单轴压缩条件下加锚砂岩声发射特性及其与岩爆的联系

谭嘉诺，王斌,2,3，冯涛，宁勇，刘备备，赵伏军,2,3

(1.湖南科技大学资源环境与安全工程学院，湖南湘潭，411201；2.湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室，湖南湘潭，411201；3.湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭411201)

锚杆因其在岩土工程领域的各类洞室围岩支护中具有良好加固效果而在国内外得到广泛应用[1−2]，然而，受岩体自身力学性能差异及深部复杂地质条件等因素的影响，锚杆支护措施下的洞室失稳现象频现，轻者锚网破损、围岩变形，重者发生岩爆、冲击地压等动力灾害，支护措施下的岩爆依然会在瞬间造成围岩片帮剥落、巷道冒落、垮塌甚至闭合堵塞，严重威胁施工人员的生命安全[3−4]。河南义马千秋煤矿已支护巷道于2011年11月发生冲击地压，造成10 人死亡，64 人受伤[5]；2015年4月锦屏地下实验室二期工程的5 号实验室南侧边墙至拱肩区域内，在支护区域发生岩爆，现场部分岩块被抛掷至隧洞北侧边墙处[6]。以上发生事故的洞室围岩均已采取锚杆支护等措施，锚杆支护下洞室失稳破坏具有迟延性和隐蔽性特点。为确保深部岩体工程施工安全，很有必要对锚杆支护措施下洞室围岩岩爆灾害的监测预报和防治进行研究。声发射信号蕴含了岩石内部裂纹的萌生、扩展等诸多信息，对监测岩体破坏的发生及工程失稳预测具有非常重要的价值[7]，目前，声发射监测技术已被广泛应用于各类岩土体工程岩爆灾害的监测与预报。1937年OBERT 等[8]对矿山岩石在受力变形破断过程中的声发射现象进行了研究并预报了阿米克铜矿的岩爆。许多学者还对岩石声发射特性进行了室内试验研究，涉及荷载[9−10]、应力路径[11]和围岩环境[12]等多个领域，为岩体工程声发射监测岩爆问题的研究提供了有益参考。但目前研究多针对无锚岩体的声发射率、声发射能量等声发射参数的变化特征，而对锚杆支护洞室为背景的加锚岩体声发射特征的研究较少，对锚杆锚固下岩体的声发射监测和岩爆分析很少。

1 岩体破裂类型与声发射RA 值的联系

常用于监测岩体破裂的声发射参数有声发射振铃计数、声发射能量计数、声发射b值(微破裂尺度的分布参数)等，但这些参数很难判别岩体破裂类型，基于此，SHIOTANI等[13]提出了与岩体破裂类型有关的声发射参数Grade值，即声发射信号上升时间与幅值的比值(单位为ms/V)。SHIOTANI等[13]基于岩石弯曲和剪切的对比试验，综合材料破坏过程早期阶段和最终形成的破裂差异对声发射Grade 值进行计算，获得声发射Grade 值随相应加载力百分比水平的变化趋势[13]，如图1所示。由图1可知：弯曲试验中，Grade 值达到10 后呈显著下降趋势，而剪切试验中整个破裂过程的Grade值维持稳定，均小于5；Grade 值与岩石破裂类型存在极大相关性，当Grade值较高时，岩石破坏会出现张拉型裂纹，而当Grade值较低时，则出现剪切型裂纹，因此，Grade 值可作为评估岩石破裂类型指标。

国内学者也认为声发射波形特征是反映材料结构内部破裂模式的有效途径，在相关研究中将声发射Grade 值定义为声发射RA 值[14−16]，即岩石材料声发射信号波形上升部分的梯度。低RA值通常说明剪切裂纹产生或发育，高RA值通常说明张拉裂纹产生或发育。苗金丽等[14]基于声发射RA值的变化特征探讨了三亚花岗岩岩爆过程的裂纹形成机制；周子龙等[15]分析了不同静载下受扰动岩石破坏模式与声发射RA值的联系；何满潮等[16]利用声发射RA值开展卸荷岩爆试验，发现卸载速率会影响岩石裂纹类型。

