大尺寸試件在梯度應(yīng)力作用下的巖爆孕育聲發(fā)射特性

吝曼卿 胡會(huì)平 梁 瀟 高成程 周煒鑫 張 蘭

(1.武漢工程大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.武漢工程大學(xué)磷資源開(kāi)發(fā)利用教育部工程研究中心，湖北 武漢 430074)

近年來(lái)，隨著我國(guó)采礦、交通、能源等領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，地下工程逐步向深部轉(zhuǎn)移。受深部高地應(yīng)力作用，施工過(guò)程中的巖爆等地質(zhì)災(zāi)害日益頻繁[1-2]。由于巖爆的發(fā)生機(jī)制復(fù)雜、影響因素多、難以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，因此巖爆已成為當(dāng)前深部地下工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題之一[3]。巖爆的發(fā)生不僅威脅著礦井安全生產(chǎn)，還會(huì)給井下作業(yè)人員帶來(lái)直接傷害，關(guān)注巖爆問(wèn)題刻不容緩。聲發(fā)射(Acoustic Emission，AE)是指巖石等固體材料因其內(nèi)部存在的固有缺陷，在外界作用下，內(nèi)部缺陷衍生造成巖石等固體材料內(nèi)部的損傷與破壞，從而在破壞過(guò)程中釋放出應(yīng)變能，并以彈性波的形式快速釋放傳播的現(xiàn)象[4-9]。由于聲發(fā)射特征信號(hào)蘊(yùn)含著巖石材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷性質(zhì)，例如，微裂紋的生長(zhǎng)狀況、彈性應(yīng)變速率以及AE源事件的低中心位置等豐富信息[10-11]。因此，借助聲發(fā)射技術(shù)可以探究巖爆的孕育過(guò)程，對(duì)巖爆機(jī)理的探索及其預(yù)警具有參考意義。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)巖體聲發(fā)射特性進(jìn)行了大量研究。孫政元等[12]利用聲發(fā)射技術(shù)對(duì)巷道的巖爆危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了巖爆傾向性預(yù)測(cè)，證明使用該技術(shù)預(yù)測(cè)巖爆具有可行性。姚歡迎等[13]對(duì)頁(yè)巖進(jìn)行了單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，收集了單軸壓縮4個(gè)時(shí)期內(nèi)聲發(fā)射信號(hào)的不同特征，表明聲發(fā)射不僅可以捕捉試驗(yàn)過(guò)程中頁(yè)巖的信息，還可利用該類信息了解頁(yè)巖內(nèi)部的損傷狀況。江博為等[14]通過(guò)RMT-150b巖石力學(xué)剛性伺服機(jī)進(jìn)行了不同加載速率的單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，對(duì)石灰?guī)r和砂巖在變形破壞過(guò)程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度石灰?guī)r振鈴計(jì)數(shù)極值和單軸抗壓極限強(qiáng)度存在先增后減現(xiàn)象;低速率時(shí)低強(qiáng)度砂巖的振鈴計(jì)數(shù)頻率高且分布均勻，高速率時(shí)振鈴計(jì)數(shù)頻率有所降低且分布不均。由于地下開(kāi)采過(guò)程中，巖體因開(kāi)挖擾動(dòng)使洞壁巖體的應(yīng)力重新分布，表現(xiàn)為洞壁的應(yīng)力集中現(xiàn)象[15-16]，即臨空面圍巖受切向應(yīng)力較大，并以一定梯度向遠(yuǎn)離臨空面降低，逐漸趨向于原巖應(yīng)力，使得應(yīng)力整體呈梯度分布。祝文化等[17]通過(guò)不同梯度加載下的巖爆試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)梯度加載時(shí)，試件的聲發(fā)射事件數(shù)及能量在不同時(shí)刻存在差異，加載初期，試件聚集的能量越大，越容易出現(xiàn)瞬時(shí)巖爆現(xiàn)象。為進(jìn)一步探究梯度加載過(guò)程中巖體巖爆的聲發(fā)射特征，本研究借助YB-A型巖爆模擬試驗(yàn)裝置對(duì)大尺寸試件進(jìn)行不同梯度應(yīng)力作用下的室內(nèi)巖爆加卸載試驗(yàn)，采用聲發(fā)射監(jiān)測(cè)手段獲取試件在加載過(guò)程中的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，分析巖爆孕育與聲發(fā)射特性之間的關(guān)系，為巖爆機(jī)理研究和巖爆預(yù)警提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試件制備

