饱水花岗岩巷道岩爆声发射时序特性实验研究

王亚东，张艳博，田宝柱，张再道

(1.华北理工大学 以升创新教育基地，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009；

3.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009 )



饱水花岗岩巷道岩爆声发射时序特性实验研究

王亚东1,2，张艳博2,3，田宝柱2,3，张再道1,2

(1.华北理工大学 以升创新教育基地，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009；

3.华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009 )

[摘要]为了探讨水对岩石岩爆性能的影响，采用双轴微机控制伺服压力系统及PCI-2声发射监测系统对干燥及饱水花岗岩进行了室内岩爆模拟声发射试验。研究结果表明：水对花岗岩的强度、变形特征有较大影响。饱水使花岗岩峰值强度下降了12.69%，变形模量下降了8.24%；水在一定程度上抑制了花岗岩内部原生裂纹的孕育进度，降低了岩爆过程中声发射的活跃程度。水平卸荷后，干燥花岗岩累积振铃计数近似直线增长，饱水花岗岩则呈“台阶”状上升；干燥花岗岩岩爆过程中b值历经孕育区、发展区、下降区；饱水花岗岩b值第三阶段则为群聚区，意味着水可以软化岩样，降低岩爆烈度；水改变了花岗岩岩爆过程中内部裂纹的破坏机制，饱水花岗岩水平卸荷后的Ra值呈束状分布，内部裂纹以拉—剪—拉共存的形式破坏，而干燥花岗岩则呈张拉破裂为主，剪切为辅的破坏形式。

[关键词]饱水；花岗岩；岩爆；声发射；时序特性

岩爆是处于高应力或极限平衡状态的岩体或地质结构体，在开挖活动的扰动下，使其内部储存的应变能瞬间释放，造成开挖空间周围部分岩体从母岩中急剧、猛烈地突出或释放出来的一种动态力学现象[1]。随着矿山、地下核电站、交通隧道等工程向深部的不断发展，地下开挖环境日益复杂，面临的问题也越来越多。受“三高一扰动”的影响，岩爆灾害发生的频率急剧增多，严重影响了施工进度及生产安全，带来了不必要的损失。

近年来，国内外不少学者采用声发射作为监测手段进行了大量的岩爆实验。R.J.Durrheim等[2]通过监测微震的活动规律，研究了南非金矿开采过程中的岩爆孕育机制。陈炳瑞等[3]对锦屏 II级水电站引水隧洞现场内发生的岩爆现象进行了系统研究，提出了时滞型岩爆概念。秦乃兵等[4]在双轴压缩条件下进行了饱和水对硐室岩体声发射实验，指出含水岩样声发射能率和事件率主破裂前具有的一段相对平静期，用来预测岩爆是可行的。高永涛等[5]模拟了不同构造应力条件下白云岩的岩爆过程，发现竖向构造应力引发的岩爆属于滞后岩爆，水平构造应力引发的岩爆属于瞬时岩爆。周宗红等[6]对会泽铅锌矿深部岩体进行了岩爆倾向性的研究，根据声发射的活动规律预测了岩爆的倾向性。张艳博等[7]对花岗岩岩爆前兆的特征进行了多物理场参数的分析研究,得出3种监测手段对岩爆响应的敏感顺序为：可见光图像>远红外>声发射。马艾阳等[8]对锦屏大理岩进行了全程和非全程的真三轴岩爆试验，解释了岩爆的渐进破坏过程。徐连满等[9]通过采用损伤力学与极值点失稳理论,提出了岩爆时快速计算原岩应力值的岩爆远场原岩应力反分析方法。综上所述，目前研究者们在岩爆发生的孕育机制及破坏过程方面取得了一定的进展。但对水平卸荷的岩爆室内试验开展较少，同时考虑水作为影响岩爆发生进程的重要因素之一[10-11]，本文将开展干燥及饱水状态的花岗岩巷道岩爆模拟实验。

本文采用RLW-3000微机控制伺服压力试验机和PCI-2声发射监测仪进行了干燥及饱水花岗岩巷道岩爆实验室模拟试验，并对水平卸荷岩爆过程中的可见光图像及声发射时序特征进行对比分析，研究水对花岗岩巷道岩爆声发射时序特性的影响规律。

1岩爆模拟实验

1.1岩样制备

本次实验选用未风化的花岗岩，根据本次试验压力系统的承载能力，将岩样尺寸加工成150mm×150mm×150mm的立方体，岩样两端面不平行度小于0.02mm。将加工好的岩样两端面正对中心钻取φ45mm的圆孔，观察孔深50mm，注水孔深90mm，中间留10mm岩层，模拟巷道开挖过程中的工作面(图1)。将制备好的岩样分成两组，每组4块，按照《岩石力学试验教程》[12]分别进行干燥及饱水处理。

