不同含水狀態下花崗巖巖爆模擬聲發射實驗研究

李 健 張艷博 劉祥鑫 田寶柱

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063009)

不同含水狀態下花崗巖巖爆模擬聲發射實驗研究

李 健1,2張艷博1,2劉祥鑫1,2田寶柱1,2

(1.河北聯合大學礦業工程學院，河北 唐山 063009；2.河北省礦業開發與安全技術重點實驗室，河北 唐山 063009)

采用雙軸伺服控制系統開展自然和飽和狀態下的花崗巖巖爆模擬實驗，同時采用美國物理聲學公司生產的PCI-2型聲發射系統監測并采集聲發射數據，研究了水對巷道巖爆的影響。研究結果表明：含水的區別對應著不同的花崗巖巖爆實驗中的聲發射特性；飽和花崗巖比自然狀態花崗巖顆粒彈射時間滯后；自然和飽和花崗巖均在軸向載荷達到峰值荷載的65%～80%時聲發射事件進入平靜期，自然狀態下花崗巖的聲發射事件率平靜期比飽和狀態下平靜期稍長；飽和花崗巖巖樣的聲發射平均事件率要比自然狀態下高，而且高聲發射事件率持續時間較長，自然狀態花崗巖較大聲發射能率出現時間滯后于飽和花崗巖；花崗巖巖爆過程中聲發射事件率與能率變化規律呈現此消彼長的特點；自然狀態花崗巖出現初始損傷的時間滯后于飽和花崗巖。

不同含水狀態 巖爆 聲發射 損傷力學

巖爆是在高地應力條件下，地下工程開挖過程中硬脆性圍巖因開挖卸荷導致應力重新分布，從而使儲存于巖體中的彈性應變能突然釋放,產生爆裂、松脫、顆粒彈射甚至拋擲等破壞現象的一種動力災害[1]。隨著我國淺部資源逐漸枯竭，許多礦山進入深部開采，而深部巖體處于三向原巖高應力平衡狀態，巷道開挖卸載后，巖體內原有的應力平衡狀態被打破，由此引起應力重分布，巷道壁面區域由原來的三向受力狀態變為雙向受力狀態，局部產生應力集中。這種應力狀態的變化必然會導致巷道圍巖產生破裂活動，進而引發巖爆災害，直接威脅施工人員和設備的安全，給生產造成巨大的損失。

巖爆問題已受到世界各國相關學者的廣泛關注，許多學者對巖爆的發生開展了大量的研究工作。文獻[2]從構造應力和能量的角度出發,分析了硬脆性巷道圍巖產生巖爆時應具備的應力條件和能量條件，并研究了巖體彈性能分布特征。文獻[3-4]基于飽水巖石的靜態和動態破壞特征，從圍巖效應、能量原理等角度探討了水對巖爆預防的靜力學與動力學機制。文獻[5]對開圓孔的大理巖巖樣進行雙向加載，模擬了含水與干燥情況下的大理巖巖爆過程。張志強等[6-7]對大量硬巖礦山巖爆實例進行調查分析，發現涌水的洞段較少發生巖爆，無水干燥的巖石容易發生巖爆；張鏡劍等[8]指出對洞壁圍巖噴射高壓水或鉆孔注水能夠有效防治巖爆。綜合大量工程實例發現，在金屬礦開采以及水電站建設中都有在花崗巖巖體中施工的工程，因工程開挖巖體應力狀態發生改變，巖石發生變形，當達到其彈性限度時，巖體中積聚的能量迅速釋放，從而容易發生巖爆災害。

深部巷道圍巖所處環境復雜，巖爆的影響因素很多，綜合大量巖爆實例發現，巖性、地質構造、地下水等因素對巖爆產生較大影響。基于此，本研究選取花崗巖進行巷道巖爆模擬實驗，研究了水對花崗巖巖爆過程中聲發射特征的影響，得到了一些規律性的結論。

