花崗巖巖爆的聲發射試驗研究*

戴文靜　周曉山

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.承德市灤平縣國土資源局)

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花崗巖巖爆的聲發射試驗研究*

戴文靜1，2周曉山1

(1.華北理工大學礦業工程學院；2.承德市灤平縣國土資源局)

摘要通過對不同含水深部巷道花崗巖進行雙軸加載聲發射試驗，利用聲發射檢測技術監測巖爆孕育、發生與發展的整個過程，對比分析水對巖爆的影響，并通過分析聲發射事件率和聲發射絕對能率研究巖爆發生的規律，為巖爆監測提供研究基礎和技術支持。模擬試驗結果表明：干燥飽水花崗巖都有明顯的巖爆現象發生，飽水花崗巖巖爆發生時間有所滯后，巖爆發生爆裂程度有所降低；干燥花崗巖彈性能大，飽水花崗巖彈性能略小；干燥和飽水花崗巖聲發射事件率和絕對能率在主破裂前都有一小段平靜期，飽水花崗巖絕對能率有雙峰性。

關鍵詞花崗巖巖爆含水聲發射

巖爆是在高地應力條件下，由于地下硐室開挖產生的卸荷作用，導致硐壁應力重新分布的一種動態失穩地質災害[1]。影響巖爆的因素眾多，水是其中最重要的一項。因巖石力學性質參數測量較為困難，所以常常利用聲發射測試技術測試巖石力學參量及巖石的聲發射特征[2]。

在研究水對巖石破裂作用方面，國內外學者通過一系列單軸壓縮、三軸壓縮試驗及其他的剪切滲透試驗，結果表明，飽和度與巖石的各項力學參數呈負相關關系。李昌友[3]等人通過對風化板巖的崩解和軟化試驗發現，干燥板巖容易崩解，大旱后突降雨會導致板巖的強烈崩解，水對巖石崩解產生促進作用；趙忠波[4]進行了新鮮砂巖和弱風化砂巖的強度對比試驗，證實了水對巖石具有弱化作用，巖石受風化之后彈性模量降低，殘余變形增加；彭曙光[5]等通過對受地下水作用的4種不同巖性巖石試件作形貌掃描，發現礦巖遇水軟化，巖石破壞時不屬于脆性破壞，且巖石抗壓強度降低；謝和平等[6]利用軟化系數描述巖石強度的變化，發現巖石的干抗壓強度明顯高于濕抗壓強度，巖石遇水后軟化系數較小的強度大幅度下降；張艷博和劉祥鑫等[7]利用多種監測手段開展不同含水狀態的巷道巖爆試驗，提出應建立巖爆監測的多物理場參數聯合預警方法，可為巖爆監測提供更準確地預警信息。

本文通過對深部巷道花崗巖進行不同含水雙軸壓縮條件下的聲發射模擬試驗，采用聲發射儀監測巖爆的孕育、發生以及爆發的整個過程，采集力學、聲發射[8]等參數，對比分析不同含水條件下花崗巖巖爆特性、巖爆發生規律，為巖爆監測提供技術手段。

1試驗方案

1.1巖石試樣制備

本試驗選取未風化的花崗巖，取樣時對巖石進行層位、方位及受力方向標記，并將巖石粗加工成塊狀，長×寬×高為150 mm×150 mm×150 mm，人工打磨時控制試樣兩端面高度差不大于0.05 mm，端面不平整度誤差不大于0.02 mm。選擇12塊符合規格的巖樣，在中心正對著的兩面鉆孔(φ=45 mm)，一面孔深50 mm，另一面孔深90 mm，孔間留10 mm厚巖層，分兩組，每組4塊，進行如下處理：

(1)干燥試件制備。將試件置于GZX-9070MBE型電熱鼓風干燥箱內，在105 ℃恒溫下烘48 h。期間烘干24 h后，取出放入干燥器內冷卻至室溫后稱量，再次間隔24 h取出稱量。若兩次稱量試件質量變化率在0.1%之內，即滿足要求。最后將試樣用塑料保鮮膜包裹好。

(2)飽和含水試件制備。采用自由浸水法飽和，將干燥后的巖樣放入水槽中，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。

1.2實驗設備

壓力試驗在RLW-3000微機控制雙軸試驗機上完成，巖石聲發射試驗采用美國聲學物理公司PAC(Physical Acoustic Corporation)生產的PCI-2型聲發射系統(如圖1)。

