单轴压缩条件下石灰岩的声发射试验及工程应用研究

聂刚　陈俊智

摘要： 运用TAW-2000B微机控制电液伺服岩石三轴试验机和SDAES数字声发射检测仪系统，在单轴压缩条件下，对石灰岩在应力-应变曲线全过程中不同阶段的声发射特征进行分析，通过试验研究对岩石应力-应变曲线不同阶段的声发射特征进行系统分析，在原岩开挖后，立即进行初喷混凝土等柔性支护，可以使围岩能够尽可能的变形，使其达到弹性变形的极限，开始出现塑性变形支护效果最好，能充分发挥围岩自身的稳定性，这对何时进行支护才能最大程度的发挥围岩自身的稳定性奠定理论基础。

Abstract： TAW-2000B computer control electro-hydraulic servo rock triaxial testing machine and SDAES digital acoustic emission detector system are used to analyze the acoustic emission characteristics of rock stress-strain curve in different stages under the condition of uniaxial compression. After original rock excavation， flexible support like initial shotcrete is done immediately， so that the surrounding rock can deform as much as possible and reach the limit of elastic deformation. The supporting effect is best if it begins to appear plastic deformation， thus the stability of the surrounding rock can be well played. This can lay a theoretical foundation for making decision on when to carry out support to give full play of the stability of the surrounding rock.

關键词： 岩石力学；声发射；支护；围岩稳定性；应力；应变

Key words： rock mechanics；sound emission；support；stability of surrounding rock；stress；distortion

中图分类号：TU458 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）05-0119-05

0 引言

随着矿业工程的日益发展，在建井施工到矿井生产的整个过程中，围岩支护作为一个分项工程，无论是在掘进立井、斜井、平硐、巷道、硐室等施工中都起着至关重要的作用。而围岩支护效果的好坏要从地应力、围岩自身稳定性、支护方式、支护材料、施工方式、验收体系等方面综合考虑。地应力主要由自重应力和构造应力组成，由于目前对地应力的理论与技术研究有限，只有自重应力能够计算出来，因此单纯运用地应力理论来进行分析，效果并不是很理想，有可能在数十米以外地应力的数值就大不一样，难以把握其中规律，而在其他因素中首要考虑的就是围岩自身稳定性，目前对于围岩稳定性的分析以声发射技术最为普遍。五十年代初，Kaiser发现在金属材料的形变过程中有声发射现象，声发射是材料中局域源快速释放能量产生瞬态应力波的现象，简称AE，是一种应力波传播现象，在大部分材料中它看不到，听不到，只能用声发射的相关仪器来进行测量[1]。因此为了云南玉溪市新平县自走铁矿1530中段原岩开挖后，能够选取合理的支护方案，本人通过现场进行石灰岩取样，在实验室将石灰岩加工成试件，在刚性试验机上通过单轴压缩实验和数字声发射检测仪对试件在应力-应变全过程中产生的声发射进行分析，通过AE累计振铃数，累计AE数，AE累计能量三个指标来评价石灰岩在应力-应变全过程中的声发射特征，结合围岩支护理论，确定合理的支护方案。

1 岩石声发射试验

1.1 岩石试件加工

实验的岩体选自云南玉溪市新平县自走铁矿灰色细条板状微晶石灰岩，按照国标《工程岩体实试验方法标准》GB/T 50266-2013相关标准[2]，先运用姜堰市苏阳仪器机械厂生产的立式岩芯取芯机钻取岩芯然后运用切割机将岩芯大致切割到？准50*100mm的圆柱体，最后用打磨机进行打磨使试件表面光滑，不平整度小于0.02mm。姜堰市苏阳仪器机械厂立式岩芯取芯机如图1所示。姜堰市苏阳仪器机械厂自动岩石切割机如图2所示。

1.2 声发射试验设备

试验加载设备采用由长春市朝阳试验仪器有限公司生产TAW-2000B微机控制电液伺服岩石三轴试验机。通过北京声华科技有限公司生产的SDAES数字声发射检测仪绑在试件上的探头来采集岩石试件在加载过程中产生的声发射信号并把声发射信号传输到计算机中来进行分析。TAW-2000B微机控制电液伺服岩石三轴试验机如图3所示。北京声华科技有限公司生产的SDAES数字声发射检测仪如图4所示。

1.3 试验测试方法

在试验中，使用TAW-2000B微机控制电液伺服岩石三轴试验机和SDAES数字声发射检测仪同步进行，加载速度为0.5MPa/s，加载方式为不间断加载，直至岩石破坏，形成石灰岩的应力-应变全过程曲线，累计AE振铃数-应力-时间曲线，AE累计能量-应力-时间曲线和累计AE数-应力-时间曲线，通过累计AE振铃数，AE累计能量，累计AE数对石灰岩应力-应变全过程的声发射特征进行评价。