1 巖爆模擬實驗

1.1 試樣制備

實驗所用花崗巖巖樣選取未風化巖石，按照國際巖石力學試驗規范加工成尺寸為150 mm×150 mm×75 mm的長方體，正對中心鉆直徑31 mm圓孔，試件兩端面不平行度控制在0.02 mm以內。試件考慮了自然和飽和2種狀態，根據巖石力學試驗規程，試件具體處理如下：

(1)自然狀態花崗巖(ZRHG)在室溫下自然干燥。

(2)飽和巖樣(BHHG)：試樣放入水槽中，先注水至試樣高度的1/4，以后每隔2 h分別注水至試樣高度的1/2和3/4處，6 h后全部浸沒試樣，試樣在水中浸泡48 h(如圖1)。

圖1 巖樣浸泡過程

1.2 實驗設備

實驗主要設備有：RLW-3000微機控制伺服壓力機、美國物理聲學公司生產的PCI-2型全數字化聲發射系統。聲發射探頭與巖壁之間用凡士林耦合，并用橡皮條將其固定在巖石的臨近孔洞位置。

1.3 實驗方案

本實驗主要模擬圍巖壁面附近的實際巖爆應力狀態，巷道開挖后，圍巖表面處區域近似雙向受載狀態，因此加載方式選擇雙軸加載，側向壓力采用力控制方式加載到90 kN保持不變，軸向采用位移控制方式加載，軸向壓力以0.3 mm/min速率加載至巖樣發生巖爆破壞。實驗過程中，保持加載系統與聲發射監測同步。

2 實驗結果分析

2.1 巷道巖爆模擬實驗分析

從巷道巖爆模擬實驗發現，自然和飽和狀態花崗巖都有明顯的巖片彈射、片狀剝落等巖爆現象發生。加載初期孔洞周圍沒有明顯現象，當軸向載荷加載到一定程度，孔口處左右兩側表面開始出現細小的顆粒彈射。繼續加載，孔洞內也開始出現顆粒彈射現象，繼而發展為劇烈的碎片彈射、片狀剝離，不斷有巖塊崩落，伴有清脆的爆裂聲音，破裂位置由孔口左右兩側表面沿孔軸方向往孔內延伸，孔洞內壁兩側逐漸出現明顯的貫通裂縫。達到極限荷載時，試件圍繞孔洞出現大面積崩落，孔洞嚴重變形，巖樣突然失穩破壞。從實驗現象看(如圖2)，巖爆過程可以分為平靜期、顆粒彈射、片狀剝離和全面崩塌4個階段，與文獻[9]研究結果一致。

圖2 自然花崗巖巖爆過程

實驗中發現，飽和花崗巖巖爆劇烈程度比自然狀態花崗巖有所減弱，而自然花崗巖孔洞內巖屑彈射速度更快、更為猛烈，孔洞內呈現煙霧狀，彈射距離也較遠。飽和花崗巖由于水的軟化作用，削弱了顆粒間黏結力，巖石強度降低，彈性模量減小(見表1)，儲存彈性能的能力下降，巖爆瞬間釋放的能量減少，因此發生巖爆的劇烈程度有所減弱。表明水可以在一定程度上降低巖石巖爆的劇烈程度。

表1 自然和飽和花崗巖彈性模量Table 1 The elastic modulus of natural and saturated granites

由圖3可見，自然花崗巖破壞后的碎片更為粉碎，而飽和花崗巖是大塊度的剝落，原因在于巖爆是能量瞬間釋放而破壞的過程，自然花崗巖彈性模量較大，積聚應變能能力強，則破壞瞬間釋放的能量較多，因此發生巖爆后的碎片更為粉碎。

圖3 飽和和自然狀態花崗巖破壞形態

分析表2中數據可見，飽和花崗巖顆粒彈射時間存在滯后現象。自然狀態花崗巖在時間為加載至峰值歷時的79%～85%時，孔洞內開始彈射巖屑。飽和花崗巖在時間為加載至峰值歷時的87%～94%時，孔洞內出現顆粒彈射，孔壁兩側有碎片崩出的巖爆現象。這是由于水的侵入，導致巖石強度降低，彈性模量降低，儲存彈性能的能力下降，以塑性變形方式消耗能量的能力增加，短時間內難以積聚發生巖爆的大能量，因此顆粒彈射時間較晚。

