大尺寸试件在梯度应力作用下的岩爆孕育声发射特性

2022-04-14吝曼卿胡会平高成程周炜鑫

金属矿山 2022年3期

吝曼卿胡会平梁潇高成程周炜鑫张兰

(1.武汉工程大学资源与安全工程学院，湖北武汉 430074;2.武汉工程大学磷资源开发利用教育部工程研究中心，湖北武汉 430074)

近年来，随着我国采矿、交通、能源等领域蓬勃发展，地下工程逐步向深部转移。受深部高地应力作用，施工过程中的岩爆等地质灾害日益频繁[1-2]。由于岩爆的发生机制复杂、影响因素多、难以准确预测，因此岩爆已成为当前深部地下工程领域的热点和难点问题之一[3]。岩爆的发生不仅威胁着矿井安全生产，还会给井下作业人员带来直接伤害，关注岩爆问题刻不容缓。声发射(Acoustic Emission，AE)是指岩石等固体材料因其内部存在的固有缺陷，在外界作用下，内部缺陷衍生造成岩石等固体材料内部的损伤与破坏，从而在破坏过程中释放出应变能，并以弹性波的形式快速释放传播的现象[4-9]。由于声发射特征信号蕴含着岩石材料内部结构缺陷性质，例如，微裂纹的生长状况、弹性应变速率以及AE源事件的低中心位置等丰富信息[10-11]。因此，借助声发射技术可以探究岩爆的孕育过程，对岩爆机理的探索及其预警具有参考意义。

目前，国内外学者对岩体声发射特性进行了大量研究。孙政元等[12]利用声发射技术对巷道的岩爆危险区域进行了岩爆倾向性预测，证明使用该技术预测岩爆具有可行性。姚欢迎等[13]对页岩进行了单轴压缩声发射试验，收集了单轴压缩4个时期内声发射信号的不同特征，表明声发射不仅可以捕捉试验过程中页岩的信息，还可利用该类信息了解页岩内部的损伤状况。江博为等[14]通过RMT-150b岩石力学刚性伺服机进行了不同加载速率的单轴压缩声发射试验，对石灰岩和砂岩在变形破坏过程中的声发射特性进行了分析，发现高强度石灰岩振铃计数极值和单轴抗压极限强度存在先增后减现象;低速率时低强度砂岩的振铃计数频率高且分布均匀，高速率时振铃计数频率有所降低且分布不均。由于地下开采过程中，岩体因开挖扰动使洞壁岩体的应力重新分布，表现为洞壁的应力集中现象[15-16]，即临空面围岩受切向应力较大，并以一定梯度向远离临空面降低，逐渐趋向于原岩应力，使得应力整体呈梯度分布。祝文化等[17]通过不同梯度加载下的岩爆试验，发现梯度加载时，试件的声发射事件数及能量在不同时刻存在差异，加载初期，试件聚集的能量越大，越容易出现瞬时岩爆现象。为进一步探究梯度加载过程中岩体岩爆的声发射特征，本研究借助YB-A型岩爆模拟试验装置对大尺寸试件进行不同梯度应力作用下的室内岩爆加卸载试验，采用声发射监测手段获取试件在加载过程中的声发射数据，分析岩爆孕育与声发射特性之间的关系，为岩爆机理研究和岩爆预警提供参考。

1 试验方案

1.1 试件制备

由于常规试验采用的试件尺寸较小，试件加载时仅能模拟岩体受均布荷载时的岩爆现象，而地下开挖过程中，开挖扰动区内岩体的垂直应力集中程度随其与隧道壁距离的增大而出现梯度递减现象，因此对大尺寸试件进行不同应力梯度作用下的岩爆加卸载研究，更能表征岩爆的发生过程，对岩爆机理研究具有促进作用[18]。受试验装置加载腔尺寸的影响，试验选取规格为1 000 mm×600 mm×400 mm(长×宽×高)的长方体石膏作为试验试件，先制得两块规格为1 000 mm×600 mm×200 mm(长×宽×高)的模型，经养护处理后在模型试件表面布设应变片，再将两块模型合模为一块规格为1 000mm×600mm×400mm(长×宽×高)的模型试件。

