基于真三軸試驗條件的巖爆模擬聲發(fā)射特征研究

摘要：為研究礦山高應力環(huán)境下深埋硐室開挖后因應力集中引發(fā)巖爆顯現(xiàn)的聲發(fā)射特征，采用TRW-3000型巖石真三軸電液伺服試驗系統(tǒng)配合PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，對大理巖試件模擬深埋硐室圍巖體單面臨空三向-五面應力環(huán)境開展三向獨立加載和單面突然卸載試驗研究。研究結果表明：聲發(fā)射特征的振鈴計數(shù)和b值能反映巖石內部裂隙孔洞的發(fā)育、發(fā)展及貫通情況，臨爆階段振鈴計數(shù)密集出現(xiàn)并達到峰值，同時聲發(fā)射b值驟降，巖樣內部孔洞裂隙迅速擴展發(fā)育形成大尺度裂紋，隨后試件出現(xiàn)強烈的整體失穩(wěn)破壞。因此，聲發(fā)射振鈴計數(shù)密集增長現(xiàn)象可作為判斷礦山深埋硐室圍巖體存在巖爆發(fā)生可能的關鍵階段，聲發(fā)射b值的突然降低現(xiàn)象可作為巖爆即將發(fā)生的前兆特征，為深部礦區(qū)開采實踐提供理論指導。

關鍵詞：高應力；深部開采；深埋硐室；應變型巖爆；真三軸加卸載；聲發(fā)射特征

[中圖分類號：TD315 文章編號：1001-1277（2025）02-0018-05 文獻標志碼：A doi：10.11792/hj20250203 ]

引言

在礦山領域，隨著礦產資源的大量采挖，逐漸由淺入深、由短距單通道向超長超寬多通道工程開辟，其中面臨諸多工程難題，巖體動力災害明顯增多，尤其隨著埋深的加大，地應力也隨之增大，高應力硬質圍巖受到外界動力擾動荷載作用而發(fā)生失穩(wěn)破壞，甚至誘發(fā)圍巖動力彈射性破裂的巖爆災害等，目前已引起巖石力學界的高度重視［1-3］。巖爆是由于高地應力地區(qū)硬質圍巖體受到開挖卸荷或施工擾動等因素，巖體內積聚的大量彈性勢能瞬間釋放，引發(fā)圍巖彈射性破裂的現(xiàn)象，巖爆一般烈度大且彈射巖塊具有一定動能，因此給工程設備及作業(yè)人員帶來了巨大威脅［4-5］。巖爆災害的演化機理復雜模糊，室內模擬試驗是分析其演化過程的一個十分重要的研究手段。

李郴娟等［6］通過對圓柱形大理巖試件開展單軸壓縮聲發(fā)射巖爆模擬試驗，從而深入地研究了大理巖的變形破壞特征及聲發(fā)射活動規(guī)律，研究結果表明，聲發(fā)射振鈴計數(shù)和聲發(fā)射b值可作為巖爆災害即將發(fā)生的特征參數(shù)。張國凱等［7］通過對花崗巖開展單軸壓縮試驗，研究了裂紋擴展不同階段聲發(fā)射演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射測試可反映微裂紋的初始萌生，并將聲發(fā)射能量在破壞前呈突發(fā)性增長現(xiàn)象作為災害性破壞的前兆。劉健等［8］對不同埋藏深度的灰?guī)r巖芯試樣開展單軸加載聲發(fā)射試驗及單軸加卸載試驗，結合聲發(fā)射RA-AF值演化特征及宏觀破裂形貌識別不同巖爆傾向灰?guī)r的破裂特征。姜德義等［9］通過對頁巖開展單軸狀態(tài)下的壓縮試驗，研究了脆性巖石破壞過程中的能量變化規(guī)律。研究結果顯示：子時間區(qū)間與全過程區(qū)間具有相同的臨界指數(shù)，因此可以通過試驗前期的聲發(fā)射情況了解破裂和破裂中能量釋放的狀態(tài)。