由于常規(guī)試驗(yàn)采用的試件尺寸較小，試件加載時(shí)僅能模擬巖體受均布荷載時(shí)的巖爆現(xiàn)象，而地下開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖擾動(dòng)區(qū)內(nèi)巖體的垂直應(yīng)力集中程度隨其與隧道壁距離的增大而出現(xiàn)梯度遞減現(xiàn)象，因此對(duì)大尺寸試件進(jìn)行不同應(yīng)力梯度作用下的巖爆加卸載研究，更能表征巖爆的發(fā)生過(guò)程，對(duì)巖爆機(jī)理研究具有促進(jìn)作用[18]。受試驗(yàn)裝置加載腔尺寸的影響，試驗(yàn)選取規(guī)格為1 000 mm×600 mm×400 mm(長(zhǎng)×寬×高)的長(zhǎng)方體石膏作為試驗(yàn)試件，先制得兩塊規(guī)格為1 000 mm×600 mm×200 mm(長(zhǎng)×寬×高)的模型，經(jīng)養(yǎng)護(hù)處理后在模型試件表面布設(shè)應(yīng)變片，再將兩塊模型合模為一塊規(guī)格為1 000mm×600mm×400mm(長(zhǎng)×寬×高)的模型試件。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

采用YB-A型巖爆模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行巖爆模擬試驗(yàn)，如圖1所示，該裝置包括主機(jī)系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)以及氣壓控制系統(tǒng)。采用SAEU2S型6通道聲發(fā)射采集系統(tǒng)進(jìn)行全過(guò)程數(shù)據(jù)采集，捕獲試件破壞前后的聲發(fā)射參數(shù)變化特征。試件聲發(fā)射通道布置如圖2所示。

圖1 YB-A型巖爆模擬試驗(yàn)裝置Fig.1 YB-A type rockburst simulation test device

圖2 試件梯度應(yīng)力加載示意Fig.2 Schematic of specimen loading under gradient stress

試驗(yàn)前，將試件放置在YB-A型巖爆模擬試驗(yàn)裝置的模型推車上，并確保試件兩側(cè)與推車底板齊平，為降低大尺寸模型試件在加載過(guò)程中的摩擦作用對(duì)模型試件的影響，在模型各加載面與儀器傳力板之間放置2層聚四氟乙烯[19]，利用液壓控制系統(tǒng)控制推車閥門，使試件隨模型推車一起進(jìn)入試驗(yàn)裝置的模型腔內(nèi)。試件頂部各梯度分布如圖2所示。

本研究利用公式y(tǒng)=a·e-b·x+c[20]簡(jiǎn)化表達(dá)深部巖體開(kāi)挖時(shí)，硐室圍巖切向應(yīng)力隨圍巖內(nèi)部某點(diǎn)與洞壁水平距離增大而減小的現(xiàn)象[21]。式中，y為圍巖中某點(diǎn)的切向應(yīng)力;x為圍巖內(nèi)某點(diǎn)到硐壁邊界處的水平距離;c為原巖應(yīng)力;a+c為開(kāi)挖邊界處的切向應(yīng)力;b為應(yīng)力梯度系數(shù)。試驗(yàn)中，通過(guò)控制不同的梯度系數(shù)b值來(lái)控制圍巖切向應(yīng)力分布的集中程度。當(dāng)b=0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的加載方式為頂部均布加載;b≠0對(duì)應(yīng)的加載方式為頂部梯度加載，b值越大，代表模型頂部應(yīng)力梯度差越大[22]。

