高應(yīng)力巷道巖爆過程及時(shí)空演化規(guī)律試驗(yàn)研究

劉崇巖，趙光明，許文松，孟祥瑞

(1.安徽理工大學(xué) 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學(xué) 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

深部高應(yīng)力巖體開挖卸荷往往會(huì)在洞壁附近產(chǎn)生應(yīng)力集中和應(yīng)變能積聚的現(xiàn)象，當(dāng)聚集的應(yīng)變能超過巖體的儲(chǔ)存極限時(shí)，就會(huì)引起巖爆等巖石非線性動(dòng)力破壞現(xiàn)象，對(duì)人員安全造成嚴(yán)重的威脅。

近年來，采礦工程和地下隧道中巖爆發(fā)生的頻率明顯增加，其影響因素非常復(fù)雜[1-3]，例如施工方式、圍巖應(yīng)力狀態(tài)、巖體結(jié)構(gòu)及其性能等。學(xué)者們對(duì)巖爆孕育過程、發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了深入研究，探討了不同環(huán)境巖體的巖爆特征[4-8]，發(fā)現(xiàn)巖爆大多發(fā)生在高應(yīng)力環(huán)境下的堅(jiān)硬巖體中，劇烈程度與圍巖應(yīng)力集中的程度密切相關(guān)，并將洞壁切向應(yīng)力σθ和巖石單軸抗壓強(qiáng)度σc比值作為巖爆的重要判據(jù)之一。

隨著對(duì)巖爆測(cè)試系統(tǒng)研究的逐步加深，針對(duì)巖爆問題開展的室內(nèi)試驗(yàn)由單軸壓縮試驗(yàn)過渡到假設(shè)σ2=σ3的常規(guī)三軸試驗(yàn)，再到能三向加載的真三軸試驗(yàn)，更準(zhǔn)確地模擬了原巖受力狀態(tài)[9-14]。例如許文松等[15]采用真三軸卸荷擾動(dòng)巖石測(cè)試系統(tǒng)對(duì)大理巖進(jìn)行小主應(yīng)力單面卸荷加卸載試驗(yàn)研究，采用不同應(yīng)力加卸路徑模擬能量積聚型和應(yīng)力集中型2種物理工程破壞模型，更加準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)巷道開挖面附近圍巖的穩(wěn)定性;胡杰等[16]開展了各向異性層狀砂巖應(yīng)變巖爆試驗(yàn)，在真三軸應(yīng)力狀態(tài)下單面卸荷，對(duì)比4種層理傾角的砂巖巖爆烈度與破壞特征;這類試驗(yàn)以圍巖單元體進(jìn)行分析，很好地反映了局部巖爆行為，卻無法較為準(zhǔn)確模擬圍巖的整體結(jié)構(gòu)響應(yīng)和空間分布特征。因此，采用和現(xiàn)場(chǎng)幾何形狀、環(huán)境相似的巖石試件模擬巖爆，能更準(zhǔn)確反映巖爆動(dòng)態(tài)發(fā)展過程;如宮鳳強(qiáng)等[17]采用真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)含直墻拱形孔洞的紅砂巖立方體試樣進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)過程中孔洞側(cè)壁破壞過程、破壞特征進(jìn)行了分析，并與同等深度的圓形孔洞洞壁破壞進(jìn)行了對(duì)比;HU X C等[18]利用鉆孔的矩形棱柱花崗巖試件研究隧道巖爆響應(yīng)特征，以聲發(fā)射參數(shù)表征巖爆過程能量變化，定量研究圍巖的開裂機(jī)制;但是，針對(duì)高應(yīng)力巷道巖爆的發(fā)生過程及時(shí)空演化規(guī)律還需進(jìn)一步研究，對(duì)于消除巖爆災(zāi)害，提高巖爆的預(yù)測(cè)和控制具有重要參考意義。

聲發(fā)射信號(hào)可以反應(yīng)巖石中裂隙的發(fā)育、擴(kuò)展、成核到最終破壞的情況，熱成像技術(shù)常被用于監(jiān)測(cè)應(yīng)力巖石的溫度變化[19-20]。眾多學(xué)者通過試驗(yàn)聲發(fā)射、熱成像等參數(shù)分析巖石破裂形態(tài)與損傷演化規(guī)律，CHANG S H等[21]利用聲發(fā)射的矩張量分析方法研究了三軸加載條件下巖石損傷和破壞機(jī)理;何滿潮等[22]進(jìn)行室內(nèi)瞬時(shí)巖爆模擬試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射頻值等參數(shù)研究花崗巖巖爆能量變化;劉善軍等[23]為研究巖石加載過程表面紅外輻射溫度場(chǎng)演化的定量分析方法，引入分形、熵和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，提出用特征粗糙度、熵和方差作為指標(biāo)定量描述巖石加載過程中紅外輻射溫度場(chǎng)的演化特征;吳賢振等[24]在提出“紅外溫變場(chǎng)(ITVF)”概念的基礎(chǔ)上，對(duì)巖石破裂失穩(wěn)過程中紅外溫度場(chǎng)的瞬時(shí)變化特征進(jìn)行討論;然而，聲發(fā)射和紅外熱成像技術(shù)在室內(nèi)巖爆模擬試驗(yàn)中相對(duì)較少采用，以AE和熱成像等參數(shù)反映孔洞巖爆過程中圍巖破裂災(zāi)變的時(shí)空演化規(guī)律研究仍需要繼續(xù)開展。