表2 自然和飽和花崗巖巖爆時間Table 2 The time of rock burst with natural and saturated granites

2.2 巖爆過程中聲發射特性

巖樣破壞過程中聲發射特征與花崗巖內部損傷裂隙擴展密切相關，巖石聲發射事件率和能率是反映巖石破壞的重要參數。根據試驗結果，選取聲發射事件率、能率為參量，繪制了自然與飽和狀態下花崗巖載荷-時間、AE事件率-時間曲線如圖4，聲發射能率-時間曲線如圖5。

由圖4(a)～圖4(f)中可以看出，花崗巖在自然和飽和狀態下的聲發射事件率變化規律大致相似，聲發射主要集中出現在加載至峰值歷時的10%～80%時段內，并不斷波動。巖樣表現出初始聲發射較早、聲發射頻度高的群發性特征，這與花崗巖的物質組成以及內部結構有一定聯系，花崗巖試件主要由長石、石英、角閃石等礦物組成，由于各類礦物自身強度性質的差異和顆粒間結晶聯接的不均勻性以及結構內部存在的天然缺陷，致使花崗巖對應力作用敏感，在載荷作用下裂紋擴展活躍，表現為聲發射活動比較豐富。

對比圖4發現，飽和花崗巖的聲發射平均事件率要比自然狀態花崗巖高，高聲發射事件率持續時間較長。說明由于水對巖石的物理化學作用，使得花崗巖物理力學特性發生變化，晶體顆粒強度及晶體顆粒間黏結力降低，易于裂隙的產生和擴展，該期間聲發射活動更為豐富。部分自然和飽和花崗巖聲發射事件平靜期見表3。

表3 自然和飽和花崗巖聲發射事件平靜期Table 3 Quiet period of AE events of natural and saturated granites

當軸向載荷加載到峰值荷載的65%～80%時，聲發射事件進入平靜期(見圖4)。主要是由于巖石破壞前內部大量裂紋集結，并逐漸形成貫通性破裂面，造成較大阻力區，巖石變形時所產生的能量主要耗散于破裂面的剪切滑動，使聲發射信號嚴重衰減。因此出現聲發射平靜期，此時巖樣孔洞附近開始彈射細小巖屑，因此聲發射事件率出現平靜期的起點可作為巖爆發生的前兆特征。對比圖4中(a)與圖4(b)、圖4(c)與圖4(d)、圖4(e)與圖4(f)并結合表3發現，飽和狀態下花崗巖的聲發射平靜期比自然狀態下花崗巖平靜期稍短。原因在于水的影響使顆粒間黏結力降低，巖石變得松散脆弱，聲發射信號較容易穿過較小阻力區，只有遇到較大阻力區時才被阻住，進而出現聲發射平靜期。因此飽和花崗巖平靜期較短。

圖4 花崗巖載荷-時間、AE事件率-時間曲線

圖5 花崗巖聲發射能率-時間曲線

聲發射能率的大小代表了巖石損傷過程中單位時間內釋放能量的多少，是一個反映巖石聲發射信號能量強弱的參數。由圖5可見，花崗巖聲發射能率前期維持在較低而平穩的狀態，巖樣處于儲能階段；在大破裂前能量突然釋放，聲發射能率急劇增加。由圖5對比發現，自然狀態花崗巖較大聲發射能率出現時間滯后于飽和花崗巖。飽和花崗巖主要是由于水的侵入，使晶體內黏結力降低，加上水對巖石的化學腐蝕損傷效應，巖石將變得松散脆弱，巖石強度降低，裂隙更容易擴展、貫通，造成飽和巖樣在較短時間內失去承載力而發生破壞，因此大能率事件出現較早。

