梯度應力作用下模型試件聲發射-紅外特征及巖爆孕育演化研究

吝曼卿，高成程，夏元友，張電吉，劉夕奇，梁曉帥

(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 430073； 3. 武漢理工大學 土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070； 4. 武漢大學 土木建筑工程學院，湖北 武漢 430072)

深部高地應力巖體受開挖擾動影響，在洞壁附近產生應力集中和應變能積聚，當聚集在巖體內的應變能超過巖體的儲存極限時，會使巖體產生爆裂松脫、剝落、彈射甚至拋擲等巖爆現象，造成工作面圍巖破壞、設備損壞和人員傷亡[1]。認識巖爆孕育的時空演化規律，并在深部礦山開采及高地應力環境隧道開挖等工程現場進行有效監測與前兆識別，對巖爆災害的防控具有重要意義。紅外熱成像技術具有響應速度快、非接觸性、全天候、不需要可見光等優點[2]。吳立新等[3]通過巖石壓剪破裂過程的紅外輻射成像實驗，發現巖石壓剪破裂過程的熱力耦合效應與剪切面上的正應力大小密切相關。董玉芬等[4]對巖石變形過程的實驗研究發現，試件加載過程中，微破裂伴隨產生紅外輻射，微破裂愈強紅外輻射特征越明顯。張艷博等[5]利用紅外熱像儀監測巷道巖爆全過程，建立了巖爆實時預警方法。

借助聲發射(acoustic emission，AE)信息可在一定程度上對巖石內部破裂狀態進行實時判斷[6]。Ganne等[7]基于聲發射測試研究，提出巖石破裂過程中聲發射能量累積的4個階段，對應微裂紋的產生、擴展、累積和聚合及最終破壞的發生。陳國慶等[8]通過對巖橋試樣進行單軸壓縮試驗和聲發射監測，發現聲發射頻譜對裂紋擴展的反應較好。程鐵棟等[9]以紅砂巖破裂過程為研究對象，對巖石破裂過程進行監測，結果表明紅砂巖單軸壓縮破裂過程中聲發射事件數與應力-時間曲線規律相一致。

巖爆的產生與加載路徑密切相關，在深部巖體開挖工程中，巖體距臨空面越近所受切向應力越大，隨著遠離臨空面而降低，并逐漸趨向于原巖應力，應力整體呈梯度分布。在相同應力環境下，高梯度加載路徑下試件產生的巖爆破壞更嚴重[10]。為探究不同應力梯度作用下巖爆孕育的時空演化規律，本研究借助YB-A型巖爆模擬試驗裝置對大尺寸模型試件進行頂部不同梯度應力作用下的巖爆加卸載試驗，并利用聲發射監測系統和紅外熱像儀對不同加載路徑下的聲發射特征和紅外輻射特征進行分析，探究巖爆孕育與聲發射特征和紅外輻射特征的關系，進而為巖爆預警提供理論依據。

1 試驗方案

1.1 試驗系統與布置

采用自主研發的YB-A型氣液復合真三軸加載巖爆試驗裝置，該裝置由主機、液壓控制系統和氣壓控制系統組成，能夠實現三向六面加載以及頂部分級梯度加載，如圖1所示。主機前面有限位門，可對加載的試件限位和開門卸載，用以模擬巖體在高地應力環境下受開挖擾動時的單面卸載情形。采用Fluke Ti480Pro紅外熱像儀，捕捉試件破壞紅外輻射變化特征；利用佳能EOS-1DX高速攝像機以每秒1 000幀的速度對試件進行監測，獲取試件宏觀變化特征；運用北京軟島DS2聲發射儀進行全過程采集，捕獲試件破壞前后聲發射參數變化特征。

圖1 自主研發的 YB-A 型巖爆模擬試驗裝置

圖2 均布加載及梯度加載圖

1.2 試驗加載路徑

為更好地模擬深部硬脆性巖體隨開挖過程的應力狀態，設置試件的初始圍壓為1.0 MPa，以每級荷載為0.5 MPa分級加載，每級加載間隔時間為30 min，加載至初始圍壓后穩壓6 h。通過迅速開啟試件前側的限位門來模擬掌子面開挖附近的應力狀態，在保持試件圍壓不變的情況下繼續對試件頂部進行加載。保持側向荷載不變的同時繼續施加頂部的梯度荷載，以公式y=aebx+c[11]計算每級荷載，通過控制加載應力梯度系數b值的大小調控圍巖切向應力分布的集中程度。試件的均布加載及梯度加載如圖2所示，4塊試件的加載路徑如圖3所示。將具有巖爆傾向性且與深部巖體力學性質相似的高強度石膏作為試件材料[12]，選取滿足巖爆裝置加載量程及具有較好巖爆傾向性的材料配比[13-14]，制作尺寸為1 000 mm×600 mm×400 mm的模型試件。試件放置后，對溫度進行監測，待試件表面溫度均勻時開始試驗。試驗過程中實驗室封閉，禁止人員走動。