图1　岩样示意

干燥岩样将岩样放于105℃的恒温干燥箱内烘干24h后，取出放入干燥器内冷却至室温后称量，然后再次烘干24h，取出称量；若两次称量岩样质量变化率小于0.1%，即为满足要求，若不符合，则要继续烘干直至满足试验要求。

饱水岩样采用自由吸水法，将岩样置于水槽中，先注水至岩样高度的1/4，然后每隔2h分别注水至岩样高度的1/2和3/4处，6h后全部浸没岩样，使岩样在水中浸泡48h。对处理后的饱水岩样的注水孔进行注水密封，以保证实验过程中岩样的饱水性。将处理后的干燥岩样依次编号为GHG-1,GHG-2，GHG-3，GHG-4；饱水岩样依次编号为BSHG-1,BSHG-2，BSHG-3，BSHG-4。

1.2实验设备

本次实验压力系统为RLW-3000微机控制伺服压力试验机，监测系统为PCI-2声发射监测仪。

图2　实验设备

1.3实验方案

为研究地下矿山巷道内的高应力区开挖卸荷后所引起的应力集中在重新调整平衡后，外界扰动作用下发生的岩爆，本次实验采用双轴加载，同时根据山东某矿地下-860m的地应力测试结果。试验中水平方向先加载至300kN(即13.3MPa，大致相当于现场-860m处的中间主应力)保持不变。当轴向从300kN以0.3mm/min 加载至1125kN后，水平方向以40mm/min卸载，水平卸荷过程中轴向以原速度继续加载至岩样发生岩爆。岩爆试验过程中利用声发射系统进行同步监测。同时为了消除试验中环境噪声对声发射仪监测的影响，试验前将声发射仪参数值设置如下：声发射采样门槛值为45dB，前置放大器门槛值为40dB，采样频率为1kHz～3MHz，波形采样率为1MSPS，长度为2K，预触发为256。声发射传感器为R6型谐振式高灵敏度传感器，其工作频率为35～100kHz，试验时在传感器和岩样之间涂抹凡士林，以增强二者耦合性，同时减少声发射信号的衰减。

2岩爆实验过程分析

从花岗岩岩爆实验中可观察到，在压密阶段，岩样表面及孔洞周围表现平静。自水平卸荷后，岩样孔洞左右边帮先出现少许的掉渣。之后，岩样出现一段平静期。随轴向载荷的继续增加，孔洞内出现持续的颗粒弹射。继而孔洞内部及岩样表面相继出现大面积的块状剥落，且岩样表面的裂纹逐渐扩展、贯通成较大的宏观裂隙。最终，岩样孔洞出现不同程度地坍塌，岩样全面破裂，此现象对应为岩爆灾害。上述实验现象与岩爆孕育及发生过程中典型的阶段特征相吻合。

在干燥和饱水两种状态下，花岗岩的岩爆剧烈程度有所差异。干燥花岗岩岩爆前的孕育过程中颗粒弹射持续时间在1min左右，且夹杂着围岩的块状剥落；饱水花岗岩只出现约30s的轻微颗粒弹射。在形成岩爆灾害时，干燥花岗岩表面支离破碎，岩块剥落现象严重。且孔洞内预留的工作面破裂，孔洞内积聚大量颗粒状碎块，孔洞坍塌。饱水花岗岩表面的块状脱落程度较弱，孔洞内聚存着颗粒弹射时留下的块状岩体，且孔洞完整性较干燥状态好(见图3)。说明水可使岩样软化，降低各组分间胶结力，内摩擦角减小。在承受加载力时，岩爆的剧烈程度减弱。

图3　干燥和饱水花岗岩破坏形态

干燥和饱水花岗岩物理力学性质见表1。由表1可知，饱水花岗岩峰值强度及变形模量均小于干燥状态，且水的存在使饱水花岗岩峰值强度下降了12.69%，变形模量下降了8.24%。分析可得，由于岩样的不均质性，花岗岩内部充满大量的孔隙和裂隙。在含水条件下，大量的自由水浸入到岩样的缺陷中，使岩样各组分间胶结程度减弱，强度降低，变形模量减小。