工程实例表明，锚杆支护措施下硬脆性围岩洞室发生岩爆灾害区域主要以剪切破坏为主，支护措施下的洞室围岩灾害仍会与围岩内部微裂纹的萌生及扩展规律存在联系，因此，本文结合现场情况，对单轴压缩条件下加锚砂岩进行声发射试验研究，分析加锚砂岩声发射特征并探讨破裂过程中声发射RA值与加锚试样裂纹扩展情况的对应关系，以期对锚杆支护措施下洞室围岩岩爆监测和调控机制提供借鉴和参考。

2 加锚砂岩声发射试验

2.1 试验方案确定

对于已施加锚杆支护的硬脆性围岩洞室，发生岩爆区域的围岩主要以剪切破坏为主，并具有表面局部破坏的特点，爆坑表现“浅V”特点，锚杆剥露悬空，如图2所示[10,17]。锚杆支护初期的硬脆性围岩具有较好的完整性，且锚杆布置之前通常为补强围岩而采取初喷混凝土封闭围岩措施，但目前室内试验较多关注锚杆与裂隙岩体围岩的相互作用，这对加锚硬脆性围岩的破坏特性研究不够全面。为探索合理的锚固脆性岩体岩爆监测机制，应加强锚杆支护调控完整脆性岩体的试验研究。在深部脆性岩体工程中，人为作业会改变原岩应力状态，使得岩体处于单轴或双轴应力状态，如矿柱、煤柱处于单轴应力状态及巷道开挖后周边围岩处于双轴应力状态。另外，由于观察到的是锚固围岩最终破坏状态，确定最先破坏的初始起裂部位是研究围岩支护控制的重点[18−19]。基于以上分析，为了研究问题方便，对加锚标准试样进行单轴压缩加载试验，对其初始裂纹扩展进行探讨。

图2 锚杆支护下脆性围岩浅表局部破坏[10,17]Fig.2 Local shallow failures of brittle surrounding rock under rockbolt support[10,17]

结合已有锚固岩石室内试验的研究成果[3,20]，确定采用双筋锚固砂岩试样的单轴压缩试验方案。采用AEwin-USB 型声发射监测系统对声发射信号进行同步采集，在声发射探头和试件表面接触部位涂上适量耦合剂黄油，并用胶带将其固定在试件的一侧，如图3所示。声发射传感器采用RS-2A探头，响应频率为150 kHz。为有效过滤噪声信号，设置通道采集门槛值为40 dB，前置放大器增益为40 dB，波形采样率为1×106次/s。试验采用RMT-150C型岩石力学伺服试验机，位移控制速率为0.001 mm/s。试件上下端部均涂抹适量黄油以降低试验的端部效应，并采用高清数码相机对试验过程进行实时录像，以观察试样初始表面裂纹的产生及扩展、贯通过程。

图3 声发射探头安装位置Fig.3 Installation location of AE probe

2.2 试样制备情况

试样以砂岩作为加锚基体，加工成高径比为2:1、直径为50 mm 的标准圆柱体，并预设2 个直径为3 mm 的锚杆钻孔用于相似锚杆的黏结安装，钻孔中心距离端面35 mm。根据相似模拟理论，结合实际工程中锚杆的延伸率与抗拉强度，确定试样几何相似比为10:1，选用表面经过压花处理直径为2 mm、延伸率为16%、抗拉强度为433 MPa 的铁丝作为锚杆相似材料，采用全长锚固方式，锚固长度为50 mm。采用环氧树脂、聚酰胺树脂、酒精质量比为1.00:1.00:0.25 的混合溶液为锚固剂，最终制得加锚试样如图4所示。采用RSM-SY5 型超声波检测仪测试各试样轴向的纵波波速(vp)，选用波速相近的加锚试样，另有无锚试样作为对比组，制得的试样基本物理参数如表1所示。

表1 加锚砂岩试样基本物理参数Table 1 Basic physical parameters of anchored sandstone specimens

图4 加锚试样模型及砂岩试样与锚杆相似材料Fig.4 Anchored specimen,anchored sandstone specimens and rockbolt-like materials