1.2 试验设备及方法

采用YB-A型岩爆模拟试验装置进行岩爆模拟试验，如图1所示，该装置包括主机系统、液压控制系统以及气压控制系统。采用SAEU2S型6通道声发射采集系统进行全过程数据采集，捕获试件破坏前后的声发射参数变化特征。试件声发射通道布置如图2所示。

图1 YB-A型岩爆模拟试验装置Fig.1 YB-A type rockburst simulation test device

图2 试件梯度应力加载示意Fig.2 Schematic of specimen loading under gradient stress

试验前，将试件放置在YB-A型岩爆模拟试验装置的模型推车上，并确保试件两侧与推车底板齐平，为降低大尺寸模型试件在加载过程中的摩擦作用对模型试件的影响，在模型各加载面与仪器传力板之间放置2层聚四氟乙烯[19]，利用液压控制系统控制推车阀门，使试件随模型推车一起进入试验装置的模型腔内。试件顶部各梯度分布如图2所示。

本研究利用公式y=a·e-b·x+c[20]简化表达深部岩体开挖时，硐室围岩切向应力随围岩内部某点与洞壁水平距离增大而减小的现象[21]。式中，y为围岩中某点的切向应力;x为围岩内某点到硐壁边界处的水平距离;c为原岩应力;a+c为开挖边界处的切向应力;b为应力梯度系数。试验中，通过控制不同的梯度系数b值来控制围岩切向应力分布的集中程度。当b=0时，所对应的加载方式为顶部均布加载;b≠0对应的加载方式为顶部梯度加载，b值越大，代表模型顶部应力梯度差越大[22]。

试验时，将初始围压设置为5 MPa，顶部压力为0.5 MPa;后经0.5 h稳压，顶部压力达到1 MPa，围压保持不变，继续稳压6 h，前 6.5 h的初始应力—时间关系特征如图3所示。随后将试验装置前侧的限位门撤离，对试件进行卸载，以模拟深部岩体在开挖扰动后出现的临空面现象。再分别以b=0、b=2、b=4和b=6共4种加载路径进行试验，其加载路径如图4所示。

图3 试件前6 h加载路径Fig.3 Loading path for the first six hours of the specimen

图4 试件应力加载路径Fig.4 Stress loading paths of specimen

通过岩爆试验可知，b=0时，在梯度1荷载为5.5 MPa时试件中上部发生破坏;b=2时，梯度1荷载达到5.3MPa左右时，试件上部及表面发生岩爆;b=4时，试件在梯度1荷载增至近5.3 MPa后，试件表面突然崩坏[21];b=6时，梯度1荷载为5.0 MPa时，试件中部发生岩爆。

2 不同梯度应力作用下的试件声发射特征

2.1 声发射能量—持续时间分析

采集了试件在不同梯度应力作用过程中的声发射数据，并绘制了试件在4种加载路径下的声发射能量—时间图，如图5所示。

图5 声发射能量—声发射持续时间变化过程Fig.5 Variation process of AE energy-AE duration

图5显示了试件加载过程中不同加载梯度下试件的声发射能量与声发射持续时间随着试验进行的变化过程。其中，声发射能量是指信号检波包络线下的面积，反映信号的强度;声发射持续时间是指事件信号第一次越过门槛值到最后降至门槛期间所经历的时间间隔[23]，利用声发射持续时间可有效地反映出声发射信号的频度和强度。

由图5(a)可知:当b=0时，试件在均布加载作用前期，声发射能量逐渐上升，在达到最大值后逐渐递减;整个试验过程中能量和振铃计数的变化范围都比较小，且能量极值及其出现频率都较小。b=2时，试件在加载初期的声发射能量急剧上升，迅速出现能量极值，即发生了明显的声发射事件，随后呈现出变小的趋势。且此时能量极值出现频率较b=0时的能量极值出现频率大，如图5(b)所示。b=4时，试件在试验初期和中期均出现了较图5(a)、图5(b)中能量极值更大的能量值，且其出现次数明显增多，如图5(c)所示。b=6时，试件在试验加载的中期和后期均出现了很多非常大的能量值，且明显多于b=2和b=4两种梯度加载下较大能量值的出现次数，如图5(d)所示。

由上述分析可知，不同梯度加载下岩爆试验的声发射参数之间具有以下特征:

(1)声发射能量与声发射持续时间二者之间存在显著的同步性，即岩爆试验中所释放的能量越大，其声发射持续时间越长，而能量越小，相应地持续时间越短。即声发射信号强弱与声发射发射频率及其持续时间具有相关性。