分析圖6和圖7可見，花崗巖巖爆過程中聲發射事件率與能率表現出此消彼長的特征：前期聲發射事件率較大并處于活躍期時，聲發射能率處于低而穩定的狀態；破壞前聲發射事件率下降并進入平靜期時，巖石內部積聚的能量迅速釋放,聲發射能率急劇上升，在破壞時達到最大。由于花崗巖屬于脆性巖石，彈性模量大，儲存彈性應變能的能力較強，巖爆傾向性較強。在破壞前期，巖石主要處在微裂隙產生、擴展階段，有大量的聲發射事件產生，并儲存了較多的彈性應變能，為儲存能量的巖爆孕育過程；在破壞瞬間能量突然大量釋放，聲發射能率急劇升高。表明巖爆孕育過程中產生了大量的小能率聲發射事件，而破壞前產生少量的大能率事件，能量突然釋放。因此當出現少量的大能率事件時，可以推斷即將發生巖爆。

圖6 花崗巖聲發射能率-事件率相關

圖7 花崗巖聲發射事件率、能率-時間關系

2.3 巖爆過程中損傷力學分析

在外載荷作用下，由于細觀結構層次的微小缺陷發展致使材料或結構的劣化過程稱為損傷。巖石破壞過程實際上是其內部微裂紋的損傷演化過程，隨著荷載的增加，微裂紋不斷地孕育、擴展和貫通，最后導致巖石破壞。其損傷過程中，聲發射事件主要是源于巖石內部裂紋的擴展及晶粒滑移破壞。因此，利用巖石聲發射特征可以研究其損傷破壞過程。

假設巖石材料服從Weibull分布，用聲發射事件數來表示巖石損傷程度，根據連續介質損傷力學[10-13]，此時損傷變量表示為

(1)

(2)

式中，N為聲發射累計事件數；N0為聲發射事件總數；m為形狀參數；E為彈性模量；σp為峰值應力；εp為峰值應力對應的應變。

由式(1)并結合試驗數據得到聲發射累積數-時間、損傷變量-時間關系曲線如圖8，可以發現，聲發射與巖石內部損傷有直接的一致對應關系，聲發射累積數就直接對應著巖石不同的損傷狀態，損傷變量代表了巖石內部損傷的累積，新的損傷的產生一定伴隨著聲發射的發生。初始階段，聲發射累積數較小，損傷較低，隨著AE累積數的增加，損傷變量隨時間近似線性增長；臨近破壞，損傷變量曲線變化趨勢逐漸放緩，表明在破裂瞬間不一定是產生大破裂，也可能是巖石內部多處裂紋貫通，形成一條影響巖石強度的宏觀裂紋。

圖8 自然花崗巖ZRHG-1損傷變量-時間、AE累計事件數-時間曲線

試驗過程中，830 s左右，孔口處左右兩側開始掉落碎屑，繼而出現小碎片彈射，AE能率開始小幅度增加，損傷曲線逐漸變緩，損傷變量增長速度開始降低(見圖9)；隨著巖石內部損傷程度的增加，巖石強度逐步衰減，1 100 s時，巖樣內裂隙貫通，沿孔洞內壁左右兩側形成垂直于加載方向的貫通裂縫，同時孔洞內碎片彈射更加劇烈，巖石內儲存的彈性應變能迅速釋放，表現為AE能率急劇增加，損傷曲線趨于水平，巖石內部損傷達到最大，損傷變量穩定于某一值。

圖9 自然花崗巖ZRHG-2損傷變量-時間、AE能率-時間曲線

對比圖10中不同含水狀態下花崗巖損傷變量-時間曲線發現，飽和花崗巖損傷值突增點出現較早，自然花崗巖初始損傷滯后于飽和花崗巖。已有研究[14-17]表明，水能使巖石亞臨界裂紋擴展的門檻值有較大幅度的降低，能加速巖石內部裂紋的擴展。由于水的影響，飽和花崗巖亞臨界裂紋擴展的門檻值降低，裂紋擴展加速，內部較早出現損傷。

圖10 不同含水狀態下花崗巖損傷變量-時間曲線

3 結 論

(1)自然狀態花崗巖破壞后的碎片比飽和花崗巖更為粉碎，飽和花崗巖比自然狀態花崗巖顆粒彈射時間滯后。

(2)軸向載荷達到峰值荷載的65%～80%時，聲發射事件進入平靜期，且自然狀態下花崗巖的聲發射平靜期比飽和狀態下平靜期稍長。聲發射事件率出現平靜期的起點可作為巖爆發生的前兆特征。