試驗(yàn)時(shí)，將初始圍壓設(shè)置為5 MPa，頂部壓力為0.5 MPa;后經(jīng)0.5 h穩(wěn)壓，頂部壓力達(dá)到1 MPa，圍壓保持不變，繼續(xù)穩(wěn)壓6 h，前 6.5 h的初始應(yīng)力—時(shí)間關(guān)系特征如圖3所示。隨后將試驗(yàn)裝置前側(cè)的限位門撤離，對(duì)試件進(jìn)行卸載，以模擬深部巖體在開(kāi)挖擾動(dòng)后出現(xiàn)的臨空面現(xiàn)象。再分別以b=0、b=2、b=4和b=6共4種加載路徑進(jìn)行試驗(yàn)，其加載路徑如圖4所示。

圖3 試件前6 h加載路徑Fig.3 Loading path for the first six hours of the specimen

圖4 試件應(yīng)力加載路徑Fig.4 Stress loading paths of specimen

通過(guò)巖爆試驗(yàn)可知，b=0時(shí)，在梯度1荷載為5.5 MPa時(shí)試件中上部發(fā)生破壞;b=2時(shí)，梯度1荷載達(dá)到5.3MPa左右時(shí)，試件上部及表面發(fā)生巖爆;b=4時(shí)，試件在梯度1荷載增至近5.3 MPa后，試件表面突然崩壞[21];b=6時(shí)，梯度1荷載為5.0 MPa時(shí)，試件中部發(fā)生巖爆。

2 不同梯度應(yīng)力作用下的試件聲發(fā)射特征

2.1 聲發(fā)射能量—持續(xù)時(shí)間分析

采集了試件在不同梯度應(yīng)力作用過(guò)程中的聲發(fā)射數(shù)據(jù)，并繪制了試件在4種加載路徑下的聲發(fā)射能量—時(shí)間圖，如圖5所示。

圖5 聲發(fā)射能量—聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間變化過(guò)程Fig.5 Variation process of AE energy-AE duration

圖5顯示了試件加載過(guò)程中不同加載梯度下試件的聲發(fā)射能量與聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間隨著試驗(yàn)進(jìn)行的變化過(guò)程。其中，聲發(fā)射能量是指信號(hào)檢波包絡(luò)線下的面積，反映信號(hào)的強(qiáng)度;聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間是指事件信號(hào)第一次越過(guò)門檻值到最后降至門檻期間所經(jīng)歷的時(shí)間間隔[23]，利用聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間可有效地反映出聲發(fā)射信號(hào)的頻度和強(qiáng)度。

由圖5(a)可知:當(dāng)b=0時(shí)，試件在均布加載作用前期，聲發(fā)射能量逐漸上升，在達(dá)到最大值后逐漸遞減;整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中能量和振鈴計(jì)數(shù)的變化范圍都比較小，且能量極值及其出現(xiàn)頻率都較小。b=2時(shí)，試件在加載初期的聲發(fā)射能量急劇上升，迅速出現(xiàn)能量極值，即發(fā)生了明顯的聲發(fā)射事件，隨后呈現(xiàn)出變小的趨勢(shì)。且此時(shí)能量極值出現(xiàn)頻率較b=0時(shí)的能量極值出現(xiàn)頻率大，如圖5(b)所示。b=4時(shí)，試件在試驗(yàn)初期和中期均出現(xiàn)了較圖5(a)、圖5(b)中能量極值更大的能量值，且其出現(xiàn)次數(shù)明顯增多，如圖5(c)所示。b=6時(shí)，試件在試驗(yàn)加載的中期和后期均出現(xiàn)了很多非常大的能量值，且明顯多于b=2和b=4兩種梯度加載下較大能量值的出現(xiàn)次數(shù)，如圖5(d)所示。