3 试验结果分析

3.1 加锚砂岩声发射计数特征

通过单轴压缩试验获得无锚试样和加锚试样应力与对应的声发射特征，2种类型试样的声发射特征参数对比结果如表2所示。以无锚R1-3 试样和加锚Rb21-3 试样为典型，相应的声发射计数率和轴向应力对应时间关系曲线如图5所示。

由表2可知：锚杆锚固后，试样声发射计数率明显降低，加锚试样的声发射计数率比无锚试样的结果要低1个数量级，即使二者的累计计数都处在同一水平，加锚试样的累计计数也仅为无锚试样累计计数的1/4。

由图5(a)可见：无锚试样在加载初期的声发射信号极弱，几乎没有声发射活动产生，出现很长的平静期；在轴向外载荷继续作用下，微裂纹的萌生和缓慢扩展使声发射信号逐渐增多；当轴向外载荷达到峰值应力的90%时，岩石内部微裂隙快速扩展，相互作用加剧；声发射活动在应力峰值处活跃，迅速达到声发射计数率峰值，声发射信号表现出集中释放的特点，岩石内部裂纹扩展汇通成宏观破坏面，导致试件最终被破坏。这与文献[21]中单轴压缩下无锚砂岩声发射特征一致。

图5 试样轴向应力−AE计数和时间关系曲线Fig.5 Relation ship curves of axial stress−-AE counts of specimens and time

由图5(b)可见：但试样加锚后，在外载荷加载初期迅速产生较高频度的声发射信号，而后与无锚试件的类似，出现一定时长的声发射平静期，总体的平静期维持时间比无锚试样的平静期短。加锚试样声发射曲线在整个加载过程中表现为声发射信号分散性释放，声发射信号仍在接近应力峰值处骤然增加，宏观裂纹非稳定扩展贯通，试件发生最终破坏。

3.2 加锚砂岩声发射能量特征

以无锚R1-3 试样和加锚Rb21-3 试样为例，其轴向应力与声发射平均能量的典型关系曲线如图6所示。

图6 试样轴向应力−AE能量和时间关系曲线Fig.6 Relationship curves of axial stress−AE energy of specimens based on time

由表2可知：无锚岩样单个撞击的平均能量为0.063 mV/s，加锚后岩样的单个撞击平均能量提高约16%，为0.073 mV/s，表明加锚后试样内部新生微裂纹演化扩展过程需要消耗更多能量；锚杆锚固后，承载过程中岩样声发射能量也明显减少，可见无锚岩样内部产生的裂纹要比加锚时的多，相应的AE累积能量就比较高，这说明无锚砂岩试样单轴受压时微裂纹扩展产生的贯穿宏观裂纹较多；而在加锚条件下，锚杆的等效围压作用能抑制岩样内部微裂纹的萌生及扩展，导致加锚岩样宏观裂纹减少，AE累积能量相对偏低。

3.3 加锚砂岩裂纹扩展演化的声发射RA值特征

试验采用高清数码全程实时记录了无锚和加锚试样在单轴压缩作用下表面初始裂纹的萌生及扩展过程，并给出相应的素描图，得到无锚试样和加锚试样声发射RA值与宏观裂纹扩展演化对应关系图如图7～12所示。素描图中T 表示张拉裂纹(裂纹与加载轴向平行)，S表示剪切裂纹(裂纹与加载轴向斜交)。将试样表面出现首条宏观裂纹对应的时间定义为0 ms，下标1，2，3，…表示裂纹出现的时间先后顺序。仍以无锚试样R1-3(见图9)和加锚试样Rb21-3(见图12)为例，分别对无锚和加锚砂岩声发射RA值变化与其表面宏观裂纹扩展过程的对应关系进行说明。

图7 无锚试样R1-1声发射RA值与宏观裂纹演化对应Fig.7 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of R1-1