2 单轴压缩条件下的石灰岩应力-应变全过程中的聲发射特征

2.1 石灰岩应力-应变全过程曲线

单轴压缩条件下石灰岩应力-应变全过程曲线如图5所示，从图5可以看出石灰岩单轴压缩条件下从对岩石施加荷载直到破坏大致经历4个阶段，微裂隙压密阶段，弹性变形阶段，裂隙发生和扩展阶段，裂隙不稳定发展直到破裂阶段 。一般岩石应力应变全过程曲线大致经历5个，微裂隙压密阶段，弹性变形阶段，裂隙发生和扩展阶段，裂隙不稳定发展直到破裂阶段，破裂后阶段[3]。说明石灰岩没有破裂后阶段，接近抗压强度时立即破坏，脆性较大，发生脆性破坏，残余强度很小。石灰岩应力-应变全过程曲线如图5所示。

2.2 AE累计振铃数

AE累计振铃数表示超过门槛信号（40dB）的总震荡次数。AE累计振铃数如图6所示。从图6中可以看出岩石在持续加载过程中，最开始累计振铃数AE快速增长，随着施加荷载不断增加，当应力达到抗压强度的20%以上时，累计振铃数AE出现线性增长，待施加荷载达到抗压强度40%以上时，累计振铃数出现急剧增长。说明石灰岩内部和表面的孔隙，裂隙很多，石灰岩较为破碎，前期在轴向应力的作用下孔隙，裂隙被压密，累计振铃数快速增长，当施加应力达到抗压强度的20%以上时石灰岩出现弹性变形，这时累计振铃数线性增长，当施加应力达到抗压强度40%以上时，石灰岩内部裂隙不稳定发展，裂隙急剧扩展，因此累计振铃数开始急剧增长，继续加载石灰岩迅速出现破坏，说明石灰岩是脆性材料。

2.3 累计AE数

累计AE数表示试验过程中测得的声发射事件数目之和。累计AE数如图7所示。从图7可以看出加载初期，累计生发射数增加了1500个，说明石灰岩内部和表面的孔隙，裂隙被压密，随着荷载缓慢加载累计声发射数增加到1800个，说明石灰岩处于弹性变形阶段，没有新的裂隙产生，累计声发射数较少，当应力从50MP增加到75MP时，累计声发射数从1800增加到3000，说明石灰岩发生塑性变形，石灰岩内部产生新的裂隙，当应力接近抗压强度时，石灰岩迅速出现破坏，石灰岩已经没有承载能力。石灰岩在应力-应变的全过程中都有声发射事件发生。

2.4 AE累计能量

累计AE能量表示试验过程中声发射能量的总和。AE累计能量如图8所示。从图8可以看出累计AE能量在0-75s出现缓慢增长，说明岩石发生弹性变形，在75s-150s石灰岩出现快速增长，说明石灰岩产生塑性变形，在150s之后石灰岩出现急剧增长，说明石灰岩已经开始破坏。

3 工程实例分析

3.1 工程概况

云南玉溪市新平县自走铁矿位于新平县120°方向，井田范围东西全长8.3km，井田面积6.36km2，矿区地形南低北高，开拓系统为平硐开拓，共设1580，1530，1480三个中段，三个中段均与地表相通，其中1530中段正在进行矿建一期工程，1530中段主要是石灰岩巷道，属于Ⅲ类围岩，巷道垂直走向布置，巷道断面为直墙拱型，巷道断面规格为2.5*2.7m2。

3.2 巷道破坏分析

综合分析多个巷道支护实例和施工组织设计，并通过现场调研，造成金属矿巷道掘进冒顶片帮事故的主要原因有以下三点：

①由于金属矿山围岩稳定性比煤矿围岩相对要好，并且根据相关法律法规GB16423-2006《金属非金属矿山安全规程》没有GB6722-2011《煤矿安全规程》强制要求金属矿山在巷道掘进中严禁空顶作业，致使很多企业为了暂时性的节约成本和工期，没有充分考虑凿岩爆破后围岩自身的稳定性，不进行临时支护，空顶作业，致使冒顶造成人员伤亡，财产损失。

②没有做到预测预报，动态管理，没有科学的支护体系，支护方案不合理，永久支护不及时。

③支护材料，支护强度，作业规程，验收体系没有遵守相关法律法规。因此本人通过试验结果并且对失败的支护方案进行总结，采用合理的围岩支护理论，运用石灰岩声发射特征进行预测预报，动态管理，以确定云南玉溪市新平县自走铁矿1533中段石灰岩巷道合理的支护方案，并对支护材料，支护作业，验收体系三方面进行有效控制以保证支护方案的有效实施。

