大尺寸試件在梯度應力作用下的巖爆孕育聲發射特性

吝曼卿 胡會平 梁 瀟 高成程 周煒鑫 張 蘭

(1.武漢工程大學資源與安全工程學院，湖北 武漢 430074;2.武漢工程大學磷資源開發利用教育部工程研究中心，湖北 武漢 430074)

近年來，隨著我國采礦、交通、能源等領域蓬勃發展，地下工程逐步向深部轉移。受深部高地應力作用，施工過程中的巖爆等地質災害日益頻繁[1-2]。由于巖爆的發生機制復雜、影響因素多、難以準確預測，因此巖爆已成為當前深部地下工程領域的熱點和難點問題之一[3]。巖爆的發生不僅威脅著礦井安全生產，還會給井下作業人員帶來直接傷害，關注巖爆問題刻不容緩。聲發射(Acoustic Emission，AE)是指巖石等固體材料因其內部存在的固有缺陷，在外界作用下，內部缺陷衍生造成巖石等固體材料內部的損傷與破壞，從而在破壞過程中釋放出應變能，并以彈性波的形式快速釋放傳播的現象[4-9]。由于聲發射特征信號蘊含著巖石材料內部結構缺陷性質，例如，微裂紋的生長狀況、彈性應變速率以及AE源事件的低中心位置等豐富信息[10-11]。因此，借助聲發射技術可以探究巖爆的孕育過程，對巖爆機理的探索及其預警具有參考意義。

目前，國內外學者對巖體聲發射特性進行了大量研究。孫政元等[12]利用聲發射技術對巷道的巖爆危險區域進行了巖爆傾向性預測，證明使用該技術預測巖爆具有可行性。姚歡迎等[13]對頁巖進行了單軸壓縮聲發射試驗，收集了單軸壓縮4個時期內聲發射信號的不同特征，表明聲發射不僅可以捕捉試驗過程中頁巖的信息，還可利用該類信息了解頁巖內部的損傷狀況。江博為等[14]通過RMT-150b巖石力學剛性伺服機進行了不同加載速率的單軸壓縮聲發射試驗，對石灰巖和砂巖在變形破壞過程中的聲發射特性進行了分析，發現高強度石灰巖振鈴計數極值和單軸抗壓極限強度存在先增后減現象;低速率時低強度砂巖的振鈴計數頻率高且分布均勻，高速率時振鈴計數頻率有所降低且分布不均。由于地下開采過程中，巖體因開挖擾動使洞壁巖體的應力重新分布，表現為洞壁的應力集中現象[15-16]，即臨空面圍巖受切向應力較大，并以一定梯度向遠離臨空面降低，逐漸趨向于原巖應力，使得應力整體呈梯度分布。祝文化等[17]通過不同梯度加載下的巖爆試驗，發現梯度加載時，試件的聲發射事件數及能量在不同時刻存在差異，加載初期，試件聚集的能量越大，越容易出現瞬時巖爆現象。為進一步探究梯度加載過程中巖體巖爆的聲發射特征，本研究借助YB-A型巖爆模擬試驗裝置對大尺寸試件進行不同梯度應力作用下的室內巖爆加卸載試驗，采用聲發射監測手段獲取試件在加載過程中的聲發射數據，分析巖爆孕育與聲發射特性之間的關系，為巖爆機理研究和巖爆預警提供參考。

1 試驗方案

1.1 試件制備

由于常規試驗采用的試件尺寸較小，試件加載時僅能模擬巖體受均布荷載時的巖爆現象，而地下開挖過程中，開挖擾動區內巖體的垂直應力集中程度隨其與隧道壁距離的增大而出現梯度遞減現象，因此對大尺寸試件進行不同應力梯度作用下的巖爆加卸載研究，更能表征巖爆的發生過程，對巖爆機理研究具有促進作用[18]。受試驗裝置加載腔尺寸的影響，試驗選取規格為1 000 mm×600 mm×400 mm(長×寬×高)的長方體石膏作為試驗試件，先制得兩塊規格為1 000 mm×600 mm×200 mm(長×寬×高)的模型，經養護處理后在模型試件表面布設應變片，再將兩塊模型合模為一塊規格為1 000mm×600mm×400mm(長×寬×高)的模型試件。

1.2 試驗設備及方法

采用YB-A型巖爆模擬試驗裝置進行巖爆模擬試驗，如圖1所示，該裝置包括主機系統、液壓控制系統以及氣壓控制系統。采用SAEU2S型6通道聲發射采集系統進行全過程數據采集，捕獲試件破壞前后的聲發射參數變化特征。試件聲發射通道布置如圖2所示。