表1　干燥和饱水花岗岩物理力学性质

3岩爆过程声发射时序特征

通过采集实验中的声发射波形信息，可以分析岩样受载破坏过程中内部裂纹的形成和扩展过程。常用的声发射参数有声发射事件率、累积振铃计数、声发射b值(b值是声发射相对震级分布的函数[13]，因此，b值是表征裂纹扩展尺度的函数，同时b值也反映了岩样承受的平均强度的变化)、Ra值(上升时间/幅值)等。限于篇幅，本文选取声发射累积振铃计数、b值和Ra值进行分析干燥和饱水花岗岩巷道岩爆过程中的声发射时序特性。

3.1声发射累积振铃计数特征

声发射累积振铃计数可以反映声发射信号的频度和强度，表征声发射活动性的强弱。图4为岩爆实验累积振铃计数-时间-载荷曲线图。由图4可知，干燥花岗岩在水平卸荷之前，累积振铃计数数值较低，说明此时声发射活动表现很少。水平卸荷后的线弹性阶段，干燥花岗岩声发射表现较为活跃，岩样内部裂纹逐渐扩展、贯通。随轴向载荷的继续增加，累积振铃计数近似直线增长直至岩爆结束。

相比干燥花岗岩，饱水花岗岩累积振铃计数在水平卸荷前与干燥状态相同。自水平卸荷后，饱水花岗岩累积振铃计数出现了平静期，呈“台阶”状上升，说明水在一定程度上抑制了花岗岩内部原生裂纹的孕育进度，降低了声发射的活跃程度。

图4　干燥和饱水花岗岩累积振铃计数-时间-载荷曲线

当轴向载荷接近峰值强度时出现不同程度的应力降，说明水的软化作用使饱水花岗岩的屈服阶段明显；其累积振铃计数则陡然上升，说明此时岩样内部裂纹剧烈汇集、扩展、贯通，岩样表面逐渐形成宏观裂纹，最终发生岩爆灾害。

3.2声发射b值特征

Gutenberg 与 Richter 在研究地震活动性时于1941年提出了著名的地震震级与频率之间的统计关系式：

lgN=a-bM

式中，M为震级；N为震级在ΔM中声发射次数；a，b为常数。

图5是干燥和饱水花岗岩b值-时间-应力曲线图。由图5可知，干燥花岗岩岩爆过程历经压密阶段的孕育区、线弹性阶段的发展区，裂纹扩展及破裂阶段的下降区。饱水花岗岩前两阶段与干燥花岗岩类似，但其裂纹扩展及破裂阶段则表现为群聚区。

图5　干燥和饱水花岗岩b值-时间-应力曲线

(1)孕育区Ⅰ岩样处于压密阶段，此时岩样中原有裂纹被逐渐压密，闭合。

(2)发展区Ⅱ自水平卸荷后，b值急速下降，且干燥花岗岩b值下降幅度大于饱水花岗岩，说明解除水平载荷后，受单一轴向应力的岩样内部裂纹迅速扩展、贯通，裂纹向大尺度方向发展。随轴向载荷的继续增加，花岗岩声发射活动频繁，b值活跃，呈波动性发展趋势。

(3)下降区Ⅲ岩样处于裂纹扩展及破裂阶段，干燥花岗岩b值下降，岩样内部裂纹扩展、贯通，逐渐演变为宏观裂隙。岩样孔洞及壁周围呈现较大程度的破坏，孔洞相继出现坍塌。

群聚区Ⅲ饱水花岗岩b值此时呈群聚型。说明饱水花岗岩内部裂纹孕育、扩展较快，裂纹不断演化发展。

综上可知，水的存在可使饱水花岗岩软化，颗粒间胶结程度降低，延性增大，花岗岩内部积聚弹性能的能力减弱。在发生岩爆灾害前，内部裂纹演化持续时间较长，b值活动性频繁。

3.3声发射Ra值特征

声发射Ra值可以反映岩样内部裂纹的破坏形式。高Ra值，表征岩样内部以张拉破裂为主；低Ra值，表征岩样内部裂纹以剪切破裂为主[14]。

图6　干燥和饱水花岗岩Ra值-时间-载荷曲线

图6为干燥和饱水花岗岩Ra值-时间-载荷曲线。由图6可知，干燥花岗岩自水平应力卸荷后，岩样内部的应力组合形式发生变化，Ra值剧增，表现为群聚型分布，此时内部裂纹以张拉破裂为主；岩爆灾害发生前，Ra值演变为呈低幅为主，高、低幅共存分布，内部裂纹以剪切破裂为主。相比干燥花岗岩岩爆过程中内部裂纹的拉—剪复合破坏形式，饱水花岗岩在水平应力卸荷后，声发射Ra值呈束状剧增，之后出现了近似的平静期。岩爆灾害发生前，Ra值则急剧升高。总结上述实验现象，饱水花岗岩在岩爆发生前的孕育过程中岩样内部裂纹的破坏形式以拉—剪—拉共存为主。