筆者利用真三軸擾動(dòng)卸荷巖石測(cè)試系統(tǒng)開展巖爆模擬試驗(yàn)，借助微型攝像機(jī)、聲發(fā)射(AE)系統(tǒng)和紅外熱像儀等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展現(xiàn)巖爆孕育到孔洞坍塌的全過程，分析不同側(cè)向應(yīng)力下巖爆的破裂形態(tài)與能量變化，探討巖爆過程中的聲發(fā)射時(shí)序、時(shí)頻及時(shí)空演化特征，研究熱成像溫度運(yùn)移與圍巖屈曲破壞之間的關(guān)系，為揭示巖爆的時(shí)空演化規(guī)律提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制作

以巖爆傾向較為明顯的花崗巖為試驗(yàn)材料，建立了巷道巖爆模型。為減少試件離散性引起的試驗(yàn)誤差，試件取自同一塊原巖，加工成100 mm×100 mm×100 mm的立方體，保證試件端面不平行度和不垂直度小于0.02 mm，然后在試件中心鉆取直徑30 mm，深度為100 mm的貫通圓孔。在試驗(yàn)前，進(jìn)行一系列單軸壓縮和巴西劈裂等試驗(yàn)獲得花崗巖材料的基本物理參數(shù)見表1。

表1 花崗巖材料的基本物理參數(shù)
Table 1 Basic physical parameters of granite specimen

密度/(g·cm-3)縱波波速/(m·s-1)橫波波速/(m·s-1)孔隙率/%泊松比單軸抗壓強(qiáng)度/MPa彈性模量/GPa2.645 6703 5410.450.27220.9626.8

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

試驗(yàn)采用真三軸擾動(dòng)卸荷巖石測(cè)試系統(tǒng)，該裝置3個(gè)方向的加載系統(tǒng)可獨(dú)立控制，對(duì)豎向最大施加5 000 kN載荷，兩個(gè)水平方向最大施加3 000 kN載荷，可進(jìn)行單軸、雙軸、三軸試驗(yàn)，加載過程通過全數(shù)字伺服測(cè)控器控制。聲發(fā)射信號(hào)監(jiān)測(cè)選用軟島DS5聲發(fā)射系統(tǒng)，配合6個(gè)聲發(fā)射探頭采集信號(hào)，為盡量減少噪音影響，門檻值設(shè)定40 dB，聲發(fā)射采樣頻率范圍設(shè)定1 kHz～1 MHz，聲發(fā)射信號(hào)分析軟件實(shí)時(shí)記錄AE事件、能量、振幅等參數(shù)，并根據(jù)采集參數(shù)進(jìn)行三維定位。紅外測(cè)試系統(tǒng)選用MISSCNR600型號(hào)的紅外熱像系統(tǒng)，測(cè)試波段7～14 μm，熱靈敏度0.06 ℃，在30 ℃時(shí)，最小焦距0.3 m，圖像頻率25 Hz。采用自制的微孔攝像頭實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄孔洞內(nèi)部破壞情況以有效地捕捉試件從微裂隙發(fā)育到最終發(fā)生宏觀破壞的響應(yīng)特征，試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備Fig.1 Test equipment

在試驗(yàn)前保證試樣和儀器與周圍環(huán)境溫度一致，試驗(yàn)過程保證試驗(yàn)室封閉，通過斷鉛試驗(yàn)對(duì)巖樣進(jìn)行聲速標(biāo)定。試驗(yàn)設(shè)備安裝時(shí)，在夾具表面均勻涂抹潤(rùn)滑油，聲發(fā)射探頭涂抹耦合劑，從而減小摩擦等因素造成的試驗(yàn)誤差。試驗(yàn)開始時(shí)，將加載設(shè)備與監(jiān)測(cè)設(shè)備同時(shí)開啟，保證時(shí)間單位統(tǒng)一，聲發(fā)射探頭位置及儀器安裝如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)裝置安裝示意Fig.2 Test device installation diagram