3.3 支护材料

云南玉溪市新平县自走铁矿1530中段进行支护采购的主要支护材料有水泥，粗细骨料，水玻璃，左旋无纵筋螺纹钢树脂锚杆，树脂锚固剂，金属网，工字钢支架等。支护材料严格执行采购订货关，自检，他检，存储和使用关四道工序。

①采购订货关。材料供应商提供材料时必须提供具有法定资质检测单位出具的《出厂合格证》和《出厂检测报告》。

②自检。无论是建设单位采购材料还是施工单位采购材料都要进行自检，对采购材料的质量负责，采购材料以检验批为单位执行进场检验关，必须具有在合同约定的具有法定资质检测单位出具的检测报告，合格后才可以使用。

③他检。根据国务院令 第279号《建设工程质量管理条例》未经监理工程师或建设单位工程师签字，建筑材料，建筑构配件和设备不得在工程上使用和安装。

④存储和使用关。材料的保管由施工单位承担，相关的费用在合同中约定，施工单位必须加强材料进场后的存储和使用管理，避免变质，失效的材料造成质量问题。

3.4 支护方案

3.4.1 围岩支护理论

在国内外支护学者的不断努力下，产生了许多支护理论，本次对云南玉溪市新平县自走铁矿1530中段进行支护，主要采用新奥新法理论和联合支护理论。

①新奥法理论。新奥法即新奥地利隧道施工方法的简称，原文是New Austrian Tunneling Method 简称NATM。新奥法是奥地利学者拉布西维兹教授于20世纪50年代提出的，它是以隧道施工经验和岩石力学为基础，将锚杆和喷射混凝土结合在一起为主要支护手段的一种施工方法[4]。新奥法的核心是充分利用围岩的自承作用，促使围岩本身为支护结构的重要组成部分，使围岩与构筑的支护结构共同形成坚固的承载环。即开巷后立即喷射一层混凝土，封闭围岩的暴露面，形成初期的柔性支护，该层喷层厚度小，且具有柔性，可随围岩变形，再布置锚杆或锚网，加固深部围岩，从而使锚杆，喷层与围岩组成共同的承载环（称为外供），支撑围岩压力，在初喷和打锚杆过程中，要求对围岩变形进行监测，当围岩位移趋于稳定时，进行复喷（称为内拱），加强喷层抗力，提高安全系数，对于底板不稳定，底鼓变形严重的，还应尽快封闭，形成封闭的支护（称为二次支护），新奥法与传统施工方法的区别是传统方法认为巷道围岩时一种荷载机构，应用厚混凝土加以支护松动围岩，而新奥法认为围岩是一种承载机构，柔性薄壁围岩紧贴的支护结构（以喷射混凝土，锚杆为主要手段）并使围岩与支护结构共同形成承载环，来承受压力，并最大限度地保持围岩稳定，而不致松动破坏[5]。

②联合支护理论。联合支护理论是由陆家梁，冯豫，郑雨天等人在20世纪90年代总结新奥法的基础上提出的。联合支护理论认为巷道支护，一味强调支护刚度是不行的，要先柔后刚，先挖后让，柔让适度，稳定支护，先允许围岩有适当变形，再进行稳定支护[6]。

3.4.2 石灰岩声发射的应用

国内大部分矿山巷道发生冒顶片帮主要原因是套用经验法，采用一种固定的支护措施，没有进行有效的预测预报和动态管理，支护不及时，支护不合理，从而引发安全事故。本人通过上述石灰岩声发射试验的分析，运用石灰岩声发射特征对云南玉溪市新平县自走铁矿1530中段进行预测预报，动态管理。

①通过图6可以得出石灰岩在前期轴向应力的作用下，AE累计振铃快速增长，说明石灰岩内部和表面的孔隙，裂隙很多，石灰岩较为破碎，松散，这种声发射现象预测巷道在凿岩爆破之前应当进行超前小导管注浆支护，采用水泥浆和水玻璃双液注浆，水玻璃作为速凝剂可以加快浆液的凝结时间，增加石灰巖的物理力学性质，防止巷道开挖后顶板发生冒落。巷道施工作业方法采用掘支顺序作业，施工作业方式采用滚班制，钻爆法掘进，爆破方法采用光面爆破，周边眼多打眼少装药，尽可能的减小爆破对围岩的震动。

