不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

于光远，张艳博，梁　鹏，田宝柱，刘祥鑫

(1.华北理工大学矿业工程学院，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)

不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

于光远1，2，张艳博1，2，梁鹏1，2，田宝柱1，2，刘祥鑫1，2

(1.华北理工大学矿业工程学院，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)

摘要：利用双轴伺服控制试验系统开展开挖卸荷扰动作用下花岗岩巷道岩爆模拟实验，采用声发射系统同步采集岩爆孕育及发生过程的声发射数据，研究不同侧压影响下花岗岩巷道岩爆声发射特征。研究结果表明：双轴条件下，轴压与侧压差值越大，开挖引起的卸荷作用越明显，孔洞内出现初次颗粒弹射的时间越提前；随着侧压的升高，岩爆释放的总能量逐渐增加，声发射累积能量进入“陡增”阶段的时间则相对滞后；声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生阶段孔洞内应力调整过程，随着侧压的增加，振铃计数率在加载后期的波动模式逐渐由“较低水平波动并出现一定数量跳增点”向“较高水平波动并出现一定数量突降点”转化；结合声发射RA值和AF值可知，巷道岩爆过程即产生张拉破裂又产生剪切破裂，随着侧压的增大，岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增多。研究结果为岩爆的预测和防治提供了实验基础。

关键词：侧压；卸荷；岩爆；声发射

岩爆是在高地应力条件下，由于地下工程的开挖扰动，导致岩体中应力重新分布，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]。近年来，许多矿山已相继进入深部开采，一些区段长、超大埋深地下硐室工程也逐渐被提上日程，岩爆发生的概率大大提高[2]。岩爆的发生往往造成设备的损坏和采掘空间的变形，严重时造成人员伤亡以及井巷的损坏，直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，已成为世界性的地下工程难题之一[3]。

岩石在外力作用下裂纹扩展时会产生声发射，岩石声发射特征可以反映岩石在受力过程中裂隙发展情况、岩石内部应力状态变化和岩石损伤破坏情况[4-5]。对于岩爆的声发射特性，学者们进行了广泛的实验研究。杨健等进行了岩爆机理的声发射实验研究，认为采用声发射技术追踪岩爆的产生和发展过程是进行岩爆机理研究的科学有效方法[6]；苗金丽等开展了三轴条件下单面突然卸载应变岩爆实验，并分析了其声发射特征和微观断裂机制[7]；袁子清等通过开展单轴压缩条件下岩爆模拟声发射试验，得到了有岩爆倾向性岩石加载和破坏全过程的声发射演化特征[8]；李长洪等建立了声发射参数的灰色尖点突变模型，并利用建立的模型和实验中的声发射参数对某矿岩爆进行了预测，得到了巷道发生岩爆的声发射参数临界值，为声发射应用于岩爆预测提供了实验基础[9]。

不同施工部位，工程岩体所处的水平应力不同，岩爆发生的程度也不同，因此研究不同侧压条件下巷道岩爆发生规律具有重要意义。开挖是一切工程建设的前提，工程岩体能否发生岩爆与开挖所产生的卸荷效应密切相关[10]。因此对于岩爆的室内模拟实验，应当充分考虑开挖导致的卸荷效应，这样才与工程实际符合度更高。

基于此，本文选用具有岩爆倾向性的花岗岩作为实验对象，开展开挖卸荷扰动下的巷道岩爆模拟实验，并采用声发射系统进行同步采集，着重研究不同侧压条件下巷道岩爆过程声发射特征，以期为工程实践提供参考与指导。

1岩爆模拟实验

1.1实验试样及设备

实验选用花岗岩，按照国际岩石力学试验规范加工成尺寸为150mm×150mm×150mm的立方体，试件两端面不平行度控制在0.02mm以内，在正对的两面中心钻直径45mm贯通圆孔，孔洞内采 用由膨胀水泥、石英砂和减水剂等混合而成的充填料充填，并养护3天。

要求充填料力学性质满足如下要求：①弹性模量和强度尽量接近花岗岩试样；②具有微膨胀性以保证与孔洞内壁接触良好。经过单轴实验测得花岗岩充填料应力-应变曲线，见图1。由图1可知充填料满足实验要求。

实验主要设备有：RLW-3000微机控制伺服压力机，同时采用美国物理声学公司生产的PCI-2型声发射系统全程监测。声发射探头与岩石表面之间用凡士林耦合。

图1花岗岩和充填料应力-应变曲线

1.2加载方式

首先以1000N/S速率将水平方向分别加载到100kN、200kN和300kN，轴向加载到800kN后保持5min，开挖(取出充填料)，开挖后保持5min，之后水平不变，轴向继续加载，加载速率为0.3mm/min，直至试样发生多次岩爆并导致孔洞左右两侧形成贯通“V”形坑。加载路径见图2(以侧压200kN为例)。