巷道開挖導(dǎo)致圍巖表面巖體從三向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)變成近似單向或雙向受力狀態(tài)，從而致使應(yīng)力重新調(diào)整并出現(xiàn)局部集中現(xiàn)象，當(dāng)切向應(yīng)力集中超過巖體強(qiáng)度，多余的應(yīng)變能會(huì)劇烈釋放出來，發(fā)生巖爆事故[18];為了模擬巷道開挖巖爆破壞現(xiàn)象，試驗(yàn)選擇雙軸加壓方式，保持一定側(cè)向載荷σv，不斷增加豎向載荷σh。

圖3 試驗(yàn)加載路徑及圍巖平面應(yīng)力分布Fig.3 Test loading path and stress distribution of surrounding rock plane

分別進(jìn)行側(cè)向壓力保持在5,10,15,20,25,30 MPa的6組加載試驗(yàn)，試驗(yàn)采用負(fù)荷控制，加載速率為0.1 MPa/s，具體加載應(yīng)力路徑為:同時(shí)開始加載σh及σv至設(shè)定的側(cè)向壓力值時(shí)，保持σv不變，繼續(xù)加載σh至試件發(fā)生宏觀破壞后停止試驗(yàn)，加載路徑如圖3所示。圖中，σr,σθ和τrθ分別為圍巖徑向應(yīng)力、切向應(yīng)力和剪應(yīng)力，R為圓孔半徑;r為巖體單元到圓孔中心距離;θ為巖體單元與水平方向夾角。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔洞破壞過程

微孔攝像機(jī)完整地記錄了圍巖顆粒彈射到孔洞坍塌破壞的全過程。本文以側(cè)向載荷為15 MPa的S-15試件為例，如圖4所示，分析巖爆的演化過程。

模型破壞過程大致可分為4個(gè)階段，平靜期、顆粒彈射期、穩(wěn)定破壞期、全面崩塌期。初始加載較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)洞壁并未發(fā)生明顯變化，孔洞處于穩(wěn)定狀態(tài)。在豎向載荷為66.41 MPa時(shí)，開始間歇性出現(xiàn)小顆粒彈射，進(jìn)入顆粒彈射期，應(yīng)力集中強(qiáng)度低，彈射顆粒的尺寸和速度較小;豎向加載到91.12 MPa時(shí)，左壁出現(xiàn)小巖片彈射，孔壁未產(chǎn)生明顯裂隙，彈射的小巖片彈射方向和速度隨機(jī)。當(dāng)豎向載荷增大到107.01 MPa時(shí)，進(jìn)入穩(wěn)定破壞期，左壁局部巖板向外曲屈折斷為上下兩巖片，巖片裂縫中間彈射出小顆粒，隨后豎向載荷達(dá)到116.81 MPa，折斷的下部巖片突然失穩(wěn)滑落，以此為基點(diǎn)，左側(cè)圍巖開始沿軸向屈曲板裂化破壞，圓孔表面片狀剝落伴隨連續(xù)顆粒彈射，逐漸形成“V”型坑，右壁開始出現(xiàn)小面積破壞，如圖4(f)所示。理論上，左右兩側(cè)載荷相同，破壞情況相同，但是由于自然巖體的各向異性和試件磨削精度等因素影響，試驗(yàn)過程無法達(dá)到完全理想情況，與GONG F Q等[25]試驗(yàn)洞壁破壞情況相似。

當(dāng)豎向載荷增加到148.02 MPa時(shí)，左側(cè)洞壁從“V”型槽中間不斷爆裂噴射出顆粒、巖片，導(dǎo)致“V”型槽的寬度和深度增大，伴隨噪聲和大量霧狀粉塵，同時(shí)右側(cè)破壞區(qū)部分貫通，并持續(xù)發(fā)展。豎向載荷增加到166.73 MPa時(shí)，左壁破裂巖板已完全剝落，粒徑不一的巖屑持續(xù)彈出，右壁破壞區(qū)沿軸向方向完全貫通，但在176.70 MPa時(shí)，彈射的顆粒和粉塵大量減少，巖爆活動(dòng)減弱。豎向載荷為177.82 MPa，進(jìn)入全面崩塌期，“V”型槽受壓開始變形，179.53 MPa時(shí)，洞壁兩側(cè)“V”型凹槽附近的巖塊內(nèi)折突起，隨后試件失穩(wěn)破壞，完成整個(gè)模擬試驗(yàn)。

2.2 孔洞破壞演化特征

假設(shè)圓孔圍巖視為均質(zhì)、各向同性的連續(xù)性介質(zhì)，圍巖受力和變形簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，如圖3所示，計(jì)算任一點(diǎn)的應(yīng)力[26]為

(1)

在非靜水壓力下，由式(1)可知圍巖最大切應(yīng)力位于兩幫的中點(diǎn)位置，r=R，θ=0°，σθmax=3p-q，所以圍巖兩側(cè)中部壓應(yīng)力集中最大，首先發(fā)生板裂屈曲巖爆。