无锚试样R1-3声发射RA值分布及随加载时间的变化趋势如图9(a)所示。由图9(a)可知：加载初期高RA值很多，加载中期大量的高RA值与低RA值共存，加载后期仅存在较多的低RA值。根据前述RA值与破裂类型的对应关系，说明无锚岩样在变形破坏过程中先产生了张拉裂纹，然后出现了张拉裂纹和剪切裂纹共存的混合裂纹，最后萌生出剪切裂纹，最终破坏形态显示为拉剪破坏形态，这与文献[14]的研究成果基本一致。图9(b)及图9(c)说明了这种裂纹萌生扩展规律，无锚试样出现了先张拉后剪切的破裂过程，即无锚试样首先在其下端产生局部初始单一张拉裂纹T1，起裂方向近似平行于外载方向，343 ms 时张拉裂纹T1沿着试样轴向进一步扩展形成拉裂纹T′1，与此同时，在试样上端出现了拉裂纹T2；1 143 ms时，在拉裂纹T′1上端头出现同向的拉裂纹T3，在拉裂纹T′1右侧萌生出初始剪切裂纹S1，拉裂纹T2扩展至试样中部时发生转向偏斜；1 375 ms时，伴生出多条剪切裂纹S2，并贯穿为连续的剪切裂缝，最终试样表现出先拉后剪综合破坏。

图9 无锚试样R1-3声发射RA值与宏观裂纹演化对应Fig.9 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of R1-3

图10 加锚试样Rb21-1声发射RA值与宏观裂纹演化对应Fig.10 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of Rb21-1

图11 加锚试样Rb21-2声发射RA值与宏观裂纹演化对应Fig.11 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of Rb21-2

由图12(a)可知：加锚试样Rb21-3声发射RA值分布及趋势与无锚试样的差别较大，加载初期表现为大量的高RA 值和低RA 值共存，加载中期仅出现高RA 值，加载后期为高RA 值、数值下降的低RA值共存，这表明加锚岩样在短时间内应首先出现局部的剪切裂纹和张拉裂纹，后产生张拉裂纹，而后又产生了主导性张拉裂纹和剪切裂纹的混合裂纹，最终形态会表现为拉剪破坏。图12(b)及图12(c)说明了这种裂纹萌生扩展规律，加锚岩样首先在其上端产生了局部剪切裂纹S1和张拉裂纹T1，340 ms 时，在张拉裂纹T1下端头出现了剪切裂纹S2；433 ms 时，试样下端萌生局部张拉裂纹T2；1 330 ms 时，剪切裂纹S2向下扩展成剪切裂纹S3，张拉裂纹T2向上延伸形成张拉裂纹T4并伴生有剪切裂纹S′3，试样最终表现为先剪后拉综合破坏。

图12 加锚试样Rb21-3声发射RA值与宏观裂纹演化对应Fig.12 Correspondence between acoustic emission RA and macro-fracture propagation of Rb21-3

4 讨论

与苗金丽等[14−15]研究结果相比，本次试验声发射RA值在具体量值方面存在区别，主要集中在0～16 ms·/V之间，这可能与采用的不同岩石试样和不同加载方式有关。苗金丽等[14−15]在研究中均采用花岗岩，本文试样为砂岩。苗金丽等[14]研究了三轴受压后单面卸载的岩爆过程，所得声发射RA最大值约40 ms/V；周子龙等[15]研究了相同侧向动力扰动下，竖向静载为47，70和94 MPa时的岩石破坏过程，相应声发射RA 最大值分别约为1，85和238 ms/V。本试验为静态单轴压缩试验，在试样及加载方式等方面上存在差异，造成声发射RA值有区别。本试验结果表明，加锚岩样受压产生张拉、剪切裂纹的萌生及扩展演化过程仍可应用声发射RA值变化趋势来判别。考虑到不同岩性、不同应力路径等条件下表现出来的破裂过程会不尽相同，因此，需针对具体工程赋存岩性，系统开展室内试验，以确定张拉型裂纹、剪切型裂纹或二者综合形式的临界RA值范围。

由于岩爆发生的瞬时性，实践中较难观测到这种特殊的工程动力灾害，因此，室内岩石试验及声发射监测是研究岩爆破坏规律并重现岩爆孕育演化过程的重要手段。就常规试样尺寸而言，室内岩爆试验经历了由单轴加载试验向三轴加卸载试验的转变[16,22]，三轴加卸载试验能更好地模拟无支护围岩岩爆过程，但不能反映锚杆等支护措施下的岩爆灾害问题。未考虑卸荷的单轴加载试验在未支护岩体岩爆发生机理研究中存在局限，但适用于支护措施下岩爆发生机制和岩爆控制研究。另外，冯夏庭等[1,23-24]认为单轴加载试验能较好地解释现场应变型岩爆的发生过程，该类型岩爆的破裂基本形式(张拉劈裂破坏为主)与单轴加载岩石力学破坏断裂机制相近。相应地，采用声发射手段监测加锚岩石破裂过程不仅与锚杆支护措施下岩爆机理研究有密切联系，而且对岩爆预测有参考价值。

