基于聲發射指標的常規卸壓機制分析與預測信度應用

姜海濤,劉明淳,蔣加森,羅月明,蘇德垠

(福建巖土工程勘察研究院有限公司)

引 言

根據權威機構預測,在未來相當一段時間內,深部礦產資源仍然是中國的主要消耗能源。高地溫、強擾動與涌水加劇等問題致使深部資源安全開發面臨更為嚴峻的挑戰,極易引起強礦震、巖爆及沖擊地壓等動力學事故[1-5]。以煤炭為例,近年來,山東龍鄆煤業、吉林龍家堡煤礦及山東新巨龍煤礦等發生的沖擊事故[6-8]造成了嚴重的經濟損失和社會影響。

針對深部巖石力學特性與破壞特征的研究方法與手段目前可分為宏觀與細觀2個方面。宏觀方面包括聲發射定位、超聲波橫/縱波損傷測試、巴西劈裂試驗、剪切試驗、單軸三軸壓縮試驗及動載沖擊試驗等。細觀方面包括SEM電鏡掃描、X射線衍射(XRD)巖石礦物成分分析、CT核磁孔隙掃描、壓汞測試等。隨著研究的深入,巖石能量理論備受關注。謝和平等[9]從宏-細-微觀力學角度系統總結了巖石損傷演化和能量耗散過程。孟慶彬等[10]試驗探究了三軸圍壓條件下礦巖能量演化特征。秦濤等[11]開展了三軸條件下砂巖壓縮試驗,總結了其能量演化過程。蔣長寶等[12]通過不同圍壓下三軸變上下限等幅循環加承載試驗研究了頁巖的變形特征與能量演化機制。

世界各國學者在動力災害的探索上,對沖擊地壓情況進行了大量的研究,并且在各方面都有了相應的進展,包括沖擊地壓危險性相關評價、出現的原理、防治手段及監測預警相關技術等,但還是無法從本質上做到對問題的防治及預測。在開采過程中還是會一直出現沖擊地壓相關問題,同時也無法實施相應的控制措施,在開采深度越來越大的情況下,地質方面出現的災害也越來越多,并且還具備了廣泛性和突出性,也愈發嚴重。因此,關于礦井的深部開采方面,要根據地壓沖擊的實際情況進一步實施危險性評價,還需要探索對于災害的各類防治技術,投入更多科研力量來開展工作。

就沖擊地壓進行分析,其表示的是沖擊地壓出現的一個物理過程,對應的判斷標準就是形成沖擊的充分必要條件。就“礦體-圍巖”這個系統對應的力學平衡被打破從而釋放出的能量方面進行研究,并在該認識的基礎上,結合關于沖擊地壓探索相關的傳統性相關強度理論,以及沖擊是因為積聚的能量快速釋放造成的這個新理論,對失穩、能量、沖擊傾向及強度相關理論展開了詳細的介紹,也提出了這方面的數學模型以供參考。

20世紀60年代,COOK[13]表示在試件具備更大剛度的情況下,其可能會出現不穩定的、突發的脆性相關破壞,這是在眾多剛性壓力相關試驗的基礎上提出來的,也是剛性理論的初始形態。基于此,20世紀70年代Black等表示,沖擊地壓的出現只存在于礦山結構剛度比對應的荷載更大的情況下[14]。就剛度理論而言,它非常簡單,并且能夠讓大家對沖擊有更加直觀的了解,不過針對礦山具備的剛度結構及荷載方面怎樣界定,還尚未給出相應的描述,因此具備比較大的限制性。FENG[15]研究了飽和砂巖循環加承載作用下巖石力學性質的變化,得到了飽和砂巖的強度降低特征,峰值強度與損傷程度、裂紋損傷應力與損傷程度之間存在指數函數關系。

上述研究多探討了自然狀態巖石的力學及聲發射特性,針對自然與飽水狀態礦巖在加載作用下力學和聲發射特征與能量指標評估差異研究較少。 因此,為解決現有的沖擊地壓防治措施廣泛依賴于人工經驗的問題,明確具體的卸壓機制,在室內實驗室,通過改變試樣的含水程度模擬現場注水卸壓工程,通過構建分源監測與防治方案、現場評估,預期得到較好的效果。本文的相關探索可以指導開采工作面沖擊地壓的防治工作,對其他沖擊地壓預防治理工作也有借鑒意義。

1 試驗方案

1.1 試樣制備

本試驗從某礦山井下回采工作面采集未受擾動的完整礦巖,為保證其自然含水狀態及完整性,先用保鮮膜密封包裹,再使用木架加固,安全運送至實驗室進行加工取樣,嚴格遵守巖石力學試驗要求,制備邊長為50 mm的標準立方體。