圖1　實驗設備

1.3試驗方案

干燥花崗巖編號為GHG-1、GHG-2、GHG-3、GHG-4，飽水花崗巖編號為BSHG-1、BSHG-2、BSHG-3、BSHG-4，分別進行試驗。試驗過程中，保持加載系統與聲發射監測同步。首先手動控制試驗機預加載到5 kN，關閉內側閥門后計算機控制加載，水平載荷以力控制方式以800 N/s加到300 kN，軸向預加載300 kN，水平方向以25 mm/min卸載，軸向持續加載，直至巖爆發生。

2試驗結果分析

2.1試驗現象以及破壞分析

試驗結果如圖2所示。干燥狀態和含水狀態下都產生了較為明顯的巖爆現象。當軸向應力達到一定數值后，巖石出現掉渣，隨著載荷的繼續增加，掉渣現象更加明顯，孔側壁碎片彈射，孔壁內部深層又有新的剝離層出現。當達到極限應力時，整個洞孔受載突然破裂。

圖2　不同含水狀態花崗巖破裂形態

由于水的作用，導致巖石強度減小，塑性變形成分增加，彈性成分減小，彈性模量相應減小，使積蓄的彈性能減少，造成巖爆劇烈程度降低。

2.2力學特性分析

通過RLW-3000型微機伺服巖石雙軸試驗機對花崗巖雙向加載，可以得到各試件的載荷-時間曲線，如圖3所示。選取了每種狀態下的3塊試件進行分析。

圖3　不同含水花崗巖載荷-時間曲線

從圖3中可以看出，花崗巖軸向、水平預加載相同，軸向持續加載直到極限應力后回落，水平載荷不變，在軸向加載到一定程度后卸載。將曲線分為4個階段：①試驗初始階段，由于巖石初始裂紋的存在，在加載初期，這類裂紋首先發生受壓閉合作用，形成早期的非線性變形，但花崗巖屬于高強度的硬脆巖石，此階段不明顯；②彈性階段，此階段載荷-時間曲線保持線性關系，巖石試件并沒有產生明顯的破裂；③巖爆發生及發展階段，在孔硐邊壁已產生較為典型的顆粒彈射現象，裂隙擴展接交形成滑動面，試件的承載能力達到極限，出現峰值強度，巖樣爆裂，伴隨巨大聲響；④破裂階段，試件通過峰值強度之后，內部結構遭到破壞，曲線急劇下降。

由圖3中不難看出，干燥花崗巖線彈性階段比較明顯，彈性能大，經歷時間最長，峰值強度較于飽水花崗巖大；飽水花崗巖彈性階段曲線較為平緩，花崗巖含水后彈性能較小，峰值強度較小；峰值之后飽和狀態下試件破裂前后端載荷的變化幅度要大于干燥狀態，說明產生相等變形量，干燥狀態下施加的外部載荷明顯要比飽和狀態下需施加的外部荷載大。

2.3試驗分析

2.3.1聲發射事件率分析

選取聲發射事件率能反映花崗巖內部破裂事件發生的頻率、聲發射源活動性和定位集中度。由試驗結果分別繪制出不同含水狀態下花崗巖聲發射事件率和載荷對時間的關聯圖，如圖4、圖5所示。

圖4　飽水花崗巖聲發射事件率、載荷時間曲線

圖5　干燥花崗巖聲發射事件率、載荷時間曲線

由圖4可以看出，飽水花崗巖在受壓初期就有一些聲發射事件發生，但活動水平都很低，持續時間最長，直至線性彈性階段。花崗巖的顆粒之間和某些礦物顆粒內部存在著許多不定向、不連續的微形裂隙，此類巖石在荷載作用下的裂紋行為非常活躍，對應力作用敏感。花崗巖即使在飽水時，含水量也很低，但含水還是有很大作用的。而其中BSHG-1在初加載時聲發射就十分活躍，聲發射事件率達到300次/s的高度，說明此巖樣在遇水時，水在晶粒間產生負壓，造成巖石實際強度降低，晶粒之間微空隙很快受壓閉合，產生較大能量的聲發射信號。

試驗繼續進行，載荷增加抵消了晶粒之間的結合力，晶粒開始沿晶粒間分離，產生聲發射現象。此階段一直持續到極限應力的98%左右時，聲發射出現高峰，隨后擴展速度減緩，聲發射信號減弱，直至巖爆后所形成的主破裂面產生。

