花岗岩岩爆的声发射试验研究*

戴文静　周晓山

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.承德市滦平县国土资源局)



花岗岩岩爆的声发射试验研究*

戴文静1，2周晓山1

(1.华北理工大学矿业工程学院；2.承德市滦平县国土资源局)

摘要通过对不同含水深部巷道花岗岩进行双轴加载声发射试验，利用声发射检测技术监测岩爆孕育、发生与发展的整个过程，对比分析水对岩爆的影响，并通过分析声发射事件率和声发射绝对能率研究岩爆发生的规律，为岩爆监测提供研究基础和技术支持。模拟试验结果表明：干燥饱水花岗岩都有明显的岩爆现象发生，饱水花岗岩岩爆发生时间有所滞后，岩爆发生爆裂程度有所降低；干燥花岗岩弹性能大，饱水花岗岩弹性能略小；干燥和饱水花岗岩声发射事件率和绝对能率在主破裂前都有一小段平静期，饱水花岗岩绝对能率有双峰性。

关键词花岗岩岩爆含水声发射

岩爆是在高地应力条件下，由于地下硐室开挖产生的卸荷作用，导致硐壁应力重新分布的一种动态失稳地质灾害[1]。影响岩爆的因素众多，水是其中最重要的一项。因岩石力学性质参数测量较为困难，所以常常利用声发射测试技术测试岩石力学参量及岩石的声发射特征[2]。

在研究水对岩石破裂作用方面，国内外学者通过一系列单轴压缩、三轴压缩试验及其他的剪切渗透试验，结果表明，饱和度与岩石的各项力学参数呈负相关关系。李昌友[3]等人通过对风化板岩的崩解和软化试验发现，干燥板岩容易崩解，大旱后突降雨会导致板岩的强烈崩解，水对岩石崩解产生促进作用；赵忠波[4]进行了新鲜砂岩和弱风化砂岩的强度对比试验，证实了水对岩石具有弱化作用，岩石受风化之后弹性模量降低，残余变形增加；彭曙光[5]等通过对受地下水作用的4种不同岩性岩石试件作形貌扫描，发现矿岩遇水软化，岩石破坏时不属于脆性破坏，且岩石抗压强度降低；谢和平等[6]利用软化系数描述岩石强度的变化，发现岩石的干抗压强度明显高于湿抗压强度，岩石遇水后软化系数较小的强度大幅度下降；张艳博和刘祥鑫等[7]利用多种监测手段开展不同含水状态的巷道岩爆试验，提出应建立岩爆监测的多物理场参数联合预警方法，可为岩爆监测提供更准确地预警信息。

本文通过对深部巷道花岗岩进行不同含水双轴压缩条件下的声发射模拟试验，采用声发射仪监测岩爆的孕育、发生以及爆发的整个过程，采集力学、声发射[8]等参数，对比分析不同含水条件下花岗岩岩爆特性、岩爆发生规律，为岩爆监测提供技术手段。

1试验方案

1.1岩石试样制备

本试验选取未风化的花岗岩，取样时对岩石进行层位、方位及受力方向标记，并将岩石粗加工成块状，长×宽×高为150 mm×150 mm×150 mm，人工打磨时控制试样两端面高度差不大于0.05 mm，端面不平整度误差不大于0.02 mm。选择12块符合规格的岩样，在中心正对着的两面钻孔(φ=45 mm)，一面孔深50 mm，另一面孔深90 mm，孔间留10 mm厚岩层，分两组，每组4块，进行如下处理：

(1)干燥试件制备。将试件置于GZX-9070MBE型电热鼓风干燥箱内，在105 ℃恒温下烘48 h。期间烘干24 h后，取出放入干燥器内冷却至室温后称量，再次间隔24 h取出称量。若两次称量试件质量变化率在0.1%之内，即满足要求。最后将试样用塑料保鲜膜包裹好。

(2)饱和含水试件制备。采用自由浸水法饱和，将干燥后的岩样放入水槽中，先注水至试样高度的1/4，以后每隔2 h分别注水至试样高度的1/2和3/4处，6 h后全部浸没试样，试样在水中浸泡48 h。

1.2实验设备

压力试验在RLW-3000微机控制双轴试验机上完成，岩石声发射试验采用美国声学物理公司PAC(Physical Acoustic Corporation)生产的PCI-2型声发射系统(如图1)。

图1　实验设备

1.3试验方案

干燥花岗岩编号为GHG-1、GHG-2、GHG-3、GHG-4，饱水花岗岩编号为BSHG-1、BSHG-2、BSHG-3、BSHG-4，分别进行试验。试验过程中，保持加载系统与声发射监测同步。首先手动控制试验机预加载到5 kN，关闭内侧阀门后计算机控制加载，水平载荷以力控制方式以800 N/s加到300 kN，轴向预加载300 kN，水平方向以25 mm/min卸载，轴向持续加载，直至岩爆发生。

