高清數(shù)碼全程實(shí)時(shí)記錄了無(wú)錨和加錨試樣在單軸壓縮作用下表面初始裂紋的萌生及擴(kuò)展過(guò)程，并給出相應(yīng)的素描圖，得到無(wú)錨試樣和加錨試樣聲發(fā)射RA值與宏觀裂紋擴(kuò)展演化對(duì)應(yīng)關(guān)系圖如圖7～12所示。素描圖中T 表示張拉裂紋(裂紋與加載軸向平行)，S表示剪切裂紋(裂紋與加載軸向斜交)。將試樣表面出現(xiàn)首條宏觀裂紋對(duì)應(yīng)的時(shí)間定義為0 ms，下標(biāo)1，2，3，…表示裂紋出現(xiàn)的時(shí)間先后順序。仍以無(wú)錨試樣R1-3(見圖9)和加錨試樣Rb21-3(見圖12)為例，分別對(duì)無(wú)錨和加錨砂巖聲發(fā)射RA值變化與其表面宏觀裂紋擴(kuò)展過(guò)程的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行說(shuō)明。

圖7 無(wú)錨試樣R1-1聲發(fā)射RA值與宏觀裂紋演化對(duì)應(yīng)Fig.7 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of R1-1

無(wú)錨試樣R1-3聲發(fā)射RA值分布及隨加載時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖9(a)所示。由圖9(a)可知：加載初期高RA值很多，加載中期大量的高RA值與低RA值共存，加載后期僅存在較多的低RA值。根據(jù)前述RA值與破裂類型的對(duì)應(yīng)關(guān)系，說(shuō)明無(wú)錨巖樣在變形破壞過(guò)程中先產(chǎn)生了張拉裂紋，然后出現(xiàn)了張拉裂紋和剪切裂紋共存的混合裂紋，最后萌生出剪切裂紋，最終破壞形態(tài)顯示為拉剪破壞形態(tài)，這與文獻(xiàn)[14]的研究成果基本一致。圖9(b)及圖9(c)說(shuō)明了這種裂紋萌生擴(kuò)展規(guī)律，無(wú)錨試樣出現(xiàn)了先張拉后剪切的破裂過(guò)程，即無(wú)錨試樣首先在其下端產(chǎn)生局部初始單一張拉裂紋T1，起裂方向近似平行于外載方向，343 ms 時(shí)張拉裂紋T1沿著試樣軸向進(jìn)一步擴(kuò)展形成拉裂紋T′1，與此同時(shí)，在試樣上端出現(xiàn)了拉裂紋T2；1 143 ms時(shí)，在拉裂紋T′1上端頭出現(xiàn)同向的拉裂紋T3，在拉裂紋T′1右側(cè)萌生出初始剪切裂紋S1，拉裂紋T2擴(kuò)展至試樣中部時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)向偏斜；1 375 ms時(shí)，伴生出多條剪切裂紋S2，并貫穿為連續(xù)的剪切裂縫，最終試樣表現(xiàn)出先拉后剪綜合破壞。

圖9 無(wú)錨試樣R1-3聲發(fā)射RA值與宏觀裂紋演化對(duì)應(yīng)Fig.9 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of R1-3

圖10 加錨試樣Rb21-1聲發(fā)射RA值與宏觀裂紋演化對(duì)應(yīng)Fig.10 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of Rb21-1

圖11 加錨試樣Rb21-2聲發(fā)射RA值與宏觀裂紋演化對(duì)應(yīng)Fig.11 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of Rb21-2

由圖12(a)可知：加錨試樣Rb21-3聲發(fā)射RA值分布及趨勢(shì)與無(wú)錨試樣的差別較大，加載初期表現(xiàn)為大量的高RA 值和低RA 值共存，加載中期僅出現(xiàn)高RA 值，加載后期為高RA 值、數(shù)值下降的低RA值共存，這表明加錨巖樣在短時(shí)間內(nèi)應(yīng)首先出現(xiàn)局部的剪切裂紋和張拉裂紋，后產(chǎn)生張拉裂紋，而后又產(chǎn)生了主導(dǎo)性張拉裂紋和剪切裂紋的混合裂紋，最終形態(tài)會(huì)表現(xiàn)為拉剪破壞。圖12(b)及圖12(c)說(shuō)明了這種裂紋萌生擴(kuò)展規(guī)律，加錨巖樣首先在其上端產(chǎn)生了局部剪切裂紋S1和張拉裂紋T1，340 ms 時(shí)，在張拉裂紋T1下端頭出現(xiàn)了剪切裂紋S2；433 ms 時(shí)，試樣下端萌生局部張拉裂紋T2；1 330 ms 時(shí)，剪切裂紋S2向下擴(kuò)展成剪切裂紋S3，張拉裂紋T2向上延伸形成張拉裂紋T4并伴生有剪切裂紋S′3，試樣最終表現(xiàn)為先剪后拉綜合破壞。