由上述分析可知，不同梯度加載下巖爆試驗(yàn)的聲發(fā)射參數(shù)之間具有以下特征:

(1)聲發(fā)射能量與聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間二者之間存在顯著的同步性，即巖爆試驗(yàn)中所釋放的能量越大，其聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，而能量越小，相應(yīng)地持續(xù)時(shí)間越短。即聲發(fā)射信號(hào)強(qiáng)弱與聲發(fā)射發(fā)射頻率及其持續(xù)時(shí)間具有相關(guān)性。

(2)b值越小時(shí)，受加載過(guò)程中的較大能量值出現(xiàn)越早，能量值相對(duì)越小，破壞前的能量積聚時(shí)間則越短。

(3)b值越大時(shí)，試件在加載過(guò)程中的峰值能量釋放越頻繁。

2.2 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)分析

聲發(fā)射振鈴是指在聲發(fā)射波的時(shí)域圖形上，換能器每震蕩一次，輸出的一個(gè)脈沖稱為振鈴[24]。振鈴計(jì)數(shù)作為一種最常用的評(píng)估聲發(fā)射信號(hào)的參數(shù)，以反映聲發(fā)射的活動(dòng)性、頻度、強(qiáng)度等信息，具有簡(jiǎn)化信號(hào)處理環(huán)節(jié)、體現(xiàn)巖石內(nèi)部破壞結(jié)構(gòu)變化規(guī)律的特點(diǎn)。試件加載過(guò)程中的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)隨時(shí)間的分布特征如圖6所示。

圖6 時(shí)間—聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)變化特征Fig.6 Variation characteristics of time-AE ring count

由圖6可知:聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)極值的出現(xiàn)次數(shù)與梯度存在正相關(guān)關(guān)系，試件頂部所受的應(yīng)力梯度越大，試驗(yàn)過(guò)程中的振鈴計(jì)數(shù)極值的出現(xiàn)次數(shù)越多，反之，出現(xiàn)次數(shù)越小;隨著應(yīng)力梯度的增大，振鈴計(jì)數(shù)的變化范圍也有顯著增加，例如，b=0時(shí)振鈴計(jì)數(shù)的變化范圍為0～150次，b=2時(shí)其變化范圍為0～250次，b=4時(shí)的振鈴計(jì)數(shù)變化范圍繼續(xù)增大至0～900次，b=6時(shí)的振鈴計(jì)數(shù)變化范圍更是顯著地變化到0～4 000次。

振鈴計(jì)數(shù)是研究試件巖體損傷破壞的重要參數(shù)之一。一般情況下，振鈴計(jì)數(shù)越大，試件巖體內(nèi)部的破壞程度越大;反之，越小。由圖6進(jìn)一步分析可知:隨著試件巖體頂部梯度差的增大，巖體的受壓過(guò)程愈發(fā)符合巖體壓縮作用下的4個(gè)變形階段即:裂紋閉合階段、彈性變形階段、裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段和裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段。以上4個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)著圖6(c)、圖6(d)中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時(shí)段，其中，b=4時(shí)試件在4個(gè)階段的詳細(xì)破壞特征如圖7所示。

圖7 b=4時(shí)試件在4個(gè)階段的破壞情況Fig.7 Failure characteristics of the specimens in four stages when b=4