②通过图6，图7，图8可以预测当AE累计振铃，累计AE数，AE累计能量出现线性增长时，说明石灰岩处于弹性变形阶段，结合3.4.2围岩支护理论进行动态管理，此时石灰岩巷道围岩刚受开挖扰动，巷道应力状态由三维应力状态变成二维应力状态，此时选择射混凝土进行初喷，作为临时支护。喷射混凝土本身属于柔性支护，对巷道围岩进行支护后，不但可以防止围岩风化，使围岩由二维受力转换成三维受力，在紧贴岩面的情况下，还可以使巷道围岩产生一定的变形，释放一定能量，使其满足围岩与支护的共同承载支护理论。此道工序虽然在成本与进度上可能会造成一定影响，但是可以在最大的程度上保证安全与支护质量，个人认为尽可能的保障安全，质量才是节约成本与进度的最好途径，否则造成冒顶，巷道变形严重致使人员伤亡，财产损失，巷道挑顶，卧底返工，后果更为严重。

③通过图6，图7，图8可以预测当AE累计振铃，累计AE数，AE累计能量出现急剧增长时，说明石灰岩处于塑性变形阶段，图6，图7还可以预测石灰岩脆性很大，当施加荷载接近抗压强度时立即破坏，发生脆性破坏，没有破坏后阶段，说明残余强度很小。因此针对石灰岩的声发射特征，在石灰岩处于塑性变形阶段时，必须及时进行永久支护，加强支护。此时选择安装锚杆，金属网和复喷混凝土作为永久支护，联合支护。进行永久支护后，继续应用声发射进行动态管理，如果AE累计振铃，累计AE数，AE累计能量仍然出现线性增长，说明支护强度不够，可以采用缩小锚杆间排距，复喷混凝土中加入钢纤维，局部围岩应用刚性支护工字钢支架，模板浇筑混凝土进行加强支护，直至声发射相关数据收敛，稳定为止。

3.5 支护作业

3.5.1 喷射混凝土支护

①混凝土配合比取1：2：2：0.5（水泥：砂子：石子：水），水泥品种选用硅酸盐水泥，水泥强度42.5级，砂子粒径0.3-3mm，含泥量不超过5%，石子粒径10-25mm，含泥量小于1%，选用干净的水，速凝剂一般掺量为水泥用量的2.5%-4%。

②混合料采用机械搅拌，随拌随用，矿车运输，喷射工艺采用干式喷射法。

③凿岩爆破后先进行通风安全检查，敲帮问顶，喷射开始前，先用高风压，水清洗掉岩面的爆破粉尘和岩体节理中的断层泥，以保证混凝土与岩面牢固黏结。

④喷射距离应控制在0.8-1.2m，喷射方向与喷射面垂直。

⑤喷射顺序应使喷头螺旋运动，自下而上喷射。

⑥喷射混凝土初凝时间不小于5min，终凝时间不大于10min。

⑦喷射混凝土应在2h后喷水养护，养护时间一般不小7d。

3.5.2 锚网联合支护

①使用锚杆钻机钻顶部锚杆孔，两帮可以使用气腿式凿岩机钻孔。

②钻孔时采用湿式凿岩，做好防尘措施。

③钻孔过程中要及时对钻孔的角度，深度进行测量。

④安装锚杆前用水或压风将锚杆孔清理干净。

⑤安装锚杆时先顶部后两帮，由外向内。

⑥锚固方式采用全长锚固，锚固锚杆时用锚杆钻机按树脂锚固剂先快后慢的顺序，将锚固剂依次顶入孔底，再启动锚杆钻机搅拌树脂锚固剂，待锚固凝固后，安装金属网，金属网采用钢筋网，钢筋直径为6-8mm，网格为80*80mm，最后安装托盘固定金属网，拧紧螺母使托盘紧贴金属网。

3.5.3 超前小导管注浆支护

①超前小导管采用无缝钢管，长度4.5m，钢管外径42mm，管身设注浆孔，孔径8mm，孔间距10cm，呈梅花型布置，前端成锥形，尾部30mm不钻孔作为止浆垫，防止浆液溢出。

②注浆液采用水泥浆和水玻璃双液注浆，水泥浆和水玻璃的配比取2：1，水泥品种选用硅酸盐水泥，水泥强度42.5级，水灰比1：2，水玻璃波美度22-40°Be。

③静压注浆，注浆初始压力一般为0.5MPa，终压1MPa，扩散半径0.2m，超前小导管间距0.3m，注浆参数应根据现场情况进行调整。

④用气腿式凿岩机进行钻孔，钻孔过程中要及时对钻孔的角度，深度进行测量。

⑤安装超前小导管用水或压风将钻孔清理干净。

⑥超前小导管沿巷道直墙拱轮廓线布置，并向外偏斜10°-14°，用锚杆钻机安装超前小导管。

⑦超前小导管安装后，注浆开始之前应对开挖面进行喷射混凝土封闭。

⑧安装孔口管，止浆垫，注浆泵，开始进行注浆，注浆顺序先顶部再两帮，注浆过程中要时刻观测注浆压力和注浆量的变化，分析注浆情况，防止跑浆，堵浆，漏浆。待达到注浆终压后停止注浆。