圖1 YB-A型巖爆模擬試驗裝置Fig.1 YB-A type rockburst simulation test device

圖2 試件梯度應力加載示意Fig.2 Schematic of specimen loading under gradient stress

試驗前，將試件放置在YB-A型巖爆模擬試驗裝置的模型推車上，并確保試件兩側與推車底板齊平，為降低大尺寸模型試件在加載過程中的摩擦作用對模型試件的影響，在模型各加載面與儀器傳力板之間放置2層聚四氟乙烯[19]，利用液壓控制系統控制推車閥門，使試件隨模型推車一起進入試驗裝置的模型腔內。試件頂部各梯度分布如圖2所示。

本研究利用公式y=a·e-b·x+c[20]簡化表達深部巖體開挖時，硐室圍巖切向應力隨圍巖內部某點與洞壁水平距離增大而減小的現象[21]。式中，y為圍巖中某點的切向應力;x為圍巖內某點到硐壁邊界處的水平距離;c為原巖應力;a+c為開挖邊界處的切向應力;b為應力梯度系數。試驗中，通過控制不同的梯度系數b值來控制圍巖切向應力分布的集中程度。當b=0時，所對應的加載方式為頂部均布加載;b≠0對應的加載方式為頂部梯度加載，b值越大，代表模型頂部應力梯度差越大[22]。

試驗時，將初始圍壓設置為5 MPa，頂部壓力為0.5 MPa;后經0.5 h穩壓，頂部壓力達到1 MPa，圍壓保持不變，繼續穩壓6 h，前 6.5 h的初始應力—時間關系特征如圖3所示。隨后將試驗裝置前側的限位門撤離，對試件進行卸載，以模擬深部巖體在開挖擾動后出現的臨空面現象。再分別以b=0、b=2、b=4和b=6共4種加載路徑進行試驗，其加載路徑如圖4所示。

圖3 試件前6 h加載路徑Fig.3 Loading path for the first six hours of the specimen

圖4 試件應力加載路徑Fig.4 Stress loading paths of specimen

通過巖爆試驗可知，b=0時，在梯度1荷載為5.5 MPa時試件中上部發生破壞;b=2時，梯度1荷載達到5.3MPa左右時，試件上部及表面發生巖爆;b=4時，試件在梯度1荷載增至近5.3 MPa后，試件表面突然崩壞[21];b=6時，梯度1荷載為5.0 MPa時，試件中部發生巖爆。

2 不同梯度應力作用下的試件聲發射特征

2.1 聲發射能量—持續時間分析

采集了試件在不同梯度應力作用過程中的聲發射數據，并繪制了試件在4種加載路徑下的聲發射能量—時間圖，如圖5所示。

圖5 聲發射能量—聲發射持續時間變化過程Fig.5 Variation process of AE energy-AE duration

圖5顯示了試件加載過程中不同加載梯度下試件的聲發射能量與聲發射持續時間隨著試驗進行的變化過程。其中，聲發射能量是指信號檢波包絡線下的面積，反映信號的強度;聲發射持續時間是指事件信號第一次越過門檻值到最后降至門檻期間所經歷的時間間隔[23]，利用聲發射持續時間可有效地反映出聲發射信號的頻度和強度。

由圖5(a)可知:當b=0時，試件在均布加載作用前期，聲發射能量逐漸上升，在達到最大值后逐漸遞減;整個試驗過程中能量和振鈴計數的變化范圍都比較小，且能量極值及其出現頻率都較小。b=2時，試件在加載初期的聲發射能量急劇上升，迅速出現能量極值，即發生了明顯的聲發射事件，隨后呈現出變小的趨勢。且此時能量極值出現頻率較b=0時的能量極值出現頻率大，如圖5(b)所示。b=4時，試件在試驗初期和中期均出現了較圖5(a)、圖5(b)中能量極值更大的能量值，且其出現次數明顯增多，如圖5(c)所示。b=6時，試件在試驗加載的中期和后期均出現了很多非常大的能量值，且明顯多于b=2和b=4兩種梯度加載下較大能量值的出現次數，如圖5(d)所示。

由上述分析可知，不同梯度加載下巖爆試驗的聲發射參數之間具有以下特征:

(1)聲發射能量與聲發射持續時間二者之間存在顯著的同步性，即巖爆試驗中所釋放的能量越大，其聲發射持續時間越長，而能量越小，相應地持續時間越短。即聲發射信號強弱與聲發射發射頻率及其持續時間具有相關性。

(2)b值越小時，受加載過程中的較大能量值出現越早，能量值相對越小，破壞前的能量積聚時間則越短。

(3)b值越大時，試件在加載過程中的峰值能量釋放越頻繁。

2.2 聲發射振鈴計數分析

聲發射振鈴是指在聲發射波的時域圖形上，換能器每震蕩一次，輸出的一個脈沖稱為振鈴[24]。振鈴計數作為一種最常用的評估聲發射信號的參數，以反映聲發射的活動性、頻度、強度等信息，具有簡化信號處理環節、體現巖石內部破壞結構變化規律的特點。試件加載過程中的聲發射振鈴計數隨時間的分布特征如圖6所示。

