不同含水状态下花岗岩岩爆模拟声发射实验研究

李 健 张艳博 刘祥鑫 田宝柱

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

不同含水状态下花岗岩岩爆模拟声发射实验研究

李 健1,2张艳博1,2刘祥鑫1,2田宝柱1,2

(1.河北联合大学矿业工程学院，河北 唐山 063009；2.河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009)

采用双轴伺服控制系统开展自然和饱和状态下的花岗岩岩爆模拟实验，同时采用美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射系统监测并采集声发射数据，研究了水对巷道岩爆的影响。研究结果表明：含水的区别对应着不同的花岗岩岩爆实验中的声发射特性；饱和花岗岩比自然状态花岗岩颗粒弹射时间滞后；自然和饱和花岗岩均在轴向载荷达到峰值荷载的65%～80%时声发射事件进入平静期，自然状态下花岗岩的声发射事件率平静期比饱和状态下平静期稍长；饱和花岗岩岩样的声发射平均事件率要比自然状态下高，而且高声发射事件率持续时间较长，自然状态花岗岩较大声发射能率出现时间滞后于饱和花岗岩；花岗岩岩爆过程中声发射事件率与能率变化规律呈现此消彼长的特点；自然状态花岗岩出现初始损伤的时间滞后于饱和花岗岩。

不同含水状态 岩爆 声发射 损伤力学

岩爆是在高地应力条件下，地下工程开挖过程中硬脆性围岩因开挖卸荷导致应力重新分布，从而使储存于岩体中的弹性应变能突然释放,产生爆裂、松脱、颗粒弹射甚至抛掷等破坏现象的一种动力灾害[1]。随着我国浅部资源逐渐枯竭，许多矿山进入深部开采，而深部岩体处于三向原岩高应力平衡状态，巷道开挖卸载后，岩体内原有的应力平衡状态被打破，由此引起应力重分布，巷道壁面区域由原来的三向受力状态变为双向受力状态，局部产生应力集中。这种应力状态的变化必然会导致巷道围岩产生破裂活动，进而引发岩爆灾害，直接威胁施工人员和设备的安全，给生产造成巨大的损失。

岩爆问题已受到世界各国相关学者的广泛关注，许多学者对岩爆的发生开展了大量的研究工作。文献[2]从构造应力和能量的角度出发,分析了硬脆性巷道围岩产生岩爆时应具备的应力条件和能量条件，并研究了岩体弹性能分布特征。文献[3-4]基于饱水岩石的静态和动态破坏特征，从围岩效应、能量原理等角度探讨了水对岩爆预防的静力学与动力学机制。文献[5]对开圆孔的大理岩岩样进行双向加载，模拟了含水与干燥情况下的大理岩岩爆过程。张志强等[6-7]对大量硬岩矿山岩爆实例进行调查分析，发现涌水的洞段较少发生岩爆，无水干燥的岩石容易发生岩爆；张镜剑等[8]指出对洞壁围岩喷射高压水或钻孔注水能够有效防治岩爆。综合大量工程实例发现，在金属矿开采以及水电站建设中都有在花岗岩岩体中施工的工程，因工程开挖岩体应力状态发生改变，岩石发生变形，当达到其弹性限度时，岩体中积聚的能量迅速释放，从而容易发生岩爆灾害。

深部巷道围岩所处环境复杂，岩爆的影响因素很多，综合大量岩爆实例发现，岩性、地质构造、地下水等因素对岩爆产生较大影响。基于此，本研究选取花岗岩进行巷道岩爆模拟实验，研究了水对花岗岩岩爆过程中声发射特征的影响，得到了一些规律性的结论。

1 岩爆模拟实验

1.1 试样制备

实验所用花岗岩岩样选取未风化岩石，按照国际岩石力学试验规范加工成尺寸为150 mm×150 mm×75 mm的长方体，正对中心钻直径31 mm圆孔，试件两端面不平行度控制在0.02 mm以内。试件考虑了自然和饱和2种状态，根据岩石力学试验规程，试件具体处理如下：

(1)自然状态花岗岩(ZRHG)在室温下自然干燥。

(2)饱和岩样(BHHG)：试样放入水槽中，先注水至试样高度的1/4，以后每隔2 h分别注水至试样高度的1/2和3/4处，6 h后全部浸没试样，试样在水中浸泡48 h(如图1)。

图1 岩样浸泡过程

1.2 实验设备

实验主要设备有：RLW-3000微机控制伺服压力机、美国物理声学公司生产的PCI-2型全数字化声发射系统。声发射探头与岩壁之间用凡士林耦合，并用橡皮条将其固定在岩石的临近孔洞位置。