在試驗(yàn)中，隨著豎向載荷不斷增大，圍巖裂隙開始發(fā)育，切應(yīng)力逐漸集中，儲(chǔ)存的能量較小;進(jìn)入顆粒彈射期后，洞壁開始出現(xiàn)小顆粒彈射，且彈射的顆粒粒徑逐漸變大，圍巖未出現(xiàn)明顯的曲屈變形，但是圍巖內(nèi)已經(jīng)開始產(chǎn)生拉裂破壞，形成一排甚至多排的新生拉裂紋，這些裂紋不斷擴(kuò)展，成核，靠近洞壁表面的裂紋貫通后形成一定厚度的巖塊或巖片。發(fā)展到穩(wěn)定破壞期時(shí)，在切向應(yīng)力的進(jìn)一步作用下，圍巖積聚的彈性應(yīng)變能增加，當(dāng)超過巖體的承受能力時(shí)，圍巖局部出現(xiàn)曲屈變形，巖板折斷，伴隨持續(xù)的顆粒彈射。隨著載荷的增加，巖爆破壞區(qū)沿圓孔軸向方向擴(kuò)展，破壞深度增加，逐漸形成“V”型巖爆帶，試驗(yàn)典型的板裂與“V”型巖爆坑如圖5(a),(b)所示，與深部巷道工程板裂化破壞及巖爆破壞情況相似，圖5(c),(d)?？锥磧杀趲r爆帶都完全貫通后，圍巖逐漸穩(wěn)定，巖爆活動(dòng)減弱，彈射的顆粒和粉塵大量減少。在高應(yīng)力作用下，“V”型凹槽受擠壓開始變形，當(dāng)圍巖應(yīng)力無法調(diào)整平衡時(shí)，出現(xiàn)大巖塊的突出或洞壁圍巖大面積變形，隨后孔洞失去承載能力失穩(wěn)坍塌。

圖5 試驗(yàn)和工程現(xiàn)場(chǎng)的板裂與“V”型巖爆坑情況[27-28]Fig.5 Slab cracking and “V” shaped rock burst pit inlaboratory and engineering sites[27-28]

巖體破壞時(shí)廣義H-B巖體強(qiáng)度準(zhǔn)則，表達(dá)式為

(2)

其中，σ1,σ3為最大、最小主應(yīng)力;σc為單軸抗壓強(qiáng)度;m,s,a均為反應(yīng)巖體特征的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，取a=0.5，s=1，且洞壁σ3=0，圍巖曲屈破壞時(shí)滿足:σθmax=σ1=σc。說明孔洞周邊圍巖切向應(yīng)力達(dá)到單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞，但本文在試驗(yàn)中圍巖曲屈破壞時(shí)，σθmax≈(1.38～1.85)σc，這也與前人研究結(jié)果相符[18，25]，原因可能是孔洞具有一定曲率，試件破壞受到尺寸效應(yīng)和強(qiáng)度效應(yīng)的影響。

2.3 不同側(cè)向載荷下破壞階段分析

對(duì)試驗(yàn)過程中各階段持續(xù)時(shí)間以及應(yīng)變特征進(jìn)行分析見表2，發(fā)現(xiàn)各階段的時(shí)間和應(yīng)變量隨載荷的變化趨勢(shì)與巖體的承載能力有較好的相關(guān)性，如圖6所示。

隨著側(cè)向載荷增大，平靜期的持續(xù)時(shí)間和應(yīng)變量增加，圍巖積累的彈性應(yīng)變能增加，側(cè)向載荷促進(jìn)了圍巖內(nèi)部微裂隙的壓密閉合，裂紋的發(fā)育貫通受到限制，使得顆粒彈射時(shí)間滯后，σv=30 MPa時(shí)，平靜階段時(shí)間最長(zhǎng)，顆粒彈射期最短。顆粒彈射期持續(xù)時(shí)間逐漸變短，應(yīng)變減小，因?yàn)殡S著側(cè)向載荷的增加，平靜期積聚的能量顯著增加，在進(jìn)入顆粒彈射期后能量釋放更加集中，巖爆發(fā)生進(jìn)程加快，顆粒彈射到巖板屈曲破壞發(fā)展更為迅速，平靜期與顆粒彈射期持續(xù)時(shí)間呈負(fù)相關(guān)。一定范圍內(nèi)，穩(wěn)定破壞期持續(xù)時(shí)間隨側(cè)向載荷的增大逐漸增大，在側(cè)壓20 MPa時(shí)持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，占加載總時(shí)間的48.77%，但側(cè)壓超過20 MPa后，穩(wěn)定破壞期持續(xù)時(shí)間開始變短，表明較高的側(cè)壓開始促進(jìn)巖石的破壞，巖爆能量釋放率更大，進(jìn)而誘發(fā)突發(fā)性強(qiáng)，破壞性大的巖爆災(zāi)害。不同側(cè)向壓力下全面崩塌期持續(xù)時(shí)間都較短，在高應(yīng)力狀態(tài)下，圍巖一旦出現(xiàn)大變形，孔洞也就隨之失去承載能力。各階段時(shí)間和應(yīng)變特征對(duì)實(shí)際工程中判斷巖爆孕育和巷道的失穩(wěn)坍塌有一定的參考意義。