2试验结果分析

2.1试验现象以及破坏分析

试验结果如图2所示。干燥状态和含水状态下都产生了较为明显的岩爆现象。当轴向应力达到一定数值后，岩石出现掉渣，随着载荷的继续增加，掉渣现象更加明显，孔侧壁碎片弹射，孔壁内部深层又有新的剥离层出现。当达到极限应力时，整个洞孔受载突然破裂。

图2　不同含水状态花岗岩破裂形态

由于水的作用，导致岩石强度减小，塑性变形成分增加，弹性成分减小，弹性模量相应减小，使积蓄的弹性能减少，造成岩爆剧烈程度降低。

2.2力学特性分析

通过RLW-3000型微机伺服岩石双轴试验机对花岗岩双向加载，可以得到各试件的载荷-时间曲线，如图3所示。选取了每种状态下的3块试件进行分析。

图3　不同含水花岗岩载荷-时间曲线

从图3中可以看出，花岗岩轴向、水平预加载相同，轴向持续加载直到极限应力后回落，水平载荷不变，在轴向加载到一定程度后卸载。将曲线分为4个阶段：①试验初始阶段，由于岩石初始裂纹的存在，在加载初期，这类裂纹首先发生受压闭合作用，形成早期的非线性变形，但花岗岩属于高强度的硬脆岩石，此阶段不明显；②弹性阶段，此阶段载荷-时间曲线保持线性关系，岩石试件并没有产生明显的破裂；③岩爆发生及发展阶段，在孔硐边壁已产生较为典型的颗粒弹射现象，裂隙扩展接交形成滑动面，试件的承载能力达到极限，出现峰值强度，岩样爆裂，伴随巨大声响；④破裂阶段，试件通过峰值强度之后，内部结构遭到破坏，曲线急剧下降。

由图3中不难看出，干燥花岗岩线弹性阶段比较明显，弹性能大，经历时间最长，峰值强度较于饱水花岗岩大；饱水花岗岩弹性阶段曲线较为平缓，花岗岩含水后弹性能较小，峰值强度较小；峰值之后饱和状态下试件破裂前后端载荷的变化幅度要大于干燥状态，说明产生相等变形量，干燥状态下施加的外部载荷明显要比饱和状态下需施加的外部荷载大。

2.3试验分析

2.3.1声发射事件率分析

选取声发射事件率能反映花岗岩内部破裂事件发生的频率、声发射源活动性和定位集中度。由试验结果分别绘制出不同含水状态下花岗岩声发射事件率和载荷对时间的关联图，如图4、图5所示。

图4　饱水花岗岩声发射事件率、载荷时间曲线

图5　干燥花岗岩声发射事件率、载荷时间曲线

由图4可以看出，饱水花岗岩在受压初期就有一些声发射事件发生，但活动水平都很低，持续时间最长，直至线性弹性阶段。花岗岩的颗粒之间和某些矿物颗粒内部存在着许多不定向、不连续的微形裂隙，此类岩石在荷载作用下的裂纹行为非常活跃，对应力作用敏感。花岗岩即使在饱水时，含水量也很低，但含水还是有很大作用的。而其中BSHG-1在初加载时声发射就十分活跃，声发射事件率达到300次/s的高度，说明此岩样在遇水时，水在晶粒间产生负压，造成岩石实际强度降低，晶粒之间微空隙很快受压闭合，产生较大能量的声发射信号。

试验继续进行，载荷增加抵消了晶粒之间的结合力，晶粒开始沿晶粒间分离，产生声发射现象。此阶段一直持续到极限应力的98%左右时，声发射出现高峰，随后扩展速度减缓，声发射信号减弱，直至岩爆后所形成的主破裂面产生。

图5为干燥花岗岩声发射事件率-载荷-时间曲线。由图5中看出，在加载初期，在裂隙压密阶段就有大量声发射事件产生，花岗岩本身含水率低，干燥之后仍然继承着花岗岩很大特性；在弹性变形阶段，声发射率显著增加，声发射持续出现峰值，在达到极限应力之前的一段时间，声发射事件率出现一段平静的时间；在达到极限载荷时声发射率出现高峰；之后，伴随着试件的破坏，声发射事件率和载荷回落。

综上，花岗岩在干燥情况下加载初期就有大量声发射产生，在饱水之后加载初期声发射较少，说明花岗岩含水之后弹性能减弱，干燥和饱水岩样声发射在到达极限应力之前都有一段平静期。