1.3 实验方案

本实验主要模拟围岩壁面附近的实际岩爆应力状态，巷道开挖后，围岩表面处区域近似双向受载状态，因此加载方式选择双轴加载，侧向压力采用力控制方式加载到90 kN保持不变，轴向采用位移控制方式加载，轴向压力以0.3 mm/min速率加载至岩样发生岩爆破坏。实验过程中，保持加载系统与声发射监测同步。

2 实验结果分析

2.1 巷道岩爆模拟实验分析

从巷道岩爆模拟实验发现，自然和饱和状态花岗岩都有明显的岩片弹射、片状剥落等岩爆现象发生。加载初期孔洞周围没有明显现象，当轴向载荷加载到一定程度，孔口处左右两侧表面开始出现细小的颗粒弹射。继续加载，孔洞内也开始出现颗粒弹射现象，继而发展为剧烈的碎片弹射、片状剥离，不断有岩块崩落，伴有清脆的爆裂声音，破裂位置由孔口左右两侧表面沿孔轴方向往孔内延伸，孔洞内壁两侧逐渐出现明显的贯通裂缝。达到极限荷载时，试件围绕孔洞出现大面积崩落，孔洞严重变形，岩样突然失稳破坏。从实验现象看(如图2)，岩爆过程可以分为平静期、颗粒弹射、片状剥离和全面崩塌4个阶段，与文献[9]研究结果一致。

图2 自然花岗岩岩爆过程

实验中发现，饱和花岗岩岩爆剧烈程度比自然状态花岗岩有所减弱，而自然花岗岩孔洞内岩屑弹射速度更快、更为猛烈，孔洞内呈现烟雾状，弹射距离也较远。饱和花岗岩由于水的软化作用，削弱了颗粒间黏结力，岩石强度降低，弹性模量减小(见表1)，储存弹性能的能力下降，岩爆瞬间释放的能量减少，因此发生岩爆的剧烈程度有所减弱。表明水可以在一定程度上降低岩石岩爆的剧烈程度。

表1 自然和饱和花岗岩弹性模量Table 1 The elastic modulus of natural and saturated granites

由图3可见，自然花岗岩破坏后的碎片更为粉碎，而饱和花岗岩是大块度的剥落，原因在于岩爆是能量瞬间释放而破坏的过程，自然花岗岩弹性模量较大，积聚应变能能力强，则破坏瞬间释放的能量较多，因此发生岩爆后的碎片更为粉碎。

图3 饱和和自然状态花岗岩破坏形态

分析表2中数据可见，饱和花岗岩颗粒弹射时间存在滞后现象。自然状态花岗岩在时间为加载至峰值历时的79%～85%时，孔洞内开始弹射岩屑。饱和花岗岩在时间为加载至峰值历时的87%～94%时，孔洞内出现颗粒弹射，孔壁两侧有碎片崩出的岩爆现象。这是由于水的侵入，导致岩石强度降低，弹性模量降低，储存弹性能的能力下降，以塑性变形方式消耗能量的能力增加，短时间内难以积聚发生岩爆的大能量，因此颗粒弹射时间较晚。

表2 自然和饱和花岗岩岩爆时间Table 2 The time of rock burst with natural and saturated granites

2.2 岩爆过程中声发射特性

岩样破坏过程中声发射特征与花岗岩内部损伤裂隙扩展密切相关，岩石声发射事件率和能率是反映岩石破坏的重要参数。根据试验结果，选取声发射事件率、能率为参量，绘制了自然与饱和状态下花岗岩载荷-时间、AE事件率-时间曲线如图4，声发射能率-时间曲线如图5。

由图4(a)～图4(f)中可以看出，花岗岩在自然和饱和状态下的声发射事件率变化规律大致相似，声发射主要集中出现在加载至峰值历时的10%～80%时段内，并不断波动。岩样表现出初始声发射较早、声发射频度高的群发性特征，这与花岗岩的物质组成以及内部结构有一定联系，花岗岩试件主要由长石、石英、角闪石等矿物组成，由于各类矿物自身强度性质的差异和颗粒间结晶联接的不均匀性以及结构内部存在的天然缺陷，致使花岗岩对应力作用敏感，在载荷作用下裂纹扩展活跃，表现为声发射活动比较丰富。