表2 各階段結(jié)果統(tǒng)計(jì)
Table 2 Results of each stage

編號(hào)峰值載荷/MPaσθmax/σc平靜期時(shí)間/s應(yīng)變/10-3顆粒彈射期時(shí)間/s應(yīng)變/10-3穩(wěn)定破壞期時(shí)間/s應(yīng)變/10-3全面崩塌期時(shí)間/sS-5155.451.85489.126.0893.094.6160.211.412.12S-10166.621.75620.3011.5700.224.0320.251.519.16S-15179.631.38664.1012.1404.892.3718.715.714.24S-20206.691.40750.2215.6350.812.0950.905.920.45S-25190.281.44825.1116.3325.531.7730.664.518.93S-30165.771.721 192.0416.8175.140.8276.862.89.82

圖6 峰值載荷和破壞各階段時(shí)間曲線Fig.6 Peak load and duration of each stage of failure

巖體的峰值強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，表明側(cè)向壓力在一定程度上對(duì)圍巖的承載能力起到先增強(qiáng)后弱化的效果。所以應(yīng)力集中在一定范圍內(nèi)時(shí)，側(cè)向載荷有利于增加圍巖的承載能力，降低巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)，但是側(cè)向載荷高于臨界值時(shí)，應(yīng)力集中的水平較高，此時(shí)會(huì)降低圍巖的穩(wěn)定性，一旦巖爆發(fā)生，會(huì)釋放更多的彈性應(yīng)變能，巖爆更加劇烈。所以在工程建設(shè)時(shí)考慮側(cè)向載荷對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響也至關(guān)重要。

2.4 巖爆過程的聲發(fā)射時(shí)空演化規(guī)律

雖然微孔攝像機(jī)和試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)力應(yīng)變測(cè)量系統(tǒng)可以觀察到巖石的宏觀破壞，展現(xiàn)孔洞內(nèi)顆粒彈射，巖片剝落等破壞過程，但巖石內(nèi)部的損傷無法很好的體現(xiàn)出來。聲發(fā)射參數(shù)能夠準(zhǔn)確表征巖石中的微觀破壞規(guī)律，通過分析聲發(fā)射時(shí)序、時(shí)頻、時(shí)空演化特征來研究孔洞巖爆過程。

聲發(fā)射參數(shù)只表示數(shù)學(xué)上意義，不能代表巖體破壞實(shí)際能量大小。不同側(cè)壓條件下模型聲發(fā)射特征大致相似，選擇兩組典型試驗(yàn)進(jìn)行分析，如圖7所示。S-10在σh為62.1 MPa以前圍巖中存在裂隙壓密和發(fā)育，振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)能量較小。σh加載至約62.1 MPa時(shí)，洞壁表面顆粒開始彈射，振鈴計(jì)數(shù)率明顯增加，信號(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)。持續(xù)加載70 MPa后，洞壁表面圍巖開始曲屈變形，巖片剝落，局部巖爆發(fā)生，持續(xù)有聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)，伴隨累計(jì)能量階梯式增長(zhǎng)，圍巖積聚的彈性能大量釋放。豎向載荷到159.6 MPa時(shí)，右側(cè)巖爆帶基本貫通，巖爆開始往深部發(fā)展，導(dǎo)致聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率開始不斷陡增。豎向載荷增加到163.5 MPa左右，聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)歷了一段平靜期，與上文分析中巖爆帶形成后巖爆活動(dòng)逐漸減弱，出現(xiàn)平靜期的情況吻合，在165.4 MPa時(shí)，振鈴計(jì)數(shù)率突然小幅增加，持續(xù)19 s左右后，孔洞坍塌。

圖7 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率、累計(jì)能量、豎向載荷與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.7 Relationship curve of AE ringing count,cumulative energy,verticall load and time

S-25試件在加載82.0 MPa時(shí)，開始出現(xiàn)小顆粒彈射，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率間斷出現(xiàn)。豎向載荷增加100.0 MPa后，圍巖開始曲屈變形，間斷有局部巖爆發(fā)生，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率反復(fù)升高后降低，呈現(xiàn)出多峰狀態(tài)，累計(jì)能量計(jì)數(shù)階梯式增長(zhǎng)。在179.5 MPa左右，孔洞兩側(cè)的巖爆帶基本形成，巖爆向圍巖深部發(fā)展，產(chǎn)生強(qiáng)烈的聲發(fā)射信號(hào)，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)率陡增。豎向載荷為186.3 MPa后，振鈴計(jì)數(shù)率進(jìn)入平靜階段，繼續(xù)加載到188.0 MPa時(shí)聲發(fā)射信號(hào)再次小幅出現(xiàn)，持續(xù)18.56 s后應(yīng)力跌落，試件破壞。