⑨掘进一个循环进尺后，超前小导管后端用工字钢进行支撑。

3.6 支护验收体系

①根据国务院令第279号《建设工程质量管理条例》未经监理工程师或甲方工程师签字，施工单位不得进行下一道工序的施工。严格执行支护验收体系可以有效地保证支护质量。

②由于云南玉溪市新平县自走铁矿属于冶金系统所以执行YB4913-2013《冶金矿山井巷工程质量验收规范》，YB4913-2013《冶金矿山井巷工程质量验收规范》规定主控项目经抽验检验，每个检查点中的测点合格率应不低于75%，一般项目的检查点经抽验检验，每个检查点中的测点合格率应不低于70%。

3.6.1 喷射混凝土验收

主控项目：

①喷射混凝土要进行见证取样，取样方法有喷模法，喷大板法，钻取法，凿取法，巷道每30-50m一组，每组不少于3块，喷射混凝土强度不低于C15。

②喷射混凝土厚度不小于设计值的90%，喷射混凝土厚度不小于50mm，不超过200mm。

一般项目：

①喷射混凝土表面不平整度不大于50mm。

②喷射混凝土基础深度不小于设计值90%。

3.6.2 锚杆验收

主控项目：

①锚杆安装牢固，托盘紧贴岩面，不松动。锚杆拧紧扭矩不得小于100N*m。

②巷道每20-30m一组，每组不少于3根，锚杆拉拔力最低值不得小于设计值90%。

一般项目：

①锚杆孔深度允许偏差应为0-50mm。

②锚杆外露长度不应大于50mm。

③锚杆间，排距允许偏差应为-100-100mm。

④锚杆安装角度不应小于75°。

3.6.3 支架支护验收

主控项目：

①背板与岩帮应充填背实。

②柱腿生根到巷道实底。

③支架间的拉杆和横撑应齐全，牢固。

一般项目：

两架间的间距允许偏差为-50-50mm。

3.6.4金属网验收

主控项目：金属网应安装牢固，金属网与岩壁之间的距离及金属网与金属网之间的搭接长度应符合设计要求。

一般项目：金属网保护层的厚度应不小于20mm。

4 结论

①单轴压缩条件下从对石灰岩施加荷载直到破坏大致经历4个阶段，微裂隙压密阶段，弹性变形阶段，裂隙发生和扩展阶段，裂隙不稳定发展直到破裂阶段，与一般岩石不同，石灰岩没有破裂后阶段。

②单轴压缩条件下，石灰岩所受应力接近抗压强度时，石灰岩迅速破坏，说明石灰岩脆性较大，发生脆性破坏，残余强度很小，巷道开挖后应当立即支护，产生塑性变形时应当及时支护，充分发挥围岩自身的稳定性。

③单轴压缩条件下，石灰岩应力应变全过程中都有声发射事件发生。

④单轴压缩条件下，在前期施加荷载中（微裂隙压密阶段）累计声发射数快速增长，说明石灰岩内部和表面的孔隙，裂隙较多，巷道围岩较为破碎。

⑤单轴压缩条件下，当施加应力达到抗压强度的20%以上时，累计AE数和AE累计振铃数出现线性增长，说明石灰岩处于弹性变形阶段。当施加应力达到抗压强度的40%以上时累积AE数和AE累计振铃数出现急剧增长，说明石灰岩处于塑性变形阶段。继续加载岩石迅速出现破坏。

⑥单轴压缩条件下，当施加应力达到抗压强度的10%以下时能量增加的比较缓慢，当施加应力达到抗压强度的10%以上时，能量出现快速增长。

参考文献：

[1]李蔗林，尹賢刚，王永嘉，等.单轴受压岩石破坏全过程声发射特征研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23（15）：2499-2503.

[2]王建洪，邬爱清，盛谦，等.GB/T 50266-2013工程岩体实试验方法标准.北京：中国计划出版社，2013：15-17.

[3]赵问，曹平.岩石力学[M].长沙：中南大学出版社，2013：15-17.

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[6]王福亮.浅谈巷道支护锚网喷联合支护技术应用研究[J].城市建设理论研究，2014（23）：11-16.