上述研究均采用單軸加卸載方式對非均質巖石類材料開展壓縮變形試驗，試驗過程中配合聲發(fā)射監(jiān)測手段研究聲發(fā)射參數(shù)信息與巖石試件變形破壞之間的關聯(lián)性，并取得了一定成果。然而，深部圍巖體常處于高地應力環(huán)境下，圍巖在開挖前處于三維應力狀態(tài)，其中，2個方向主應力較大，另一個方向主應力較小，開挖后圍巖體則處于二維應力狀態(tài)，并在開挖卸載瞬間原巖應力超過因圍壓卸除急劇下降的圍巖承載能力，導致圍巖集聚彈性應變能急劇釋放，進而導致巖爆發(fā)生，巖爆常發(fā)生在硬質脆性巖體內［10］。與單軸、常規(guī)三軸、真三軸等常規(guī)試驗相比較，深部圍巖體開挖后形成的臨空面，其附近圍巖單元受力狀態(tài)為單面臨空的三向-五面受力狀態(tài)，因此單面臨空的真三軸加卸載試驗更能夠模擬開挖后圍巖體的應力狀態(tài)［11-16］。

為研究礦山高應力環(huán)境下地下深埋硐室因局部應力集中誘導的應變型巖爆災害全過程聲發(fā)射特征，利用TRW-3000型巖石真三軸電液伺服試驗系統(tǒng)進行三向獨立加卸載，配合PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，實時采集巖爆模擬試驗全過程應力、位移及聲發(fā)射等參數(shù)數(shù)據(jù)。將從某銅礦深部區(qū)域硐室獲取的大理巖制成標準正方體試件，通過開展三向獨立加載、單面突然卸載、中間主應力及最小主應力加載至初始地應力水平后應力保持的加卸載方式，最大程度還原深部圍巖體單面臨空三向-五面應力環(huán)境下的應變型巖爆發(fā)生條件。

1試驗設備及方案

1.1試驗設備

真三軸加卸載條件下巖爆模擬試驗采用中南大學自主研制的TRW-3000型巖石真三軸電液伺服試驗系統(tǒng)進行加載，并配合美國物理聲學公司的PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)對試驗全過程進行監(jiān)測。其中，PCI-Ⅱ型聲發(fā)射系統(tǒng)最高采樣頻率為40 MHz，具有18位數(shù)模轉換能力，能夠記錄聲發(fā)射振鈴計數(shù)、能量、幅值等多個特征參數(shù)和完整波形。TRW-3000型巖石真三軸電液伺服試驗系統(tǒng)能夠模擬加載系統(tǒng)三向（x、y、z）獨立的高壓真三軸狀態(tài)，垂直方向最大載荷3 000 kN、前后方向最大載荷2 000 kN、左右方向最大載荷2 000 kN，并且能夠模擬單向或雙向突然卸載，很好地契合了本次試驗模擬深部采掘活動形成臨空面環(huán)境下的應變型巖爆發(fā)生狀態(tài)。

1.2試驗方案

真三軸加載條件下巖爆模擬試驗用大理巖采自某銅礦深部區(qū)域硐室，原巖塊經密封被帶回實驗室后及時進行切割、打磨后制成50 mm×50 mm×50 mm的標準正方體待測試件，加工過程嚴格按照GB/T 50266—2013" 《工程巖體試驗方法標準》執(zhí)行，待測試件外表面平整光滑，從而有效避免因偏壓導致局部應力集中影響試驗結果。