圖5為干燥花崗巖聲發射事件率-載荷-時間曲線。由圖5中看出，在加載初期，在裂隙壓密階段就有大量聲發射事件產生，花崗巖本身含水率低，干燥之后仍然繼承著花崗巖很大特性；在彈性變形階段，聲發射率顯著增加，聲發射持續出現峰值，在達到極限應力之前的一段時間，聲發射事件率出現一段平靜的時間；在達到極限載荷時聲發射率出現高峰；之后，伴隨著試件的破壞，聲發射事件率和載荷回落。

綜上，花崗巖在干燥情況下加載初期就有大量聲發射產生，在飽水之后加載初期聲發射較少，說明花崗巖含水之后彈性能減弱，干燥和飽水巖樣聲發射在到達極限應力之前都有一段平靜期。

2.3.2聲發射絕對能率分析

聲發射絕對能率是指單位時間內觀測到全部事件的聲發射總和。選取聲發射絕對能率對花崗巖巖爆聲發射特性進行描述，以此來反映花崗巖內部破裂事件的絕對能量和強度及巖石內部的破裂演化特征。由試驗結果分別繪制出不同含水狀態下花崗巖絕對能率和載荷對時間的關聯圖，如圖6、圖7所示。

圖6　飽水花崗巖絕對能率-載荷-時間曲線

圖7　干燥花崗巖絕對能率-載荷-時間曲線

從圖6可以看出，飽水狀態下花崗巖在加載初期能率平穩，花崗巖作為高強度巖石，飽水時彈性能有一定的減弱。隨著載荷增加，在巖樣主破裂前能率突然出現峰值，此時巖樣內部裂紋大量擴展，彈性能釋放，能率增加。之后，能率雖有活躍，但也沒有峰值，直到載荷到極限應力巖石爆裂，能率達到高峰，這兩段之間是一段較平靜的時期，與聲發射事件率的峰值對比有一些延遲。

從圖7可以看出，干燥花崗巖在加載前期能率有些活躍，隨著載荷增加，彈性能的聚集，在彈性階段能率出現高峰，如圖7(b)，巖樣內部裂紋大面積擴展，彈性能釋放。載荷繼續加載，能率出現一段較為平靜期，但持續較短。

以上分析得出：花崗巖屬于高強度巖石，含水率較低，內部結構不穩定，在加載初期，干燥花崗巖能率較活躍，飽水花崗巖遇水受影響較平穩；彈性階段，飽水花崗巖能率出現峰值，而飽水花崗巖稍微滯后。隨后，干燥和飽水花崗巖都有一較短的平靜期，此時載荷到達極限應力，能率出現峰值，隨后回落。

3結論

(1)巖石在加載過程中，在裂隙壓密階段，花崗巖屬于高強度巖石，變化不明顯。彈性階段和破壞階段干燥和飽水花崗巖變化符合一般規律，干燥花崗巖彈性能大，飽水花崗巖彈性能略小。

(2)在初期，干燥和飽水花崗巖都有大量聲發射事件產生，飽水花崗巖受水影響，聲發射事件較干燥狀態略少，聲發射事件率峰值出現滯后，干燥和飽水巖樣聲發射在到達極限應力之前都有一平靜期。

(3)在加載初期，干燥花崗巖能率較活躍，飽水花崗巖遇水受影響較平穩；彈性階段，飽水花崗巖能率出現峰值稍微滯后，隨后，干燥和飽水花崗巖都有一平靜期，飽水花崗巖絕對能率有雙峰性。

參考文獻

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[2]付小敏.典型巖石單軸壓縮變形及聲發射特性試驗研究[J].成都理工大學學報,2005,32(1):17-21.

[3]李昌友，傅鶴林，蔡海良，等.風化板巖水理特性研究[J].鐵道科學與工程學報，2009，6(1)：74-77.

[4]趙中波.某水電壩基工程巖石物理力學試驗及探討[J].江西有色金屬,1998,12(4):4-6.

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[7]張艷博,劉祥鑫,梁正召,等.基于多物理場參數變化的花崗巖巷道巖爆前兆模擬實驗研究[J].巖石力學與工程學報,2014,33(7):1347-1357.

[8]騰山邦久.聲發射(AE)技術的應用[M].馮夏庭,譯.北京：冶金工業出版社,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

*河北省教育廳自然科學類項目(編號：QN2014067)。

戴文靜(1985—)，女，碩士研究生，163009 河北省唐山市新華西道46號。

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