在平靜期時(shí)，由微裂隙活動(dòng)產(chǎn)生的振鈴計(jì)數(shù)率較弱。持續(xù)有聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)，信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)增加，累計(jì)能量穩(wěn)定增加，巖爆進(jìn)入顆粒彈射期。隨著應(yīng)力集中，巖爆進(jìn)入穩(wěn)定破壞期，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)率反復(fù)升高后降低，呈現(xiàn)多峰狀態(tài)，累計(jì)能量階梯式增長(zhǎng)。劇烈?guī)r爆后，聲發(fā)射經(jīng)歷一段平靜期進(jìn)入全面崩塌期，振鈴計(jì)數(shù)率小幅增加并持續(xù)一小段時(shí)間，孔洞坍塌。振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)能量變化特征可以分析巖爆的階段信息，判斷圍巖是否處于危險(xiǎn)狀態(tài)，劇烈?guī)r爆后的平靜期可作為預(yù)測(cè)孔洞坍塌破壞的預(yù)警信號(hào)。

用快速傅里葉變換(FFT)可以對(duì)非平穩(wěn)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行綜合分析，獲得二維頻譜圖來研究主頻在損傷演化過程中的變化規(guī)律，聲發(fā)射主頻與巖石內(nèi)部開裂過程相關(guān)，高頻聲發(fā)射信號(hào)源自小尺度裂紋，大破裂對(duì)應(yīng)低頻聲發(fā)射信號(hào)[29]。做出S-10，S-25主頻豎向載荷與時(shí)間的關(guān)系，重點(diǎn)研究顆粒彈射期與穩(wěn)定破壞期主頻特征，如圖8所示，在孔洞破壞過程中聲發(fā)射信號(hào)主頻分布范圍0～500 kHz，統(tǒng)計(jì)分析主頻的分布規(guī)律以及變化過程，可為巖爆過程提供額外的定量信息。

圖8 聲發(fā)射主頻、豎向載荷與時(shí)間關(guān)系曲線Fig.8 Relationship curves of main frequency,verticall load and time

S-10在62 MPa前AE信號(hào)在低頻(0～90 kHz)、中頻(90～200 kHz)、高頻(300～500 kHz)都有分布，頻值較為分散。在進(jìn)入顆粒彈射期以后，AE信號(hào)持續(xù)出現(xiàn)，低頻占聲發(fā)射信號(hào)1.8%，中頻為47.8%，高頻50.4%，表明顆粒彈射期以中小破裂為主。豎向載荷為132 MPa進(jìn)入穩(wěn)定破壞期后，AE信號(hào)較為密集，低頻信號(hào)比例增加，中頻信號(hào)比例基本不變，高頻信號(hào)比例降低，大尺度巖爆活動(dòng)增加，圍巖板裂化破壞，但在洞壁巖片剝落后，巖爆帶破壞加深，噴射出霧狀顆粒，以中小型破裂為主，所以在穩(wěn)定破壞期以中頻和高頻占主導(dǎo)地位。隨著巖爆的劇烈發(fā)生主頻由分散態(tài)趨于聚集態(tài)。

S-25在顆粒彈射期，低頻比例為1.9%，中頻為72.9%，高頻為25.2%，以中小尺度破壞為主，到穩(wěn)定破壞期各頻段AE信號(hào)均較為密集，中頻和低頻比例升高，高頻比例明顯下降，隨著載荷的增大，巖爆中等尺度損傷破壞更加密集，大尺度破壞比例增加。S-10模型側(cè)壓為10 MPa，巖爆過程中頻和高頻占主導(dǎo)地位，破壞以中小尺度破裂為主，S-25處于高側(cè)壓25 MPa環(huán)境下，在顆粒彈射期與穩(wěn)定破壞期都是以中頻為主，巖爆大多數(shù)為中等尺度破壞，比S-10破壞程度更高，破裂尺度更為集中，側(cè)壓較大的情況下，應(yīng)力集中高，容易誘發(fā)突發(fā)性強(qiáng)，能量釋放劇烈的巖爆。

巖石內(nèi)部裂紋發(fā)育擴(kuò)展，以彈性波的形式釋放能量被聲發(fā)射探頭接收到，可以通過傳感器接收P波到達(dá)的時(shí)間差反演破裂源的位置。為了更直觀反應(yīng)巖爆過程，對(duì)反演結(jié)果進(jìn)行范圍篩選，主要體現(xiàn)出S-15試件孔洞附近的定位點(diǎn)演化特征。