水的存在，不仅可以使花岗岩软化，降低岩样的峰值强度，还可以使岩样的破裂机制发生改变。饱水花岗岩自水平卸荷后，Ra值束状分布，岩爆灾害发生前，Ra值则陡增，内部裂纹以拉—剪—拉共存的形式破坏。干燥花岗岩岩爆前的孕育过程中，岩样内部裂纹表现为张拉为主，剪切破裂为辅；发生岩爆灾害时则以剪切破裂为主。

4结论

(1)由于岩样的不均质性，在含水条件下，大量的自由水浸入到岩样的缺陷中，使岩样各组分间胶结程度减弱，强度降低，变形模量减小。相比干燥状态，饱水花岗岩峰值强度下降了12.69%，变形模量下降了8.24%。说明水在一定程度上改变了花岗岩的强度及变形特征。

(2)水平卸荷前，花岗岩声发射累积振铃计数数值均较低；卸荷后，干燥花岗岩累积振铃计数近似直线增长，饱水花岗岩则呈“台阶”状上升，期间出现了平静期。表明水在一定程度上抑制了岩爆过程中花岗岩内部原生裂纹的孕育进度，降低了声发射的活跃程度。

(3)岩爆过程中干燥花岗岩b值变化伴随压密阶段的孕育区、线弹性阶段的发展区，裂纹扩展及破裂阶段的下降区；饱水花岗岩b值前两阶段与干燥花岗岩类似，第三阶段表现为群聚区。说明水可以软化岩样，降低花岗岩内部裂纹的扩展尺度，进而降低岩爆烈度。

(4)水改变了花岗岩岩爆过程中内部裂纹的破坏机制。水平卸荷后，干燥花岗岩Ra值呈群聚型分布；岩爆灾害发生前，Ra值表现为低幅为主，高、低幅共存，说明岩爆发生前的孕育过程中内部裂纹以张拉破裂为主，剪切为辅。饱水花岗岩水平卸荷后Ra值则呈束状分布，内部裂纹以拉—剪—拉交替的形式破坏。

[参考文献]

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[责任编辑：李宏艳]

Experimental Research on AE Temporal SequencesProperty of Rock-burst in Roadway with Saturated Granite

WANG Ya-dong1,2，ZHANG Yan-bo2,3,TIAN Bao-zhu2,3，ZHANG Zai-dao1,2

(1.Yisheng Innovation Education Base，North China University of Science & Technology，Tangshan 063009，China;2.Hebei Key Laboratory of Mine Development & Safety Technology，Tangshan 063009，China；3.School of Mining Engineering North China University of Scienee & Technology，Tangshan 063009,China)

Abstract：In order to discuss influence of water to rock burst，biaxial servo microcomputer control system and PCI-2 AE temporal system were applied to sound reflection simulation of rock burst in door，results showed that water was an important influence element for granite strength and deformation.Saturated water reduced the peak strength of granite by 12.69%，deformation modulus decreased by 8.24%，initial fissures of granite development were restrained by water somewhat，AE activity was decreased during rock burst process，accumulative ring down count of dry granite climbed approximately straight after horizontal unloading，but as saturated granite it climbed as“step”，value b of rock burst process in dry granite，which included inoculation zone，development zone，decline zone，and the third zone of saturated granite was cluster zone，its means that water could soften rock sample and decreased rock burst intensity，the broken mechanism of inner fissures of granite rock burst was changed by water，value Ra liked a bunch distribution after saturated granite horizontal unloading，the broken style of inner fissures was tensile- shear- tensile，but to dry granite tensile failure was the primary broken style，and shear failure was auxiliary.

Keywords：saturated；granite；rock burst；AE；temporal sequence property

[中图分类号]TD315

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0012-06

[作者简介]王亚东(1993-)，男，河北邯郸人，主要从事岩石力学方面的研究。通讯作者：张艳博(1973-)，男，河北徐水人，博士，教授。

[基金项目]国家自然科学基金项目(51374088,51174071)；国家级大学生创新创业训练计划项目(201410081031)；华北理工大学大学生创新性实验计划项目(X2014067)

[收稿日期]2015-08-27

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.003

[引用格式]王亚东，张艳博，田宝柱，等.饱水花岗岩巷道岩爆声发射时序特性实验研究[J].煤矿开采，2016，21(1)：12-17.