对比图4发现，饱和花岗岩的声发射平均事件率要比自然状态花岗岩高，高声发射事件率持续时间较长。说明由于水对岩石的物理化学作用，使得花岗岩物理力学特性发生变化，晶体颗粒强度及晶体颗粒间黏结力降低，易于裂隙的产生和扩展，该期间声发射活动更为丰富。部分自然和饱和花岗岩声发射事件平静期见表3。

表3 自然和饱和花岗岩声发射事件平静期Table 3 Quiet period of AE events of natural and saturated granites

当轴向载荷加载到峰值荷载的65%～80%时，声发射事件进入平静期(见图4)。主要是由于岩石破坏前内部大量裂纹集结，并逐渐形成贯通性破裂面，造成较大阻力区，岩石变形时所产生的能量主要耗散于破裂面的剪切滑动，使声发射信号严重衰减。因此出现声发射平静期，此时岩样孔洞附近开始弹射细小岩屑，因此声发射事件率出现平静期的起点可作为岩爆发生的前兆特征。对比图4中(a)与图4(b)、图4(c)与图4(d)、图4(e)与图4(f)并结合表3发现，饱和状态下花岗岩的声发射平静期比自然状态下花岗岩平静期稍短。原因在于水的影响使颗粒间黏结力降低，岩石变得松散脆弱，声发射信号较容易穿过较小阻力区，只有遇到较大阻力区时才被阻住，进而出现声发射平静期。因此饱和花岗岩平静期较短。

图4 花岗岩载荷-时间、AE事件率-时间曲线

图5 花岗岩声发射能率-时间曲线

声发射能率的大小代表了岩石损伤过程中单位时间内释放能量的多少，是一个反映岩石声发射信号能量强弱的参数。由图5可见，花岗岩声发射能率前期维持在较低而平稳的状态，岩样处于储能阶段；在大破裂前能量突然释放，声发射能率急剧增加。由图5对比发现，自然状态花岗岩较大声发射能率出现时间滞后于饱和花岗岩。饱和花岗岩主要是由于水的侵入，使晶体内黏结力降低，加上水对岩石的化学腐蚀损伤效应，岩石将变得松散脆弱，岩石强度降低，裂隙更容易扩展、贯通，造成饱和岩样在较短时间内失去承载力而发生破坏，因此大能率事件出现较早。

分析图6和图7可见，花岗岩岩爆过程中声发射事件率与能率表现出此消彼长的特征：前期声发射事件率较大并处于活跃期时，声发射能率处于低而稳定的状态；破坏前声发射事件率下降并进入平静期时，岩石内部积聚的能量迅速释放,声发射能率急剧上升，在破坏时达到最大。由于花岗岩属于脆性岩石，弹性模量大，储存弹性应变能的能力较强，岩爆倾向性较强。在破坏前期，岩石主要处在微裂隙产生、扩展阶段，有大量的声发射事件产生，并储存了较多的弹性应变能，为储存能量的岩爆孕育过程；在破坏瞬间能量突然大量释放，声发射能率急剧升高。表明岩爆孕育过程中产生了大量的小能率声发射事件，而破坏前产生少量的大能率事件，能量突然释放。因此当出现少量的大能率事件时，可以推断即将发生岩爆。

图6 花岗岩声发射能率-事件率相关

图7 花岗岩声发射事件率、能率-时间关系

2.3 岩爆过程中损伤力学分析

在外载荷作用下，由于细观结构层次的微小缺陷发展致使材料或结构的劣化过程称为损伤。岩石破坏过程实际上是其内部微裂纹的损伤演化过程，随着荷载的增加，微裂纹不断地孕育、扩展和贯通，最后导致岩石破坏。其损伤过程中，声发射事件主要是源于岩石内部裂纹的扩展及晶粒滑移破坏。因此，利用岩石声发射特征可以研究其损伤破坏过程。

假设岩石材料服从Weibull分布，用声发射事件数来表示岩石损伤程度，根据连续介质损伤力学[10-13]，此时损伤变量表示为

(1)

(2)

式中，N为声发射累计事件数；N0为声发射事件总数；m为形状参数；E为弹性模量；σp为峰值应力；εp为峰值应力对应的应变。

由式(1)并结合试验数据得到声发射累积数-时间、损伤变量-时间关系曲线如图8，可以发现，声发射与岩石内部损伤有直接的一致对应关系，声发射累积数就直接对应着岩石不同的损伤状态，损伤变量代表了岩石内部损伤的累积，新的损伤的产生一定伴随着声发射的发生。初始阶段，声发射累积数较小，损伤较低，随着AE累积数的增加，损伤变量随时间近似线性增长；临近破坏，损伤变量曲线变化趋势逐渐放缓，表明在破裂瞬间不一定是产生大破裂，也可能是岩石内部多处裂纹贯通，形成一条影响岩石强度的宏观裂纹。