圖6 時間—聲發射振鈴計數變化特征Fig.6 Variation characteristics of time-AE ring count

由圖6可知:聲發射振鈴計數極值的出現次數與梯度存在正相關關系，試件頂部所受的應力梯度越大，試驗過程中的振鈴計數極值的出現次數越多，反之，出現次數越小;隨著應力梯度的增大，振鈴計數的變化范圍也有顯著增加，例如，b=0時振鈴計數的變化范圍為0～150次，b=2時其變化范圍為0～250次，b=4時的振鈴計數變化范圍繼續增大至0～900次，b=6時的振鈴計數變化范圍更是顯著地變化到0～4 000次。

振鈴計數是研究試件巖體損傷破壞的重要參數之一。一般情況下，振鈴計數越大，試件巖體內部的破壞程度越大;反之，越小。由圖6進一步分析可知:隨著試件巖體頂部梯度差的增大，巖體的受壓過程愈發符合巖體壓縮作用下的4個變形階段即:裂紋閉合階段、彈性變形階段、裂紋穩定發展階段和裂紋不穩定擴展階段。以上4個階段分別對應著圖6(c)、圖6(d)中的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ時段，其中，b=4時試件在4個階段的詳細破壞特征如圖7所示。

圖7 b=4時試件在4個階段的破壞情況Fig.7 Failure characteristics of the specimens in four stages when b=4

由圖6(c)、圖6(d)和圖7可知，在裂紋閉合階段Ⅰ，聲發射振鈴計數在一定范圍內穩定波動，巖體內部微裂隙在外力作用下逐漸閉合，不存在大尺度破壞。繼續對試件進行加載，巖體進入彈性變形階段Ⅱ，振鈴計數出現了偏離原有趨勢的明顯突變，例如，圖6(c)中出現突變振鈴計數815次，圖6(d)中出現突變振鈴計數4 547次，說明試件巖體內部出現了新裂紋，發生了較為明顯的破壞且試件頂部梯度差越大，突變值相應越大，試件受到的破壞也越嚴重。隨后試件進入裂紋發展階段Ⅲ，此時聲發射振鈴計數再次在一定范圍內穩定變化，如圖7(c)所示，試件巖體內部的裂紋穩定發育且無大尺度破壞。最后，伴隨著振鈴計數的突變，試驗進入了裂紋不穩定擴展階段Ⅳ，如圖7(d)所示，試件巖體發生了明顯破壞。

2.3 能量分析

聲發射能量可反映聲發射信號的強弱。累積聲發射能量是指即將截止到某一時刻之前的所有聲發射能量之和[21]。聲發射過程中的能量計數可有效地反映出試件在出現裂紋過程中所釋放的能量大小。在研究巖爆孕育的聲發射特性時，分析試件加載釋放出的聲發射能量，可進一步了解梯度應力對試件巖爆的影響。試件在不同梯度作用下的累計能量值見表1。表1中A、B、C分別為頂部梯度為b=2、b=4、b=6時的試件編號。

表1 聲發射能量參數Table 1 AE energy parameters

由表1可知:A試件通道3處試驗過程產生裂紋時釋放的最大能量約400 mV·ms，累計能量較小;B試件釋放的最大能量約525 mV·ms，累計能量比較大;C試件釋放的最大能量約1 221 mV·ms，累計能量很大。由此可知，當圍壓環境一定，試件頂部受到不同梯度應力作用時，隨著試件頂部所受的梯度應力差值的增大，試件在加載過程中釋放出的聲發射最大能量值和累計能量都會增大?？梢?，試件在加載過程中所受的梯度應力越大，試件在加載過程中蓄積的能量越多，試件發生裂縫、彈射、剝落及裂縫擴展時消耗的能量越大，最終呈現出的巖爆破壞烈度也越大。

3 結 論

借助YB-A型巖爆試驗裝置對大試件進行了不同梯度加載下的巖爆試驗，分析了深部巖體在受到開挖擾動時梯度應力作用下的巖體巖爆孕育的聲發射特性，所得結論如下。

(1)試件頂部所受的應力梯度差較小時，試件巖體產生的聲發射現象相對越早，聲發射能量的釋放頻率在加載過程中更均勻、出現時間更早。此外，隨著梯度增大，試件釋放的最大能量和累計能量都有增大趨勢，試件的破壞程度也越明顯。

(2)試驗過程的聲發射能量與聲發射事件的持續時間存在明顯的同步性，即聲發射能量數值越大，聲發射事件的持續時間越長。

(3)隨著應力梯度系數(b值)增大，試驗中聲發射振鈴計數的變化范圍逐漸擴大，試驗過程更符合巖體壓縮作用下的4個變形階段即:裂紋閉合階段、彈性變形階段、裂紋穩定發展階段和裂紋不穩定擴展階段。