在平靜期，定位點(diǎn)主要源自原生裂隙的閉合與發(fā)育，聲發(fā)射信號(hào)弱，定位點(diǎn)隨機(jī)分布，主要集中在圍巖表面，如圖9(a)所示。

圖9 S-15聲發(fā)射時(shí)空演化特征Fig.9 AE space-time evolution characteristics of specimen S-15

顆粒彈射期開始后，圍巖顆粒彈射引起定位點(diǎn)增多，隨機(jī)分布，但定位點(diǎn)開始由表面向內(nèi)擴(kuò)展，因?yàn)樵谇邢驊?yīng)力的作用下，靠近洞壁圍巖已經(jīng)產(chǎn)生的裂紋貫通后形成一定厚度的巖塊或巖片，并且聲發(fā)射事件在左壁出現(xiàn)局部集中，如圖9(b)所示。

在穩(wěn)定破壞期，少數(shù)聲發(fā)射信號(hào)分布在圍巖頂部和底部，左側(cè)的定位集中區(qū)事件數(shù)首先增多，與圖4(d)圍巖曲屈的位置大致對(duì)應(yīng)。隨著載荷的增大，孔洞表面裂紋貫通，圍巖曲屈，以此為基點(diǎn)，定位點(diǎn)沿軸向擴(kuò)展，兩側(cè)定位點(diǎn)大量增加，范圍逐漸增大并向圍巖深部發(fā)展，形成兩條明顯的集中條帶，與“V”型巖爆坑對(duì)應(yīng)。

孔洞坍塌后的定位點(diǎn)如圖9(d)所示，試件發(fā)生宏觀破壞，破裂帶沿巖爆坑擴(kuò)展，形成“X”型剪切破裂面，定位點(diǎn)集中區(qū)與模型主破裂面基本吻合如圖9(e)所示。在高偏應(yīng)力場(chǎng)作用下，巷道周圍會(huì)形成蝶形高剪切應(yīng)力區(qū)[30]，該區(qū)域內(nèi)的巖體與應(yīng)力狀態(tài)滿足摩爾-庫(kù)侖剪切破壞條件而遭到破壞，因而形成以圓孔為中心的“X”型共軛剪切破裂。

2.5 紅外熱成像溫度運(yùn)移規(guī)律

在孔洞右側(cè)圍巖對(duì)稱取邊長(zhǎng)為10 mm的正方形區(qū)域作為研究對(duì)象，分析巖爆過程中圍巖的熱成像溫度運(yùn)移規(guī)律及其破裂前兆響應(yīng)特征。

采用圖像差值算法對(duì)紅外熱像進(jìn)行去噪處理，進(jìn)行熱輻射溫度場(chǎng)的空間演化分析。

gk(x,y)=fk(x,y)-f1(x,y)

(3)

式中，k為紅外熱像序列指標(biāo);fk(x,y)，f1(x,y)分別為從第k幅和第1幅熱像圖中提取的各個(gè)像素點(diǎn)溫度值構(gòu)成的矩陣;gk(x,y)為每幅熱像與第1幅熱像的差值矩陣。

以試件S-25紅外熱像數(shù)據(jù)為例進(jìn)行研究，探討巖爆過程紅外空間分布狀態(tài)及運(yùn)移規(guī)律。平靜期，試件所受載荷相對(duì)較低，孔洞左右兩側(cè)受力均勻，圍巖未出現(xiàn)應(yīng)力集中，表面溫度場(chǎng)表現(xiàn)為整體低溫狀態(tài)，如圖10(a)所示。

圖10 紅外熱成像溫度場(chǎng)運(yùn)移規(guī)律Fig.10 Temperature migration pattern of infrared thermal image

在顆粒彈射期，孔洞受到的外界載荷增大，圍巖整體溫度升高，且隨著載荷的增加出現(xiàn)升溫集中現(xiàn)象，并且洞壁有攜帶一定能量的細(xì)小顆粒彈出，致使圍巖溫度場(chǎng)靠近圍巖側(cè)出現(xiàn)部分低溫點(diǎn)，如圖10(b)所示。

穩(wěn)定破壞期，應(yīng)力集中在孔洞兩側(cè)，平行于最大主應(yīng)力方向，高溫集中區(qū)域愈發(fā)明顯，主要出現(xiàn)在圍巖淺部位置，向內(nèi)呈現(xiàn)波形遞減趨勢(shì)，如圖10(c)所示。切向應(yīng)力增大致使圍巖壓致張裂，形成板狀劈裂，體積膨脹產(chǎn)生吸熱的熱彈效應(yīng)[31]，所以板巖間溫度略微降低，呈現(xiàn)高溫嵌套低溫條帶，如圖10(d)所示。隨著豎向載荷的增加，應(yīng)力集中區(qū)溫度整體升高并開始向內(nèi)擴(kuò)展，如圖10(e)所示?？锥幢砻鎺r板屈曲破裂后，出現(xiàn)巖片剝落伴隨顆粒彈射現(xiàn)象，表面溫度相對(duì)降低，應(yīng)力集中向自由面轉(zhuǎn)移，新的自由面溫度隨之升高，所以出現(xiàn)圍巖淺部溫度下降，高溫區(qū)向深部運(yùn)移的現(xiàn)象，如圖10(f)所示。劇烈?guī)r爆時(shí)，巖爆坑不斷加寬加深，圍巖釋放大量能量，巖爆坑深部巖板折斷、巖體摩擦，顆粒噴射，熱成像溫度整體呈高溫狀態(tài)，巖爆坑深部溫度相對(duì)淺部更高。如圖10(g)所示。