在室內實驗室,通過改變礦巖的含水程度模擬現場注水卸壓工程,并分析其對礦巖力學性質的改變規律,因此設計改變浸泡時間來達到不同的含水程度(如表1所示)。

表1 不同浸泡時間礦巖的含水程度

1.2 試驗設備與方法

本次試驗中單軸抗壓強度測定采用SAS-2000型巖石力學加載系統,該設備可以同時監測軸向和徑向應變,同時搭載多通道聲發射系統對礦巖中產生的聲發射現象進行監測,試驗系統如圖1所示。所有設備均需要確保時間同步,加載速率恒定為0.2 kN/s。

圖1 試驗系統

2 承載礦巖力學特性

2.1 承載礦巖力學參數

本次試驗分別對不同卸壓措施下礦巖進行單軸壓縮試驗,礦巖力學參數測試主要包括常規單軸壓縮條件下礦巖試件強度、彈性模量等力學參數的測試。通過對礦巖力學參數測試,為詳細分析不同卸壓措施下的承載巖體力學響應機制提供數據支撐。對其力學參數進行處理并統計,結果如表2所示。

表2 不同浸泡時間礦巖的力學參數

2.2 承載礦巖應力-應變曲線

不同含水狀態礦巖應力-應變曲線如圖2所示。

圖2 不同含水狀態礦巖應力-應變曲線

由圖2可以看出:對比自然和飽水狀態礦巖,雖然其應力-應變曲線趨勢相同,但在屈服階段略有差異。自然狀態礦巖在屈服階段隨應變的增大應力持續增加,當應力值達到屈服極限強度時,試件并沒有立即破壞,而是表現為隨應變的增加應力突降后再增大。現場觀察到試件產生裂隙后仍在承載,只是表現為外層先破壞脫落,有類似“片幫現象”,繼續加載,試樣沿著裂隙產生破壞面直至試驗結束;飽水狀態礦巖的屈服階段較短,試樣在達到極限強度后立即破壞。

自然狀態礦巖的破壞模式以拉伸破壞為主,伴隨著其自身微裂紋,出現少量剪切滑移裂紋,整體破碎塊度較大,承載后試件較完整;而飽水狀態礦巖表現為貫通劈裂剪切型破壞,其內部呈現典型的“X”狀共軛剪切破壞面,表面有小塊崩落,試件整體破碎程度較高。

3 承載礦巖破壞過程能量指標評估

3.1 能量理論

以單軸壓縮試驗為例,礦巖受壓過程中忽略巖石與壓力機接觸面摩擦等能量消耗,可近似認為壓力機對礦巖所做的功全部被礦巖吸收,記為總應變能U。由于巖石是個彈塑性體,其中一部分應變能將以彈性應變能(Ue)的形式儲存在巖石內部,剩余部分應變能記為耗散應變能(Ud),Ud的耗散形式包括巖石內部摩擦轉化的內能、巖石破裂伴隨的聲能與動能等,而在巖石受壓破壞過程中Ue與Ud可以相互轉換。

庫克等在20世紀60年代中期提出了一個表述沖擊地壓誘發的能量理論。研究表明:采礦是造成沖擊地壓的最本質原因,其產生的緣由是,打破了圍巖體系在力學方面的平衡之后,消耗的能量比釋放的能量小得多。但是,關于沖擊因素在時空作用背景中的實際情況還沒有清晰的認識,而關于沖擊地壓原理方面,通過能量轉化作為切入角進行研究是里程碑式的進步,有較大的推動作用。

3.2 全過程能量分布特征規律

不同含水狀態礦巖單軸條件下能量評估規律如圖3所示。

圖3 不同含水狀態礦巖單軸條件下能量評估規律

由于水具有一定的不可壓縮性,具備一定的強度,干擾了承載礦巖儲能過程,最終影響了耗散應變能的突變。

3.3 聲發射參數反演能量規律

礦巖在單軸加載過程中會伴隨聲發射信號的產生,通過對上升計數和能量參數的分析,揭示加載全過程礦巖的聲發射演化規律及微觀破壞特征,對比自然及飽水狀態礦巖的聲發射特征差異。在礦巖單軸壓縮試驗中搭載聲發射監測系統,在試驗開始前,因AE探頭靈敏度較高,在AE傳感器和礦巖接觸面涂抹一層耦合劑(凡士林)用于信息的無損采集,將2個AE傳感器固定在試件中部,調整控制系統和聲發射監測系統的時間同步,開始試驗并采集全過程聲發射信號直至試件破壞。不同含水狀態礦巖單軸條件下聲發射振鈴計數如圖4所示,累積振鈴計數關系曲線如圖5所示。