由圖6(c)、圖6(d)和圖7可知，在裂紋閉合階段Ⅰ，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定波動(dòng)，巖體內(nèi)部微裂隙在外力作用下逐漸閉合，不存在大尺度破壞。繼續(xù)對(duì)試件進(jìn)行加載，巖體進(jìn)入彈性變形階段Ⅱ，振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)了偏離原有趨勢(shì)的明顯突變，例如，圖6(c)中出現(xiàn)突變振鈴計(jì)數(shù)815次，圖6(d)中出現(xiàn)突變振鈴計(jì)數(shù)4 547次，說(shuō)明試件巖體內(nèi)部出現(xiàn)了新裂紋，發(fā)生了較為明顯的破壞且試件頂部梯度差越大，突變值相應(yīng)越大，試件受到的破壞也越嚴(yán)重。隨后試件進(jìn)入裂紋發(fā)展階段Ⅲ，此時(shí)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)再次在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定變化，如圖7(c)所示，試件巖體內(nèi)部的裂紋穩(wěn)定發(fā)育且無(wú)大尺度破壞。最后，伴隨著振鈴計(jì)數(shù)的突變，試驗(yàn)進(jìn)入了裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段Ⅳ，如圖7(d)所示，試件巖體發(fā)生了明顯破壞。

2.3 能量分析

聲發(fā)射能量可反映聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)弱。累積聲發(fā)射能量是指即將截止到某一時(shí)刻之前的所有聲發(fā)射能量之和[21]。聲發(fā)射過(guò)程中的能量計(jì)數(shù)可有效地反映出試件在出現(xiàn)裂紋過(guò)程中所釋放的能量大小。在研究巖爆孕育的聲發(fā)射特性時(shí)，分析試件加載釋放出的聲發(fā)射能量，可進(jìn)一步了解梯度應(yīng)力對(duì)試件巖爆的影響。試件在不同梯度作用下的累計(jì)能量值見(jiàn)表1。表1中A、B、C分別為頂部梯度為b=2、b=4、b=6時(shí)的試件編號(hào)。

表1 聲發(fā)射能量參數(shù)Table 1 AE energy parameters

由表1可知:A試件通道3處試驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生裂紋時(shí)釋放的最大能量約400 mV·ms，累計(jì)能量較小;B試件釋放的最大能量約525 mV·ms，累計(jì)能量比較大;C試件釋放的最大能量約1 221 mV·ms，累計(jì)能量很大。由此可知，當(dāng)圍壓環(huán)境一定，試件頂部受到不同梯度應(yīng)力作用時(shí)，隨著試件頂部所受的梯度應(yīng)力差值的增大，試件在加載過(guò)程中釋放出的聲發(fā)射最大能量值和累計(jì)能量都會(huì)增大?？梢?jiàn)，試件在加載過(guò)程中所受的梯度應(yīng)力越大，試件在加載過(guò)程中蓄積的能量越多，試件發(fā)生裂縫、彈射、剝落及裂縫擴(kuò)展時(shí)消耗的能量越大，最終呈現(xiàn)出的巖爆破壞烈度也越大。

3 結(jié) 論

借助YB-A型巖爆試驗(yàn)裝置對(duì)大試件進(jìn)行了不同梯度加載下的巖爆試驗(yàn)，分析了深部巖體在受到開(kāi)挖擾動(dòng)時(shí)梯度應(yīng)力作用下的巖體巖爆孕育的聲發(fā)射特性，所得結(jié)論如下。

(1)試件頂部所受的應(yīng)力梯度差較小時(shí)，試件巖體產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象相對(duì)越早，聲發(fā)射能量的釋放頻率在加載過(guò)程中更均勻、出現(xiàn)時(shí)間更早。此外，隨著梯度增大，試件釋放的最大能量和累計(jì)能量都有增大趨勢(shì)，試件的破壞程度也越明顯。

(2)試驗(yàn)過(guò)程的聲發(fā)射能量與聲發(fā)射事件的持續(xù)時(shí)間存在明顯的同步性，即聲發(fā)射能量數(shù)值越大，聲發(fā)射事件的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)。

(3)隨著應(yīng)力梯度系數(shù)(b值)增大，試驗(yàn)中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的變化范圍逐漸擴(kuò)大，試驗(yàn)過(guò)程更符合巖體壓縮作用下的4個(gè)變形階段即:裂紋閉合階段、彈性變形階段、裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段和裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段。