2 試驗結果分析

2.1 模型試件宏觀破壞過程

高速攝像機完整地記錄了模型試件在不同梯度加載下從開始加載到試件徹底破裂的全過程。在相同的應力環境下，高梯度加載路徑下的試件破壞程度更嚴重，對應的巖爆現象更猛烈[15-16]。

對4組試件加載全程觀察發現，在b=0時，模型試件從加載到全面破裂均會經歷多次破壞，大致分為4個階段：平靜期、片狀剝離期、穩定破壞期、全面崩塌期(圖3～4)。初始加載較長時間內試件未發生明顯宏觀變化，模型試件處于穩定狀態；當豎向載荷加載至3.5 MPa，試件進入片狀剝離期，試件表面開裂并伴隨噼啪聲，出現片狀剝離，如圖4(b)所示；從3.5 MPa加載至4.0 MPa期間，進入穩定破壞期，開始出現間歇性較大面積片狀、板狀碎塊掉落，加載至4.0 MPa時出現左右兩片狀破裂，片刻后左側片狀碎塊掉落，加載至4.5 MPa時右側巖板完全剝落；加載至5.0 MPa時試件進入全面崩塌期，整體巖爆破壞，大量片狀、板狀碎屑集中分布于卸載面附近，只有少量碎屑拋出0.5 m左右。b=2與b=0時破裂過程相似。

圖3 試件應力加載路徑

圖4 b=0試件破壞過程

在b=4(圖5)時，模型試件從加載至破裂僅發生一次劇烈巖爆。模型破壞過程分為平靜期、裂紋擴展期、全面崩塌期。試件加載初期一段時間內并未發生明顯變化，處于穩定狀態；當豎向加載至2.5 MPa進入裂紋擴展期，先在試件上部出現明顯“松針狀”裂紋，如圖5(c)所示，且在5 s后試件中下部出現裂紋，進入全面崩塌期，發生劇烈巖爆，彈射大量碎塊伴隨噪聲和霧狀粉塵，彈射碎塊最遠距離達0.8 m。b=6與b=4時破壞過程相似。

圖5 b=4試件破壞過程

2.2 模型試件聲發射變化特征

高速攝像機可以拍攝到巖體宏觀破壞中巖片剝落，碎塊彈射等破壞過程，但無法反映巖體內部損傷過程。聲發射特征信號能表征巖體的微觀破壞規律[17]。

2.2.1 聲發射振鈴計數特征

圖6顯示了試件在不同梯度應力加載過程中聲發射振鈴計數的監測結果。由圖可知，b=0與b=2聲發射振鈴計數在破裂前呈逐漸增加趨勢，如圖6(a)所示，前期振鈴計數值較小，由于梯度在每次加載時對模型試件造成擾動使得計數增大。進入片狀剝離期，計數開始有明顯的上下波動特征，且相對前一階段有明顯增大，此時模型試件卸載面出現多處片狀剝離。進入穩定破壞期，振鈴計數出現空白期，只有少量較小值甚至無振鈴計數。繼續加載試件進入全面崩塌期，計數出現激增后達到谷點，主巖爆發生。b=4、b=6加載時，試件在平靜期較長一段時間內，振鈴計數量值呈波動變化且處于較低水平。進入裂紋擴展期振鈴計數增多，

圖6 不同應力梯度下聲發射振鈴計數

計數值出現小突增后平靜再小突增，模型試件內部微裂紋擴展，試件損傷加劇。隨后經歷一段空白期，約200 s后振鈴計數突升至峰值，較前一次突升差值約600。

2.2.2 聲發射頻域特征

對加載階段的聲發射數據進行處理，得出峰值頻率-時間-幅度三維時頻演化關系，可直觀地展示聲發射信號的活躍程度與峰頻特征，如圖7所示。 低梯度作用時，在平靜期內聲發射事件數較少峰頻分布散亂，偶爾出現較高值，聲發射幅值低；進入片狀剝離期聲發射事件明顯增多，峰頻信號增多，如圖7(a)所示，同時聲發射幅值逐漸升高；進入穩定破壞期，聲發射事件出現較高值，隨后幅值繼續升高至峰值，趨勢性變化明顯，在加載結束后，峰值雖有下降但事件數仍較多。