將待測試件按照操作規(guī)程安裝于試驗臺上，試件夾持方式及載荷方向見圖1，墊塊夾持位置見圖2。對50 mm×50 mm×50 mm的標準正方體待測試件采取應力控制下的加載方式，加載速率為2 kN/s；σ1、σ2、σ3同時加載，σ1為上下垂直載荷（z方向），σ2為左右水平載荷（y方向），σ3為前后水平載荷（x方向）；σ1、σ2、σ3加載至初始地應力水平后，應力保持；保持一段時間待應力重分布后，操作卸載杠桿，迅速（0.05 s）卸載x方向前端的主應力，形成臨空面，以模擬人為采掘后留下的裸露巖；隨后，σ2應力保持，臨空面對向應力不變，σ1以2 kN/s的加載速率繼續(xù)加載，直至發(fā)生明顯巖爆現(xiàn)象后停止。三軸巖爆模擬試驗加載方式及路徑見圖3、圖4。

2聲發(fā)射特征研究

2.1聲發(fā)射振鈴計數(shù)特征

真三軸加載條件下巖爆模擬試驗選取具有典型巖爆特征的試件G1及G3進行分析，通過對聲發(fā)射原始監(jiān)測數(shù)據(jù)進行收集處理，提取其中參數(shù)信息，繪制時間-聲發(fā)射振鈴計數(shù)關系，并結合應力演變過程，研究真三軸加載條件下巖爆的聲發(fā)射特征。試件G1和試件G3的時間-應力-聲發(fā)射振鈴計數(shù)關系見圖5、圖6。

從試件G1時間-應力-聲發(fā)射振鈴計數(shù)關系中可以看出：剛開始加載時，巖石試件由于處于壓密階段，內部孔洞裂隙在外界載荷作用下逐漸閉合，聲發(fā)射信號活躍，聲發(fā)射振鈴計數(shù)高聳密集；待σ1應力保持后，聲發(fā)射信號逐漸平穩(wěn)，聲發(fā)射振鈴計數(shù)底伏稀疏；在三向應力均處于應力保持階段，巖石試件處于應力重分布狀態(tài)，聲發(fā)射信號歸于寂靜，聲發(fā)射振鈴計數(shù)基本為零；隨著單面卸載完成臨空面出現(xiàn)后，垂直應力繼續(xù)加載，聲發(fā)射信號出現(xiàn)短暫活躍，聲發(fā)射振鈴計數(shù)表現(xiàn)出先密集增長后稀疏低伏；隨著加載的進行，巖石試件內部彈性勢能積聚，聲發(fā)射信號明顯活躍，并在500 s附近達到一次峰值，聲發(fā)射振鈴計數(shù)表現(xiàn)出密集叢生現(xiàn)象；臨近抗壓強度時，可清晰聽見輕微爆裂聲響，聲發(fā)射信號非?；钴S，聲發(fā)射振鈴計數(shù)達到峰值，隨后（5 s）巖爆發(fā)生，巖石試件臨空面崩碎，大量巖塊、巖粉噴出。通過對比圖5-a）與圖5-b）不同數(shù)量級的聲發(fā)射振鈴計數(shù)峰值規(guī)律，雖然加載中期（500 s）與臨爆時（579 s）聲發(fā)射振鈴計數(shù)均達到峰值，但后者峰值明顯高于前者，說明臨爆時巖石試件內部出現(xiàn)了大規(guī)模的裂隙孔洞擴展、貫通形成宏觀破裂，最終在外界微小擾動下內部積聚的大量彈性勢能瞬間釋放導致巖爆發(fā)生。