(3)飽和花崗巖的聲發射平均事件率要比自然狀態花崗巖高，高聲發射事件率持續時間較長，自然狀態花崗巖較大聲發射能率出現時間滯后于飽和花崗巖，說明水對花崗巖的聲發射活動具有一定影響。

(4)花崗巖巖爆過程中聲發射事件率與能率變化規律表現出此消彼長的特征：前期聲發射事件率較大并處于活躍期，聲發射能率處于低而穩定的狀態；破壞時聲發射事件率下降并進入平靜期，能量突然大量釋放,聲發射能率急劇上升。當出現少量的大能率事件時，可以推斷即將發生巖爆。

(5)聲發射與巖石內部損傷具有一致對應關系，新的損傷的產生一定伴隨著聲發射的發生，損傷變量可以表征巖石內部的損傷。自然狀態花崗巖出現初始損傷的時間滯后于飽和花崗巖。

[1] 高永濤,周興國,吳順川,等.深埋隧道白云巖試樣巖爆模擬實驗研究[J].北京科技大學學報,2010,32(7):819-826. Gao Yongtao，Zhou Xingguo，Wu Shunchuan，et al.Simulation experimental investigation on rockburst of dolomite specimens at great depth tunnels[J].Journal of University of Science and Technology Beijing，2010，32(7):819-826.

[2] 蘭天偉,張宏偉,韓 軍,等.基于應力及能量條件的巖爆發生機理研究[J].采礦與安全工程學報,2012(6):840-844. Lan Tianwei，Zhang Hongwei，Han Jun，et al.Study on based on geo-stress and energy principle[J].Journal of Mining and Safety Engineering，2012(6):840-844.

[3] 王 斌,趙伏軍,尹土兵.基于飽水巖石靜動力學試驗的水防治屈曲型巖爆分析[J].巖土工程學報,2011(12):1863-1869. Wang Bin，Zhao Fujun，Yin Tubing.Prevention of buckling rockburst with water based on statics and dynamics experiments on water-saturated rock[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2011(12):1863-1869.

[4] 王 斌,趙伏軍.水防治巖爆的靜力學機制研究[J].礦業研究與開發，2010(5)：26-28. Wang Bin，Zhao Fujun.Study on statics mechanism of rock burst prevention with water[J].Mining Research and Development，2010(5)：26-28.

[5] 張艷博,李占金.水對大理巖巖爆影響的模擬實驗研究[J].河北理工大學學報,2007(1):1-3. Zhang Yanbo，Li Zhanjin.Simulation experimental study on the effect of water on the marble rockburst[J].Journal of Hebei Institute of Technology，2007(1):1-3.

[6] 張志強,關寶樹,翁漢民.巖爆發生條件的基本分析[J].鐵道學報,1998(4):83-86. Zhang Zhiqiang，Guan Baoshu，Weng Hanmin.Basic analysis of rock bursting occurrence condition[J].Journal of the China Railway Society，1998(4):83-86.

[7] 徐林生.地下工程巖爆發生條件研究[J].重慶交通學院學報,2005(3):31-34. Xu Linsheng.Research of rockburst formation condition in underground engineering[J].Journal of Chongqing Jiaotong University，2005(3):31-34.

[8] 張鏡劍,傅冰駿.巖爆及其判據和防治[J].巖石力學與工程學報,2008(10):2034-2042. Zhang Jingjian，Fu Bingjun.Rockburst and its criteria and control[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008(10):2034-2042.

[9] 何滿潮,苗金麗,李德建,等.深部花崗巖試樣巖爆過程實驗研究[J].巖石力學與工程學報,2007(5):865-876. He Manchao，Miao Jinli，Li Dejian，et al.Experimental study on rockburst processes of granite specimen at great depth[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007(5):865-876.

[10] 柴文革.圍壓卸載條件下花崗巖損傷演化與破壞試驗研究[D].北京：中國礦業大學，2009. Chai Wenge.Experimental Research on Damage Evolution and Fail of Granite under Unloading Confining Pressure[D].Beijing：China University of Mining and Technology,2009.