由于梯度增大，試件達到整體損傷所用時間短，事件數相對少，且聲發射事件數集中在全面崩塌期，如圖7(b)所示。在較長的平靜期內，聲發射事件數均呈零星分布，峰頻信號與幅值分布均較為分散。進入裂紋擴展期，聲發射事件數出現轉折性變化，聲發射幅值與峰頻信號明顯增多，同時出現高峰頻信號，由于裂紋擴展所致的頻段區間變寬。在全面崩塌期，聲發射事件數明顯增加且峰值信號達到高峰頻，聲發射事件相對集中，聲發射事件聚集在破裂前后，且峰頻信號在此處分布區段最寬。

圖7 不同應力梯度下聲發射頻域演化特征

由圖6和圖7可見，低梯度應力加載在主破裂前出現多次破裂，能量積蓄過程中出現多次釋放，對聲發射影響時強時弱，表現為聲發射計數及頻域演化特征變化極不穩定；試件多次破壞有大量裂紋出現，聲發射輻射出現衰減，裂紋對聲發射輻射傳播產生阻礙[18]，導致聲發射計數破裂前期平靜期的出現。梯度越高所積蓄的能量越大[19]，高梯度應力加載中平靜期振鈴計數及聲發射頻域演化特征事件均較少，在全面崩塌期時積蓄的能量突然釋放，所以振鈴計數和峰值頻率出現突增。從能量角度進一步分析可知，b的大小影響巖爆能量釋放過程的時間分布，b越大能量越集中在巖爆前瞬間釋放。當加載至臨界值，模型發生破壞的瞬間，能量加速釋放特征明顯，聲發射振鈴曲線及聲發射頻域事件陡然升高，具有較強的臨界敏感性，表現出時間上非均勻性的特點，且隨著加載應力梯度系數b的增大，這一現象越來越明顯。

2.3 模型試件紅外輻射變化特征

2.3.1 試件紅外輻射溫度異常特征

為避免環境溫差對數據分析的影響，對4組試件加載全程進行最高溫度與環境溫度差值處理。圖8為試件在不同應力梯度下加載最高溫度-時間變化曲線圖。由于最高溫度-時間曲線變化主要捕獲時間特性，缺乏空間特性，結合熱像變化特征進行分析，使熱紅外變化特征在時空上得以統一。

圖8 不同應力梯度下加載過程最高溫度-時間曲線圖

對比圖8中b=4、b=6組模型試件加載過程中最高溫度-時間曲線可知，兩條曲線變化趨勢基本一致。平靜期溫度保持微小循環變化(±1℉)，裂紋擴展前最高溫度出現一次小突升，前后溫差5℉。之后最高溫度回歸平穩，繼續保持微小循環變化，直至破裂前溫度突然陡升，從44.2℉陡升至58.4℉，之后試件破裂，溫度差值為14.2℉。說明試件在高應力梯度下的紅外信息隨時間呈單峰跳躍突升型。

試件在梯度越高的環境下，積蓄的能量越大，高梯度應力試件在臨破前夕，巖體內部積蓄較多能量，其溫度變化較快，反映在最高溫度-時間曲線上為前期微小循環變化破裂前快速陡升，且高梯度加載下試件應力變化更復雜，單位時間內輻射溫度變化幅值更大，所以溫升值相比于低梯度加載要大。而在低梯度加載下，經過多次破裂，巖體內積聚的能量經過多次釋放再積聚，所以溫度變化曲線呈多峰抖動緩升型。由此可見，不同應力梯度作用下，最高溫度-時間曲線轉折變化類型不同，低梯度應力下的試件破壞曲線變化為多峰抖動緩升型，高梯度試件則為單峰跳躍突升型。

2.3.2 試件紅外輻射熱像異常分析

試件破裂前，在即將破裂區附近會出現紅外熱像異常，這種現象預示著試件內部能量在變化，但是紅外熱成像系統成像波長較長，存在噪聲大、對比度低、非均勻性大、空間分辨力差等缺陷[20]。為克服這些缺陷，通過Matlab對紅外圖像采用空間域-灰度級彩色變換法實現偽彩色增強。

圖9 空間域灰度級-彩色變換原理圖

1) 空間域灰度級-彩色變換

空間域方法是直接對像素進行操作的過程[21-22]，定義g(x,y)=Tf(x,y),T是對f的一種操作，其定義在(x,y)鄰域。鄰域為單個像素，進行點運算，如圖9所示。