全面崩塌期，孔洞坍塌前，巖體受擠壓變形，巖石發(fā)生大量摩擦，應(yīng)力集中于“V”型巖爆坑深部，溫度急速升高，溫差變化大，整體熱成像如圖10(h)所示。試件無法承受外界載荷時(shí)，巖石集聚的能量突然釋放，模型發(fā)生宏觀破壞，孔洞整體升溫，高溫區(qū)沿巖爆坑深部擴(kuò)展，通過上文討論，模型破壞時(shí)理論上呈現(xiàn)“X”型共軛剪切破裂，但試驗(yàn)過程中存在誤差，主剪切破面呈現(xiàn)“X”的一部分，出現(xiàn)“v”型“y”型或者貫穿型斜剪破壞，如圖10(i)所示，破壞面沿巖爆坑深部擴(kuò)展，形成近似“v”型高溫剪切帶。

在工程施工時(shí)，可以通過熱輻射溫度識(shí)別應(yīng)力集中區(qū)域，并根據(jù)圍巖具體情況設(shè)定預(yù)警值，圍巖淺部溫度升高并向內(nèi)擴(kuò)展時(shí)，要及時(shí)對(duì)圍巖采取卸壓和補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)等措施，防止劇烈?guī)r爆的發(fā)生。

3 結(jié) 論

(1)巷道圍巖破壞可分為4個(gè)階段。在平靜期開始孕育，隨著儲(chǔ)存的能量增大，開始出現(xiàn)顆粒彈射;發(fā)展到穩(wěn)定破壞期時(shí)，圍巖曲屈變形，巖板折斷，巖片剝落伴隨劇烈的顆粒彈射，形成“V”型巖爆帶;隨著載荷的增加，經(jīng)歷一小段平靜期，圍巖變形，巖爆帶附近巖塊內(nèi)折突起，隨后巷道失穩(wěn)坍塌。

(2)隨著側(cè)向載荷的升高，模型在平靜期積累的彈性應(yīng)變能增加，顆粒彈射期持續(xù)時(shí)間變短，能量釋放率增大，巖爆進(jìn)程加快，穩(wěn)定破壞期持續(xù)時(shí)間隨側(cè)向載荷的增大先增加后減小，與巖石的峰值強(qiáng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)一致;側(cè)向載荷的升高對(duì)圍巖承載能力起到先增強(qiáng)后弱化的效果。

(3)平靜期，由微裂隙活動(dòng)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)較弱，振鈴計(jì)數(shù)率和累計(jì)能量較低，主頻分散，定位點(diǎn)隨機(jī)分布，主要集中在洞壁;隨著載荷增加，進(jìn)入顆粒彈射期，聲發(fā)射信號(hào)持續(xù)出現(xiàn)，累計(jì)能量穩(wěn)定增加，主頻由分散態(tài)趨于聚集態(tài)，定位點(diǎn)開始由孔洞表面向內(nèi)擴(kuò)展并出現(xiàn)局部集中;在穩(wěn)定破壞期，振鈴計(jì)數(shù)率呈現(xiàn)多峰變化，累計(jì)能量階梯式增長(zhǎng)，低頻比例增加，高頻比例降低，定位點(diǎn)沿孔洞軸向擴(kuò)展，再向深部擴(kuò)展;全面坍塌期，振鈴計(jì)數(shù)率小幅增加，“V”型巖爆帶形成后的一小段聲發(fā)射平靜期可作為孔洞全面崩塌的前兆信號(hào)，試件破壞后定位點(diǎn)形成以孔洞為中心的“X”型共軛剪切破裂。

(4)隨著豎向載荷的增大，圍巖應(yīng)力集中區(qū)域紅外溫度場(chǎng)整體溫度逐漸升高，呈現(xiàn)高溫區(qū)嵌套低溫條帶的特點(diǎn)，淺部圍巖片狀剝落后，溫度降低，高溫區(qū)由淺部向深部運(yùn)移，在孔洞整體失穩(wěn)坍塌前，巖爆坑深部溫度急劇上升，隨后以此為基點(diǎn)形成高溫剪切破裂帶。