圖12 加錨試樣Rb21-3聲發(fā)射RA值與宏觀裂紋演化對(duì)應(yīng)Fig.12 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of Rb21-3

4 討論

與苗金麗等[14?15]研究結(jié)果相比，本次試驗(yàn)聲發(fā)射RA值在具體量值方面存在區(qū)別，主要集中在0～16 ms·/V之間，這可能與采用的不同巖石試樣和不同加載方式有關(guān)。苗金麗等[14?15]在研究中均采用花崗巖，本文試樣為砂巖。苗金麗等[14]研究了三軸受壓后單面卸載的巖爆過(guò)程，所得聲發(fā)射RA最大值約40 ms/V；周子龍等[15]研究了相同側(cè)向動(dòng)力擾動(dòng)下，豎向靜載為47，70和94 MPa時(shí)的巖石破壞過(guò)程，相應(yīng)聲發(fā)射RA 最大值分別約為1，85和238 ms/V。本試驗(yàn)為靜態(tài)單軸壓縮試驗(yàn)，在試樣及加載方式等方面上存在差異，造成聲發(fā)射RA值有區(qū)別。本試驗(yàn)結(jié)果表明，加錨巖樣受壓產(chǎn)生張拉、剪切裂紋的萌生及擴(kuò)展演化過(guò)程仍可應(yīng)用聲發(fā)射RA值變化趨勢(shì)來(lái)判別?？紤]到不同巖性、不同應(yīng)力路徑等條件下表現(xiàn)出來(lái)的破裂過(guò)程會(huì)不盡相同，因此，需針對(duì)具體工程賦存巖性，系統(tǒng)開展室內(nèi)試驗(yàn)，以確定張拉型裂紋、剪切型裂紋或二者綜合形式的臨界RA值范圍。

由于巖爆發(fā)生的瞬時(shí)性，實(shí)踐中較難觀測(cè)到這種特殊的工程動(dòng)力災(zāi)害，因此，室內(nèi)巖石試驗(yàn)及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)是研究巖爆破壞規(guī)律并重現(xiàn)巖爆孕育演化過(guò)程的重要手段。就常規(guī)試樣尺寸而言，室內(nèi)巖爆試驗(yàn)經(jīng)歷了由單軸加載試驗(yàn)向三軸加卸載試驗(yàn)的轉(zhuǎn)變[16,22]，三軸加卸載試驗(yàn)?zāi)芨玫啬M無(wú)支護(hù)圍巖巖爆過(guò)程，但不能反映錨桿等支護(hù)措施下的巖爆災(zāi)害問(wèn)題。未考慮卸荷的單軸加載試驗(yàn)在未支護(hù)巖體巖爆發(fā)生機(jī)理研究中存在局限，但適用于支護(hù)措施下巖爆發(fā)生機(jī)制和巖爆控制研究。另外，馮夏庭等[1,23-24]認(rèn)為單軸加載試驗(yàn)?zāi)茌^好地解釋現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)變型巖爆的發(fā)生過(guò)程，該類型巖爆的破裂基本形式(張拉劈裂破壞為主)與單軸加載巖石力學(xué)破壞斷裂機(jī)制相近。相應(yīng)地，采用聲發(fā)射手段監(jiān)測(cè)加錨巖石破裂過(guò)程不僅與錨桿支護(hù)措施下巖爆機(jī)理研究有密切聯(lián)系，而且對(duì)巖爆預(yù)測(cè)有參考價(jià)值。