從試件G3時間-應力-聲發(fā)射振鈴計數(shù)關系中可以看出：首次加載時，巖石試件內部孔洞裂隙閉合，此過程向外釋放大量聲發(fā)射信號，聲發(fā)射振鈴計數(shù)高聳密集出現(xiàn)；三向應力保持階段前后，除單面卸載時釋放大量聲發(fā)射信號，聲發(fā)射振鈴計數(shù)達到峰值外，其余時段內聲發(fā)射振鈴計數(shù)均維持在較低水平；三向應力保持階段內，基本無聲發(fā)射活動，聲發(fā)射振鈴計數(shù)近乎為零；隨著垂直載荷的加大，巖石內部微裂隙進一步發(fā)育，聲發(fā)射活動變得活躍，聲發(fā)射振鈴計數(shù)開始密集增長；巖爆發(fā)生前，聲發(fā)射信號活躍程度達到頂峰，聲發(fā)射振鈴計數(shù)突增至最大值，不久后（6 s），巖爆劇烈發(fā)生，巖石試件整體損壞崩裂。通過對比圖6-a）與圖6-b）不同數(shù)量級的聲發(fā)射振鈴計數(shù)峰值規(guī)律，臨爆時（579 s）的聲發(fā)射振鈴計數(shù)峰值現(xiàn)象顯著，其與巖石內部裂隙孔洞的發(fā)展、貫通形成宏觀破裂關系緊密，而單面卸載時（274 s）的聲發(fā)射振鈴計數(shù)峰值則與巖石內部應力重分布及機械干擾有關。

綜上所述，在真三軸加載條件下巖爆模擬試驗過程中，聲發(fā)射信號活躍程度與三向載荷之間規(guī)律明顯，能夠很好地反映巖石內部微裂隙孔洞的發(fā)育、發(fā)展及貫通情況，從而反映出巖石內部局部應力集中程度。通過真三軸加載條件下巖爆模擬試驗發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射振鈴計數(shù)在加載前期、應力保持階段、加載后期及臨爆階段特征各有不同。其中，臨爆階段聲發(fā)射振鈴計數(shù)達到峰值，且顯著高于其他各階段，此現(xiàn)象可作為巖爆即將發(fā)生的前兆特征，并以聲發(fā)射振鈴計數(shù)密集增長現(xiàn)象作為判斷巖體存在巖爆發(fā)生可能性的關鍵預防階段，為工程實踐提供理論指導。

2.2聲發(fā)射b值特征

b值的概念最早起源于地震學，由Gutenberg和Richter研究世界地震活動性時提出，即著名的地震震級與頻度的G-R關系式（見式（1）），它可以用來表征裂紋擴展的尺度。因此，分析聲發(fā)射b值特征對于加載過程中巖樣的破壞模式具有重要的物理意義。學者在研究巖石聲發(fā)射b值時，通常將G-R關系式中的震級M由幅值ML替換［17-18］，即G-R關系式可由式（2）與式（3）替代。

[lg N=a-bM] （1）

[ML=ms/20] （2）

[lg N=a-bML] （3）

式中：N為震級在ΔM范圍內地震頻度；M為地震震級；ML為加載過程中的“震級”；a，b為常數(shù)，其中，b值為相對震級分布的函數(shù)，也為裂紋擴展尺度的函數(shù)；ms為加載過程中監(jiān)測到的聲發(fā)射振幅。

脆性巖石的破壞模式與內部裂紋的演化過程與地震發(fā)生機制一致，即b值的大小可以反映巖石內部裂隙發(fā)育的尺度。一般來說，b值處于相對低值時，聲發(fā)射事件以高幅值居多，巖石內部裂隙發(fā)育以大尺度破裂為主；ｂ值降低則表示大聲發(fā)射事件的比例在增加。相反亦然，高聲發(fā)射b值預示著巖石內部破裂以小尺度裂隙孔洞發(fā)育占據(jù)主導。

計算聲發(fā)射b值的常用方法可分為最小二乘法和最大似然法，本文采用線性最小二乘法進行b值計算。在b值計算時，參考三軸受載過程中聲發(fā)射振鈴計數(shù)特征，采樣窗口分別獲取500個聲發(fā)射事件和1 000個聲發(fā)射事件為一組，步長選取100個聲發(fā)射事件，按聲發(fā)射事件時間順序滑動窗口進行取樣計算，結果見圖7。同時，為了進一步研究聲發(fā)射事件是否符合G-R關系，需要對試件的聲發(fā)射振幅-頻度分布進行線性分析。試件聲發(fā)射振幅-頻度分布見圖8。由圖8可知，試件G1和G3的擬合度R2分別達到0.955 9和0.979 2，擬合度R2均高于0.95，說明試件G1和試件G3的聲發(fā)射振幅-頻度分布都具有良好的線性關系，符合G-R關系式。