[11] 曹文貴,趙明華,劉成學.基于統計損傷理論的莫爾-庫侖巖石強度判據修正方法之研究[J].巖石力學與工程學報,2005(14):2403-2408. Cao Wengui，Zhao Minghua，Liu Chengxue.Study on rectified method of Mohr-Coulomb strength criterion for rock based on statistical damage theory[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005(14):2403-2408.

[12] 曹文貴,趙明華,劉成學.基于Weibul分布的巖石損傷軟化模型及其修正方法研究[J].巖石力學與工程學報,2004(19):3226-3231. Cao Wengui，Zhao Minghua，Liu Chengxue.Study on the model and its modifying method for rock softening and damage based on Weibull random distribution[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004(19):3226-3231.

[13] 徐衛亞,韋立德.巖石損傷統計本構模型的研究[J].巖石力學與工程學報,2002(6):787-791. Xu Weiya，Wei Lide.Study on damage constitutive model of rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2002(6):787-791.

[14] 湯連生,張鵬程,王 洋.水作用下巖體斷裂強度探討[J].巖石力學與工程學報,2004(19):3337-3341. Tang Liansheng，Zhang Pengcheng，Wang Yang.On fracture strength of rocks with cracks under water action[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004(19):3337-3341.

[15] 萬琳輝,曹 平,黃永恒,等.水對巖石亞臨界裂紋擴展及門檻值的影響研究[J].巖土力學,2010(9):2737-2742. Wan Linhui，Cao Ping，Huang Yongheng，et al.Study of subcritical crack growth of rocks and threshold values in different environments[J].Rock and Soil Mechanics，2010(9):2737-2742.

[16] 湯連生,張鵬程,王 洋.巖體復合型裂紋的擴展規律Ⅱ:有水作用條件下[J].中山大學學報:自然科學版,2003,42(1):90-94. Tang Liansheng，Zhang Pengcheng，Wang Yang.Propagation of the complex cracks in rocks Ⅱ:under water pressure and chemical damage[J].Acta Scientiarum Naturalium Universitatis Sunyatseni,2003，42(1)：90-94.

[17] 曹 平,楊 慧,江學良,等.水巖作用下巖石亞臨界裂紋的擴展規律[J].中南大學學報:自然科學版,2010(2):649-654. Cao Ping，Yang Hui,Jiang Xueliang，et al.Subcritical crack growth of rock during water-rock interaction[J].Journal of Central South University :Science and Technology，2010(2):649-654.

(責任編輯 石海林)

Experimental Study of Simulated Acoustic Emission of Granites Rock Burst under Different Moisture State

Li Jian1,2Zhang Yanbo1,2Liu Xiangxin1,2Tian Baozhu1,2

(1．CollegeOfMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009，China;2.HebeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique,Tangshan063009，China)

An experiment is carried out to simulate granites rock burst under natural and saturated state with biaxial rigid servo-controlled system.The PCI-2 acoustic emission system produced by American Physical Acoustics Corporation is used to collect data of the acoustic emission synchronously.Then，the influence of water on tunnel rock burst is studied.It is found that the granite samples with different moisture contents show different acoustic emission characteristics in the process of rock burst.The saturated granites eject rock debris later than the natural granites.The acoustic emission of natural and saturated granites comes into quiet period when the axial load reaches 65%～80% of the peak load and the quiet period with natural granites is longer than that with saturated granites.The average acoustic emission events rate of saturated granites is higher and the duration of high acoustic emission events rate is longer than that with natural granites.The high acoustic emission energy rate of natural granites appears after that of saturated granites.The acoustic emission events rate and energy rate present trading off and taking turns in the process of granite rock burst.The initial damage of natural granites occurs after that of saturated granites.

Different moisture state，Rock burst，Acoustic emission，Damage mechanics

2013-12-21

國家自然科學基金項目(編號:51374088，51174071)，河北省自然科學基金項目(編號：E2012209047)。

李 健(1989—)，女，碩士研究生。

P618.11，TE112

A

1001-1250(2014)-04-053-07