文献[25]以锦屏二级水电站声发发射信号监测数据为基础，研究了深埋隧洞岩爆的宏观破裂，如图13所示。3号引水隧洞和4号引水隧洞均发生应变型岩爆，二者岩爆区域岩体完整，未见结构面发育，均表现出拉伸破坏为主的拉剪综合破坏；但3 号引水隧洞的剪切破裂事件释放能量较低，4号引水隧洞却伴有3个剪切破裂微震能量释放。现场情况表明，3 号引水隧洞岩爆区域未支护，4 号引水隧洞岩爆区域实施了锚杆支护，结合本试验加锚试样声发射特征，4号引水隧洞伴生剪切破裂微震，须考虑锚杆的影响。本试验中无锚和加锚试样的最终破坏尽管都表现为张拉−剪切综合破坏，但二者的宏观裂纹扩展规律和声发射RA特性有明显差别，可见锚杆会影响岩爆孕育及发生过程，对锚杆支护措施下洞室岩爆灾害的声发射信号监测及预报有待进一步研究。

声发射参数RA 值的变化特征与岩爆有关联，苗金丽等[14]通过试验得到花岗岩在应变岩爆过程中的声发射RA值先高后低，认为其可以用于预示剪切裂纹形成、贯通、宏观破坏及可能引起的岩爆。从本试验砂岩试样破裂过程的RA值分布变化特征看，无锚砂岩破裂初期以张拉裂纹为主，对应声发射高RA值，受载中后期出现高RA值向低RA值的变化，张拉裂纹伴生出剪切裂纹并形成最终破坏，这与苗金丽等[14]的研究结果一致。但砂岩加锚后，在受载初期出现声发射低RA值，会形成初始剪切裂纹，受载中后期出现高RA 值到低RA 值的起伏伴生，锚杆的存在改变了声发射RA 值，高RA 值变到低RA 值主要集中在加载后期。因此，用高RA 值到低RA 值的变化来预测岩爆对于锚杆支护措施下的硬脆性围岩不适用，这涉及锚杆与围岩相互作用的影响，相关RA值的变化规律有待进一步研究。

5 结论

1)无锚砂岩在加载初期几乎没有声发射活动产生，出现很长的声发射平静期，在接近应力峰值时声发射才开始活跃，并快速达到声发射计数率峰值；加锚砂岩在加载初期迅速产生较高频率的声发射信号，声发射平静期短，声发射曲线整体表现出分散性释放的特点，声发射振铃计数和能量峰值仍在接近应力峰值时出现。

2)无锚砂岩试样内部贯穿和宏观裂纹较多，声发射累积能量高，而在加锚条件下，锚杆对岩样的等效围压作用抑制了试样内部微裂纹的萌生及扩展，导致加锚试样贯穿以及宏观裂纹减少，声发射累积能量偏低，加锚后试样内部新生微裂纹扩展过程需要消耗更多能量。

3)无锚砂岩和加锚砂岩最终破裂形式均为拉剪破坏，但无锚砂岩破裂演化初始裂纹为张拉裂纹，加载初期产生较高的声发射RA值，加锚砂岩破裂演化初始裂纹为剪切裂纹，加载初期产生较低的声发射RA值。

4)本试验中加锚砂岩声发射RA值变化趋势仍然适用于判别受载加锚岩样裂纹的张拉与剪切演化扩展过程，这有助于认识锚杆作用下岩体破裂扩展演化规律。在单轴压缩过程中，无锚砂岩具有高RA 值向低RA 值过渡变化的特点，但加锚砂岩高RA值与低RA值起伏伴生，基于声发射RA值的锚杆支护措施下围岩岩爆灾害预测有待进一步研究。