3結論

1）真三軸加載條件下巖爆模擬試驗通過三向-五面獨立加載，能夠最大程度還原深部因采掘活動下單面臨空圍巖體內局部應力集中導致的應變型巖爆現(xiàn)象，模擬試驗結果顯示，聲發(fā)射信號活躍程度與三向載荷之間規(guī)律明顯。

2）聲發(fā)射振鈴計數(shù)能夠反映不同應力狀態(tài)下巖石試件內部裂隙孔洞的發(fā)育、發(fā)展、貫通情況，各階段聲發(fā)射振鈴計數(shù)特征為：加載初期高聳密集，應力保持階段近乎歸零，單面臨空時出現(xiàn)短暫增長，加載后期密集增長，臨爆時達到峰值。

3）根據(jù)巖爆不同時期的聲發(fā)射特征研究結果：臨爆階段聲發(fā)射振鈴計數(shù)達到峰值，且顯著高于其他各階段，此現(xiàn)象可作為巖爆即將發(fā)生的前兆特征；并以聲發(fā)射振鈴計數(shù)密集增長現(xiàn)象作為判斷巖體存在巖爆發(fā)生可能性的關鍵預防階段。

4）聲發(fā)射b值可以衡量巖石內部微裂隙的發(fā)育情況，較低的b值說明巖石內部發(fā)生大尺度破裂，而較高的b值則反映以小尺度裂隙發(fā)育為主。在高應力條件下，聲發(fā)射b值的突然降低可作為巖爆即將發(fā)生的前兆特征，為工程實踐提供理論指導。

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Study on acoustic emission characteristics of rockburst simulation under"true triaxial test conditions

Huang Zhanying1， Zhang Tan2， Nie Huawei1， Li Chenjuan1

（1. Guizhou Communications Polytechnic University ;" 2. Guizhou Equipment Manufacturing Polytechnic）

Abstract：To investigate the acoustic emission characteristics of rockburst caused by stress concentration during excavation in deep?buried chambers under high?stress mining environments， true triaxial tests were performed using the TRW-3000 true triaxial apparatus coupled with the PCI-Ⅱacoustic emission monitoring system. Three?way and five?face stress environments with one side of the deep?buried chamber surrounding rocks facing air are simulated by carrying out triaxial independent loading and sudden single?sided unloading on marble specimens. The results show that the ringing count and b?value of acoustic emissions effectively reflect the initiation， propagation， and coalescence of internal cracks and voids in the rock. During the pre?failure stage， the ringing count rapidly increases and reaches its peak， while the b?value sharply drops， indicating the rapid expansion of internal voids and cracks into large?scale fractures， leading to severe instability and failure of the specimen. The dense growth of ringing counts can serve as a key indicator of the likelihood of rockburst occurrence in the deep?buried chamber surrounding rocks， while the sudden decrease in the b?value is a precursor to imminent rockburst. These findings provide theoretical guidance for mining practices in deep underground areas.

Keywords：high stress; deep mining; deep?buried chamber; strain?type rockburst; true triaxial loading and unloading; acoustic emission characteristics

基金項目：貴州省科技廳科學技術基金（黔科合基礎〔2020〕1Y280）；貴州裝備制造職業(yè)學院院級科研項目（ZBKY2024-Y031）

作者簡介：黃湛煐（1993—），女，講師，碩士，從事巖土安全研究工作；E?mail：95697437@qq.com

*通信作者：張倓（1994—），男，助教，碩士，從事礦山安全方向的研究工作；E?mail：772865274@qq.com