2) 熱像裂紋擴展分析

根據裂紋沿最大能量釋放的方向擴展[23]，且剪切破裂過程中破裂面及巖體顆粒在正應力和剪應力作用下發生錯動摩擦，產生摩擦熱能，而張拉破裂不產生摩擦生熱效應[24]。因此剪切破裂導致相應位置的局部升溫帶出現，從而引起熱像異常變化，由此來預測裂紋開展和破裂發生區域，這對地下工程穩定性的評價和巖體破裂預測有實際意義。

圖10為b=0時采集的紅外熱像經過空間域灰度級-彩色變換處理后的圖像，加載12 000 s至3.5 MPa時，模型試件進入片狀剝離期，開始出現低溫區包裹高溫區的現象(如圖10(a)所示)，能量統一向上部聚集，出現高溫點聚集區。隨著加載的進行，上部高溫點不斷擴大且試件下部出現高溫點；兩部分高溫點聚集區擴大，隨后貫通成為高溫條帶(如圖10(b)所示)；繼續加載至第一次破裂，片狀碎塊掉落瞬間表面高溫點迅速消散，孕育下一次破裂。3.5 MPa繼續穩壓加載，試件進入穩定破壞期，在中間兩側出現高溫點聚集區(圖10(c))；繼續加載至5.0 MPa，兩高溫點聚集區貫通進入全面崩塌期，大量高溫碎塊掉落，試件裸露出內部大量的黑色極高溫點(如圖10(d))。

圖10 b=0試件加載過程熱像變化圖

圖11為b=6時，采集試件熱像圖經過處理后的圖像，試件加載在平靜期內，高溫點呈現多點零星散發狀態(如圖11(a))，零星散發的高溫點逐漸匯集至試件的中心線處，試件上部出現較多零星的高溫點(如圖11(b))，高溫點繼續擴展與上部高溫點貫通(如圖11(c))；加載至2.0 MPa時，進入裂紋擴展期能量向高溫聚集區匯集，出現黑色極高溫點；繼續加載至2.5 MPa，試件整體損傷加速，進入全面崩塌期試件破裂，大量巖塊噴射出來。相比b=0試件，b=6試件未經多次貫通破裂，表現為高溫點在短時間內聚集貫通后出現劇烈巖爆，且在整體損傷后未見巖體存在大量黑色極高溫點，而大部分以藍色較低溫區形式展現(如圖11(d))。由上可知，熱像異常變化與裂紋擴展和試件內部能量變化密切相關。

圖11 b=6試件加載過程熱像變化圖

3 巖爆孕育過程聲發射及紅外輻射時空演化特征產生機制

不同梯度應力下模型試件巖爆過程聲發射特征與紅外輻射時空演化特征與巖爆孕育、發生過程有良好的對應關系。聲發射現象主要與巖石內部裂紋萌生、擴展中所產生的能量有關，巖石紅外輻射的高低主要與巖石內部應力作用、裂隙發展的能量有關[25]。當巖體內部裂紋萌生、擴展使得聲發射信號越來越活躍，隨著裂紋的貫通和增多，摩擦作用越來越明顯，表現為紅外輻射溫度突然增加。圖12為聲發射振鈴計數、最高溫度-時間曲線、熱像時序分析。對比發現，不同應力梯度下巖爆孕育的不同階段在聲發射及紅外變化特征上具有不同的表現形式。

圖12 時序對比圖

1) 平靜期。此階段為能量聚集階段，高速攝像顯示模型試件無明顯變化。低梯度應力下最高紅外輻射溫度保持在±1.5℉循環變化，紅外熱像出現低溫區包裹高溫區，模型試件內裂隙閉合，裂隙內空氣排出使最高紅外輻射溫度下降，而彈性能的聚集導致圍巖局部溫度升高，最高紅外輻射溫度表現為循環變化，紅外熱像高低溫區域的不均勻分布，而應力梯度的不同導致模型試件受力狀態不同，紅外熱像存在差異；高梯度應力下溫度保持±1℉循環變化，裂紋擴展前最高溫度出現一次突升，零星散發的高溫點逐漸匯集至試件中心線。高梯度應力下聲發射計數呈波動變化且處于較小值，AE事件數均呈零星分布，峰頻信號與幅值分布均較為分散；低梯度應力作用下聲發射特征表現為振鈴計數值較小，聲發射頻域特征事件數較少峰頻分布散亂，偶爾出現較高值，聲發射幅值低，試件內微裂隙活動產生的聲發射現象較弱，但由于頂部壓頭擾動導致聲發射偶爾出現較高值。