2.3.2声发射绝对能率分析

声发射绝对能率是指单位时间内观测到全部事件的声发射总和。选取声发射绝对能率对花岗岩岩爆声发射特性进行描述，以此来反映花岗岩内部破裂事件的绝对能量和强度及岩石内部的破裂演化特征。由试验结果分别绘制出不同含水状态下花岗岩绝对能率和载荷对时间的关联图，如图6、图7所示。

图6　饱水花岗岩绝对能率-载荷-时间曲线

图7　干燥花岗岩绝对能率-载荷-时间曲线

从图6可以看出，饱水状态下花岗岩在加载初期能率平稳，花岗岩作为高强度岩石，饱水时弹性能有一定的减弱。随着载荷增加，在岩样主破裂前能率突然出现峰值，此时岩样内部裂纹大量扩展，弹性能释放，能率增加。之后，能率虽有活跃，但也没有峰值，直到载荷到极限应力岩石爆裂，能率达到高峰，这两段之间是一段较平静的时期，与声发射事件率的峰值对比有一些延迟。

从图7可以看出，干燥花岗岩在加载前期能率有些活跃，随着载荷增加，弹性能的聚集，在弹性阶段能率出现高峰，如图7(b)，岩样内部裂纹大面积扩展，弹性能释放。载荷继续加载，能率出现一段较为平静期，但持续较短。

以上分析得出：花岗岩属于高强度岩石，含水率较低，内部结构不稳定，在加载初期，干燥花岗岩能率较活跃，饱水花岗岩遇水受影响较平稳；弹性阶段，饱水花岗岩能率出现峰值，而饱水花岗岩稍微滞后。随后，干燥和饱水花岗岩都有一较短的平静期，此时载荷到达极限应力，能率出现峰值，随后回落。

3结论

(1)岩石在加载过程中，在裂隙压密阶段，花岗岩属于高强度岩石，变化不明显。弹性阶段和破坏阶段干燥和饱水花岗岩变化符合一般规律，干燥花岗岩弹性能大，饱水花岗岩弹性能略小。

(2)在初期，干燥和饱水花岗岩都有大量声发射事件产生，饱水花岗岩受水影响，声发射事件较干燥状态略少，声发射事件率峰值出现滞后，干燥和饱水岩样声发射在到达极限应力之前都有一平静期。

(3)在加载初期，干燥花岗岩能率较活跃，饱水花岗岩遇水受影响较平稳；弹性阶段，饱水花岗岩能率出现峰值稍微滞后，随后，干燥和饱水花岗岩都有一平静期，饱水花岗岩绝对能率有双峰性。

参考文献

[1]张晓春.矿山岩爆机理与防治实践[M].南京:东南大学出版社,2010.

[2]付小敏.典型岩石单轴压缩变形及声发射特性试验研究[J].成都理工大学学报,2005,32(1):17-21.

[3]李昌友，傅鹤林，蔡海良，等.风化板岩水理特性研究[J].铁道科学与工程学报，2009，6(1)：74-77.

[4]赵中波.某水电坝基工程岩石物理力学试验及探讨[J].江西有色金属,1998,12(4):4-6.

[5]彭曙光,裴世聪.水-岩作用对岩石抗压强度效应及形貌指标的实验研究[J].实验力学,2010,25(3)：365-370.

[6]谢和平，陈中辉.岩石力学[M].北京：科学出版社,2004.

[7]张艳博,刘祥鑫,梁正召,等.基于多物理场参数变化的花岗岩巷道岩爆前兆模拟实验研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(7):1347-1357.

[8]腾山邦久.声发射(AE)技术的应用[M].冯夏庭,译.北京：冶金工业出版社,1996.

(收稿日期2015-10-20)

Experimental Study of Rock Burst Acoustic Emission

Dai Wenjing1,2Zhou Xiaoshan1

(1. College of Mining Engineering, North China of Science and Technology;2. Bureau of Land Resources Management of Luanping County, Chengde City)

AbstractBased on the different water deep roadway granite biaxial loading acoustic emission experiment, monitoring the whole process of occurrence and development of rock burst by the acoustic emission testing technology, analyzing the influence of water to rock burst to obtain the rock burst occurs regularity by the analysis of the rate of acoustic emission event and the acoustic emission absolute energy rate to provide research basis and technical basis for monitoring rock burst. The simulation result show that dry saturated granite has obvious phenomenon of rock burst occurred, but the full water granite rock burst occurrence time is lag behind, the degree of rock burst is decreased; the dry granite elastic energy is larger than the saturated granite flexibility; dry saturated granite and saturated granite rate of acoustic emission events and absolute duty have a short quiet period before the main rupture, the absolute duty of full water granite has the bimodal characteristics.

KeywordsGranite, Rock burst, Containing moisture, Acoustic emission

*河北省教育厅自然科学类项目(编号：QN2014067)。

戴文静(1985—)，女，硕士研究生，163009 河北省唐山市新华西道46号。

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