(2)b值越小时，受加载过程中的较大能量值出现越早，能量值相对越小，破坏前的能量积聚时间则越短。

(3)b值越大时，试件在加载过程中的峰值能量释放越频繁。

2.2 声发射振铃计数分析

声发射振铃是指在声发射波的时域图形上，换能器每震荡一次，输出的一个脉冲称为振铃[24]。振铃计数作为一种最常用的评估声发射信号的参数，以反映声发射的活动性、频度、强度等信息，具有简化信号处理环节、体现岩石内部破坏结构变化规律的特点。试件加载过程中的声发射振铃计数随时间的分布特征如图6所示。

图6 时间—声发射振铃计数变化特征Fig.6 Variation characteristics of time-AE ring count

由图6可知:声发射振铃计数极值的出现次数与梯度存在正相关关系，试件顶部所受的应力梯度越大，试验过程中的振铃计数极值的出现次数越多，反之，出现次数越小;随着应力梯度的增大，振铃计数的变化范围也有显著增加，例如，b=0时振铃计数的变化范围为0～150次，b=2时其变化范围为0～250次，b=4时的振铃计数变化范围继续增大至0～900次，b=6时的振铃计数变化范围更是显著地变化到0～4 000次。

振铃计数是研究试件岩体损伤破坏的重要参数之一。一般情况下，振铃计数越大，试件岩体内部的破坏程度越大;反之，越小。由图6进一步分析可知:随着试件岩体顶部梯度差的增大，岩体的受压过程愈发符合岩体压缩作用下的4个变形阶段即:裂纹闭合阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定发展阶段和裂纹不稳定扩展阶段。以上4个阶段分别对应着图6(c)、图6(d)中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ时段，其中，b=4时试件在4个阶段的详细破坏特征如图7所示。

图7 b=4时试件在4个阶段的破坏情况Fig.7 Failure characteristics of the specimens in four stages when b=4

由图6(c)、图6(d)和图7可知，在裂纹闭合阶段Ⅰ，声发射振铃计数在一定范围内稳定波动，岩体内部微裂隙在外力作用下逐渐闭合，不存在大尺度破坏。继续对试件进行加载，岩体进入弹性变形阶段Ⅱ，振铃计数出现了偏离原有趋势的明显突变，例如，图6(c)中出现突变振铃计数815次，图6(d)中出现突变振铃计数4 547次，说明试件岩体内部出现了新裂纹，发生了较为明显的破坏且试件顶部梯度差越大，突变值相应越大，试件受到的破坏也越严重。随后试件进入裂纹发展阶段Ⅲ，此时声发射振铃计数再次在一定范围内稳定变化，如图7(c)所示，试件岩体内部的裂纹稳定发育且无大尺度破坏。最后，伴随着振铃计数的突变，试验进入了裂纹不稳定扩展阶段Ⅳ，如图7(d)所示，试件岩体发生了明显破坏。

2.3 能量分析

声发射能量可反映声发射信号的强弱。累积声发射能量是指即将截止到某一时刻之前的所有声发射能量之和[21]。声发射过程中的能量计数可有效地反映出试件在出现裂纹过程中所释放的能量大小。在研究岩爆孕育的声发射特性时，分析试件加载释放出的声发射能量，可进一步了解梯度应力对试件岩爆的影响。试件在不同梯度作用下的累计能量值见表1。表1中A、B、C分别为顶部梯度为b=2、b=4、b=6时的试件编号。

表1 声发射能量参数Table 1 AE energy parameters

由表1可知:A试件通道3处试验过程产生裂纹时释放的最大能量约400 mV·ms，累计能量较小;B试件释放的最大能量约525 mV·ms，累计能量比较大;C试件释放的最大能量约1 221 mV·ms，累计能量很大。由此可知，当围压环境一定，试件顶部受到不同梯度应力作用时，随着试件顶部所受的梯度应力差值的增大，试件在加载过程中释放出的声发射最大能量值和累计能量都会增大。可见，试件在加载过程中所受的梯度应力越大，试件在加载过程中蓄积的能量越多，试件发生裂缝、弹射、剥落及裂缝扩展时消耗的能量越大，最终呈现出的岩爆破坏烈度也越大。