2) 片狀剝離期。低梯度應力作用下，最高紅外輻射溫度特征表現為較多低溫點后快速上升，紅外熱像表現為上部高溫點聚集區與下部高溫點聚集區不斷擴大，隨后貫通成為高溫條帶；模型試件巖片剝離時，破裂面會發生錯動和摩擦，因而有摩擦熱效應產生，導致溫度快速上升且模型試件內部高溫區在摩擦熱效應作用下快速貫通。低梯度應力作用下聲發射有明顯的上下波動特征，相對前一階段明顯增大，聲發射頻域特征事件數明顯增多，峰頻信號開始增多；隨著巖片的剝離，試件內部裂隙活動劇烈從而導致聲發射信號強度相對增加。

3) 穩定破壞期。低梯度應力作用下模型試件出現多次破裂，碎塊掉落，臨近主巖爆發生，模型試件內部劇烈摩擦錯動，能量聚集至未來破裂處，導致最高紅外輻射溫度突升、熱像高溫點聚集以及聲發射頻域事件出現較高值，且趨勢性變化明顯。而隨著大量張性破裂產生，伴隨應力弱化及擴容現象應力發生松弛，同時大量裂紋的存在對聲發射信號傳播產生阻礙，導致聲發射振鈴計數出現空白期，只有少量較小值甚至無振鈴計數。

4) 裂紋擴展期。高梯度應力作用下試件表面出現“松針狀”裂紋，此試件仍處于能量聚集階段，裂隙間受力狀態進行復雜調整，能量逐漸轉移至較弱的未來破裂處，未來破裂面裂紋成核擴展。最高紅外輻射溫度穩定保持微小循環變化，紅外熱像出現黑色極高溫點。裂紋成核擴展在聲發射振鈴計數表現為計數增多，計數值出現小突增后平靜再小突增，聲發射頻域事件出現轉折性變化，AE幅值與峰頻信號明顯增多，同時出現高峰頻信號。

5) 全面崩塌期。低梯度應力作用下模型試件出現整體巖爆破壞，大部分片狀、板狀碎屑集中分布于卸載面附近，只有少量碎屑拋出。隨著模型試件多次破裂，模型試件內部能量經過多次釋放，紅外輻射溫度緩升，主巖爆發生時試件破裂面處裂紋擴展碎塊掉落，聲發射振鈴計數出現激增至谷點。低梯度應力下模型試件能量釋放緩慢，致使破裂后試件內部仍聚集大量的黑色極高溫點，聲發射頻域峰值雖有下降但事件數仍較多。高梯度應力下模型試件出現劇烈顆粒彈射，最遠距離達1.5 m，模型試件內部積蓄大量能量，試件破裂前最高紅外輻射溫度突然上升后試件破裂，此后最高溫度迅速降低，破裂后熱像未見巖體內部存在大量黑色極高溫點，大部分以藍色較低溫區形式展現。聲發射振鈴計數在空白期后突升至峰值，聲發射事件數增加且峰值信號達到較高峰頻，聲發射事件相對集中在破裂前后，且峰頻信號在此處分布區段最寬。

4 結論

本研究通過模型試件對不同梯度應力加載下的巖爆孕育過程進行研究，得出以下結論：

1) 模型試件均布加載、低梯度加載與高梯度應力下的巖爆孕育演化特征存在明顯差異。均布加載與小梯度應力加載下巖爆孕育可劃分為平靜期、片狀剝離期、穩定破壞期與全面崩塌期4個時期。高梯度應力加載下巖爆孕育可劃分為平靜期、裂紋擴展期、全面崩塌期3個時期。隨著模型加載應力梯度的增大，模型加載過程中能量累積段時間增加、耗散階段時間變短、能量釋放率變大，能量積累、耗散、釋放各個階段的差異是模型巖爆烈度隨加載應力梯度增強的原因。

2) 不同應力梯度下巖爆孕育的不同階段，在聲發射及紅外變化特征上具有不同的表現形式。其中低梯度應力下的穩定破壞期聲發射出現空白期前兆；高梯度應力下的裂紋擴展期出現聲發射小突增前兆，試件破裂前同樣出現空白期前兆且紅外熱像出現高溫點。可以利用聲發射及紅外聯合監測的手段，將聲發射突升及高溫點作為巖爆預警的判定指標。

3) 模型試件在不同梯度加載下呈現的聲發射特征與紅外溫度變化規律均有明顯差異。高梯度應力作用下，試件的紅外信息隨時間呈單峰跳躍突升型。而均布加載與低梯度加載下的紅外信息隨時間呈多峰抖動緩升型；高梯度應力作用下，模型試件振鈴計數呈“單峰型”突增波動特征。而均布加載與低梯度作用下，模型試件振鈴計數呈“多峰型”多次波動特征。