图8 自然花岗岩ZRHG-1损伤变量-时间、AE累计事件数-时间曲线

试验过程中，830 s左右，孔口处左右两侧开始掉落碎屑，继而出现小碎片弹射，AE能率开始小幅度增加，损伤曲线逐渐变缓，损伤变量增长速度开始降低(见图9)；随着岩石内部损伤程度的增加，岩石强度逐步衰减，1 100 s时，岩样内裂隙贯通，沿孔洞内壁左右两侧形成垂直于加载方向的贯通裂缝，同时孔洞内碎片弹射更加剧烈，岩石内储存的弹性应变能迅速释放，表现为AE能率急剧增加，损伤曲线趋于水平，岩石内部损伤达到最大，损伤变量稳定于某一值。

图9 自然花岗岩ZRHG-2损伤变量-时间、AE能率-时间曲线

对比图10中不同含水状态下花岗岩损伤变量-时间曲线发现，饱和花岗岩损伤值突增点出现较早，自然花岗岩初始损伤滞后于饱和花岗岩。已有研究[14-17]表明，水能使岩石亚临界裂纹扩展的门槛值有较大幅度的降低，能加速岩石内部裂纹的扩展。由于水的影响，饱和花岗岩亚临界裂纹扩展的门槛值降低，裂纹扩展加速，内部较早出现损伤。

图10 不同含水状态下花岗岩损伤变量-时间曲线

3 结 论

(1)自然状态花岗岩破坏后的碎片比饱和花岗岩更为粉碎，饱和花岗岩比自然状态花岗岩颗粒弹射时间滞后。

(2)轴向载荷达到峰值荷载的65%～80%时，声发射事件进入平静期，且自然状态下花岗岩的声发射平静期比饱和状态下平静期稍长。声发射事件率出现平静期的起点可作为岩爆发生的前兆特征。

(3)饱和花岗岩的声发射平均事件率要比自然状态花岗岩高，高声发射事件率持续时间较长，自然状态花岗岩较大声发射能率出现时间滞后于饱和花岗岩，说明水对花岗岩的声发射活动具有一定影响。

(4)花岗岩岩爆过程中声发射事件率与能率变化规律表现出此消彼长的特征：前期声发射事件率较大并处于活跃期，声发射能率处于低而稳定的状态；破坏时声发射事件率下降并进入平静期，能量突然大量释放,声发射能率急剧上升。当出现少量的大能率事件时，可以推断即将发生岩爆。

(5)声发射与岩石内部损伤具有一致对应关系，新的损伤的产生一定伴随着声发射的发生，损伤变量可以表征岩石内部的损伤。自然状态花岗岩出现初始损伤的时间滞后于饱和花岗岩。

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(责任编辑 石海林)

Experimental Study of Simulated Acoustic Emission of Granites Rock Burst under Different Moisture State

Li Jian1,2Zhang Yanbo1,2Liu Xiangxin1,2Tian Baozhu1,2

(1．CollegeOfMiningEngineering，HebeiUnitedUniversity,Tangshan063009，China;2.HebeiProvinceKeyLaboratoryofMiningDevelopmentandSafetyTechnique,Tangshan063009，China)

An experiment is carried out to simulate granites rock burst under natural and saturated state with biaxial rigid servo-controlled system.The PCI-2 acoustic emission system produced by American Physical Acoustics Corporation is used to collect data of the acoustic emission synchronously.Then，the influence of water on tunnel rock burst is studied.It is found that the granite samples with different moisture contents show different acoustic emission characteristics in the process of rock burst.The saturated granites eject rock debris later than the natural granites.The acoustic emission of natural and saturated granites comes into quiet period when the axial load reaches 65%～80% of the peak load and the quiet period with natural granites is longer than that with saturated granites.The average acoustic emission events rate of saturated granites is higher and the duration of high acoustic emission events rate is longer than that with natural granites.The high acoustic emission energy rate of natural granites appears after that of saturated granites.The acoustic emission events rate and energy rate present trading off and taking turns in the process of granite rock burst.The initial damage of natural granites occurs after that of saturated granites.

Different moisture state，Rock burst，Acoustic emission，Damage mechanics

2013-12-21

国家自然科学基金项目(编号:51374088，51174071)，河北省自然科学基金项目(编号：E2012209047)。

李 健(1989—)，女，硕士研究生。

P618.11，TE112

A

1001-1250(2014)-04-053-07