圖4 不同含水狀態礦巖單軸條件下聲發射振鈴計數

圖5 累積振鈴計數關系曲線

自然及飽水狀態礦巖試樣的聲發射特征差別不大,各試樣在達到峰值載荷前聲發射計數顯著增長,同時累積上升計數和累積能量也劇增,這是因為試樣破壞時內部裂隙持續發育,彈性階段試樣中儲存的彈性能持續釋放。同時,自然和飽水狀態礦巖試樣在細節上又有所差異,飽水狀態礦巖試樣的累積上升計數和累積能量總體低于自然狀態礦巖試樣。通過統計計算,自然狀態礦巖試樣低振幅事件(40～45 dB)占總事件的76.43 %、72.58 %,飽水狀態礦巖試樣占比分別為66.89 %、61.33 %,更加驗證了水對微弱聲發射信號的吸收抑制作用。為了定量化描述加載和承載階段的聲發射特征,將自然狀態礦巖試樣各個階段的振鈴計數、能量和幅度進行統計分析,得到各個時刻聲發射特征的均值、眾數、最小值。各時刻振鈴計數的眾數和最小值都為1;能量的最小值和眾數均小于0.1;振幅的最小值為40.1,眾數均小于43。這表明,無論是在加載階段還是在承載階段,礦巖的損傷是一個漸進過程,以小能量的微破裂為主,當內部微裂紋發育到一定階段,裂紋會出現貫通進而導致大的破裂產生,聲發射表現為較為劇烈和高水平的信號特征。

振鈴計數均值反映的是礦巖在各分級加載階段內部裂隙發育速率和損傷演化快慢的總體水平。振鈴計數均值在加載階段,呈波動式上升變化,在第一次加載期間,振鈴計數均值很低。振鈴計數的最大值反映的是礦巖裂隙發育的劇烈程度,從振鈴計數的最大值變化曲線可以看出,各分級加載階段的最大值呈曲線上升趨勢,說明應力的水平對礦巖內部裂隙具有較大的影響作用,加載應力越靠近峰值強度,越容易產生大而劇烈的裂隙發育,聲發射振鈴計數表現為最大值迅速增加且位于較高水平。

聲發射能量反映礦巖內部活動的劇烈程度,礦巖出現大的破壞往往伴隨著大能量事件。加載階段聲發射能量均值呈雙峰值變化,分級應力水平較低時,聲發射能量均值較小,在第二次加載階段聲發射能量均值達到前4次加載的峰值,在最后一加載至破壞階段又達到峰值。這說明,在分級加載作用下,內部破壞的劇烈程度并不是隨著分級應力增加而呈線性增加,而是大而劇烈的破壞交互出現。而在各承載階段聲發射能量均值呈波動上升,這與加載階段聲發射能量均值變化有所不同,這是因為在承載階段不產生新的大的損傷,分級應力承載起始值越高,裂隙閉合越復雜,聲發射能量也相對較高。聲發射能量的最大值變化曲線更能說明上述規律。從聲發射能量的變化可以看出,巖石的破壞過程是內部能量不斷積累和釋放的過程。當內部能量積累到一定程度超過礦巖局部強度時,礦巖內部會因為裂隙的擴展貫通而出現破壞,破壞是一個釋放能量的過程,當一個大而劇烈的破壞完成后,能量又繼續在小微裂隙擴展發育過程中繼續積累,直到完成下一個大而劇烈的破壞。

4 破壞前兆判別易失效原因分析

根據應力-應變全過程的階段趨勢,可以得出,精細化計算出屈服破壞階段是實驗室尺度下精準預測承載礦巖破壞的必要條件。國內其他學者,對大量巖石做了能量演化全過程曲線,并且得到了較為一致的判別條件,即耗散應變能處于穩定波動或快速下降區間,意味著巖石進入屈服破壞階段,并通過識別該區域內的其他敏感參數信號,嘗試對其進行準確的預警。

由于礦巖特殊的結構,可以明顯發現,就注水卸壓狀態下,自然和飽水狀態下均能滿足條件,而干燥狀態下不滿足條件,即無法準確拾取孕災前兆信號,最終無法準確預測礦巖破壞,而實驗室尺度下自然狀態礦巖為取樣后在空氣中吸附后的狀態,而井下深部工作面附近的礦巖因孔隙-裂隙發育和自重或開采擾動的影響,往往趨近于含水較低,因而預測和防治均有一定的困難,這對合理控制注水卸壓的參數影響較大。此外,根據分析結果,孔洞卸壓狀態而言,卸壓措施很好地增大了礦巖的沖擊傾向性,并在人為構造弱面進行快速釋放,需要注意快速釋放過程中形成的動載及應力動態調整過程中的大變形,因此合理確定鉆孔參數極其重要。

5 結 論

針對于沖擊地壓預測的難題,為了明確具體的卸壓機制,在室內實驗室,通過改變礦巖的含水程度模擬現場注水卸壓工程,并分析其對礦巖力學性質的改變規律。得到了以下結論:

1)常規卸壓措施均滿足沖擊地壓的防治理念;梳理了現有預警手段的適用條件及預警最佳狀態,解釋了預警失效的外部環境。

2)由于礦巖特殊的結構,就注水卸壓狀態下,自然和飽水狀態下均能滿足條件,而干燥狀態下不滿足條件,即無法準確拾取孕災前兆信號,最終無法準確預測礦巖破壞。

3)井下深部工作面附近的礦巖因孔隙-裂隙發育和自重或開采擾動的影響,往往趨近于含水較低,因而預測和防治均有一定的困難,這對合理控制注水卸壓的參數影響較大。分析結果可為提高沖擊地壓的預警準確性提供理論依據。