文獻(xiàn)[25]以錦屏二級(jí)水電站聲發(fā)發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究了深埋隧洞巖爆的宏觀破裂，如圖13所示。3號(hào)引水隧洞和4號(hào)引水隧洞均發(fā)生應(yīng)變型巖爆，二者巖爆區(qū)域巖體完整，未見結(jié)構(gòu)面發(fā)育，均表現(xiàn)出拉伸破壞為主的拉剪綜合破壞；但3 號(hào)引水隧洞的剪切破裂事件釋放能量較低，4號(hào)引水隧洞卻伴有3個(gè)剪切破裂微震能量釋放。現(xiàn)場(chǎng)情況表明，3 號(hào)引水隧洞巖爆區(qū)域未支護(hù)，4 號(hào)引水隧洞巖爆區(qū)域?qū)嵤┝隋^桿支護(hù)，結(jié)合本試驗(yàn)加錨試樣聲發(fā)射特征，4號(hào)引水隧洞伴生剪切破裂微震，須考慮錨桿的影響。本試驗(yàn)中無(wú)錨和加錨試樣的最終破壞盡管都表現(xiàn)為張拉?剪切綜合破壞，但二者的宏觀裂紋擴(kuò)展規(guī)律和聲發(fā)射RA特性有明顯差別，可見錨桿會(huì)影響巖爆孕育及發(fā)生過(guò)程，對(duì)錨桿支護(hù)措施下洞室?guī)r爆災(zāi)害的聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)有待進(jìn)一步研究。

聲發(fā)射參數(shù)RA 值的變化特征與巖爆有關(guān)聯(lián)，苗金麗等[14]通過(guò)試驗(yàn)得到花崗巖在應(yīng)變巖爆過(guò)程中的聲發(fā)射RA值先高后低，認(rèn)為其可以用于預(yù)示剪切裂紋形成、貫通、宏觀破壞及可能引起的巖爆。從本試驗(yàn)砂巖試樣破裂過(guò)程的RA值分布變化特征看，無(wú)錨砂巖破裂初期以張拉裂紋為主，對(duì)應(yīng)聲發(fā)射高RA值，受載中后期出現(xiàn)高RA值向低RA值的變化，張拉裂紋伴生出剪切裂紋并形成最終破壞，這與苗金麗等[14]的研究結(jié)果一致。但砂巖加錨后，在受載初期出現(xiàn)聲發(fā)射低RA值，會(huì)形成初始剪切裂紋，受載中后期出現(xiàn)高RA 值到低RA 值的起伏伴生，錨桿的存在改變了聲發(fā)射RA 值，高RA 值變到低RA 值主要集中在加載后期。因此，用高RA 值到低RA 值的變化來(lái)預(yù)測(cè)巖爆對(duì)于錨桿支護(hù)措施下的硬脆性圍巖不適用，這涉及錨桿與圍巖相互作用的影響，相關(guān)RA值的變化規(guī)律有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

1)無(wú)錨砂巖在加載初期幾乎沒有聲發(fā)射活動(dòng)產(chǎn)生，出現(xiàn)很長(zhǎng)的聲發(fā)射平靜期，在接近應(yīng)力峰值時(shí)聲發(fā)射才開始活躍，并快速達(dá)到聲發(fā)射計(jì)數(shù)率峰值；加錨砂巖在加載初期迅速產(chǎn)生較高頻率的聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射平靜期短，聲發(fā)射曲線整體表現(xiàn)出分散性釋放的特點(diǎn)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和能量峰值仍在接近應(yīng)力峰值時(shí)出現(xiàn)。

2)無(wú)錨砂巖試樣內(nèi)部貫穿和宏觀裂紋較多，聲發(fā)射累積能量高，而在加錨條件下，錨桿對(duì)巖樣的等效圍壓作用抑制了試樣內(nèi)部微裂紋的萌生及擴(kuò)展，導(dǎo)致加錨試樣貫穿以及宏觀裂紋減少，聲發(fā)射累積能量偏低，加錨后試樣內(nèi)部新生微裂紋擴(kuò)展過(guò)程需要消耗更多能量。

3)無(wú)錨砂巖和加錨砂巖最終破裂形式均為拉剪破壞，但無(wú)錨砂巖破裂演化初始裂紋為張拉裂紋，加載初期產(chǎn)生較高的聲發(fā)射RA值，加錨砂巖破裂演化初始裂紋為剪切裂紋，加載初期產(chǎn)生較低的聲發(fā)射RA值。

4)本試驗(yàn)中加錨砂巖聲發(fā)射RA值變化趨勢(shì)仍然適用于判別受載加錨巖樣裂紋的張拉與剪切演化擴(kuò)展過(guò)程，這有助于認(rèn)識(shí)錨桿作用下巖體破裂擴(kuò)展演化規(guī)律。在單軸壓縮過(guò)程中，無(wú)錨砂巖具有高RA 值向低RA 值過(guò)渡變化的特點(diǎn)，但加錨砂巖高RA值與低RA值起伏伴生，基于聲發(fā)射RA值的錨桿支護(hù)措施下圍巖巖爆災(zāi)害預(yù)測(cè)有待進(jìn)一步研究。