图2加载路径曲线

2实验结果分析

2.1实验现象分析

在孔洞开挖后的二次加载过程中，岩爆演化过程见图3。加载初期孔洞内没有任何现象，表现为一段平静期，当轴向载荷达到一定程度时孔洞内壁局部出现小颗粒弹射，继续加载孔洞内出现片状剥离并伴随混合弹射，最终孔洞内壁出现剧烈弹射，壁面出大量颗粒以一定初速度瞬间抛出，并伴有清脆的爆裂声，破裂部位呈现“V”形坑。岩爆发生后并没有引起试样的整体崩塌，继续加载孔洞内部再一次恢复稳定，此阶段为应力调整过程，应力调整之后孔洞内再次出现剧烈弹射，孔洞内壁左右两侧“V”型坑开始向孔口处延伸，并最终贯通。由以上分析可知，此种实验方法下模拟出的巷道岩爆为多次应力调整引发的多此岩爆，孔洞内经历了“岩爆—应力调整—再次岩爆”的过程。

孔洞开挖过程中，不同侧压条件下的试样轴向荷载均出现了小幅度下降(表1)。轴向载荷降从一定程度上能够反映开挖对孔洞卸荷扰动的大小。经分析可知，卸荷扰动作用的大小与开挖过程中轴向、侧向两个方向压力差有关，差值越大，卸荷作用越明显，产生的卸荷损伤越多。

图3岩爆过程

表1孔洞开挖后轴向载荷降

试样编号侧压/kN侧压与轴压差/kN载荷降/kN平均值/kNKHGZ-100-11007000.350.31KHGZ-100-20.31KHGZ-100-30.28KHGZ-200-12006000.270.22KHGZ-200-20.18KHGZ-200-30.20KHGZ-300-13005000.160.15KHGZ-300-20.16KHGZ-300-30.12

注：侧压与轴压差为开挖过程的压力差值。

实验过程中发现，孔洞内壁出现初次小颗粒弹射的时间开挖过程载荷降的增加而提前(表2)。这表明开挖卸荷是影响岩爆的重要因素，巷道开挖所造成的卸荷影响越大，发生岩爆的可能性就越高。

表2　孔洞内出现初次颗粒弹射时间

2.2岩爆过程声发射特征分析

由于实验过程中岩爆现象在开挖后的二次加载中产生，因此对二次加载过程进行重点分析。

2.2.1声发射时序参数特征

图4为试样二次加载全过程载荷、声发射累积能量随时间变化曲线。从图4中可知，二次加载初期，不同侧压条件下花岗岩均有少量较弱声发射产生，此时试件处于弹性变形阶段，声发射信号相对较低。随着轴向载荷的增加，岩石内部的微裂隙逐渐扩展、贯通形成大裂纹，岩石孔洞内出现剧烈的颗粒弹射和片状剥落，此时声发射累积能量快速增长，并在峰值载荷附近达到最大值。

对比图4中可知，岩爆过程中的能量释放规律受侧压影响显著。当侧压较低时，岩爆全过程所释放的总能量较低，随着侧压力的提高，试样岩爆所释放的总能量逐渐增加，声发射累积能量数量级由109增加至1011。这表明巷道施工部位水平应力越大，越容易发生强岩爆。

图4试样载荷、累积能量-时间曲线

从整个加载过程来看，加载后期累积能量曲线都存在“陡增”的阶段，这是由于孔洞内壁开始剧烈弹射并释放较高能量所致。随着侧压的增高，累积能量由“平稳”进入“陡增”的转折点滞后。这表明在轴压不变的情况下，随着开挖前巷道所受侧压力的增加，巷道开挖后的加载过程中，诱发孔洞内部裂纹产生与拓展的应力水平逐渐增加。

图5为试样载荷、振铃计数率-时间曲线。从图5中可以看出，侧压对花岗岩岩爆过程中声发射振铃计数率有明显影响。随着侧压的提高，岩爆发生前振铃计数率突变点出现的时间滞后。表明在侧压较低的情况下，开挖卸荷后，较低的应力扰动即能诱发微裂纹的迅速拓展和贯通，进而产生岩爆灾害。

图5试样载荷、振铃计数率-时间曲线

由图5知，加载前期，不同侧压花岗岩振铃计数率均很小，此时岩石试件以弹性变形为主，因此声发射信号相对较低。加载后期，孔洞内部开始出现裂纹的萌生与拓展，声发射信号增强，振铃计数率均急剧升高，较为密集，出现群震型特征，并不断波动。振铃计数率后期剧烈波动过程中均存在较低的平静期，结合实验现象可知，当振铃计数率出现平静期的时候，孔洞内颗粒弹射也出现短暂的停止，这表明此阶段为应力调整过程，孔洞内壁在轴向加载的作用下继续积累应变能，当能量积累达到下一个临界状态时，孔洞内再次发生岩爆，因此，声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生过程中孔洞内应力调整过程。

随着侧压的增加，加载后期声发射振铃计数率波动模式也随之改变，侧压为100kN和200kN的情况下，加载后期振铃计数率表现为在较低水平波动，其中侧压为100kN的试件波动范围为2000～10000，侧压为200kN试样波动范围为5000～20000，且波动过程中出现一定数量的“跳增点”；在300kN侧压情况下加载后期振铃计数率表现为在较高水平波动，其波动范围为25000～65000，且波动过程中出现“下降点”。

2.2.2声发射参数与裂纹演化特征

声发射参数中的RA值和AF值 可反映材料结构内部的裂纹类型，RA 值是上升时间和幅值的比值，而AF值由振铃计数和持续时间的比值获得。一般来说，具有低 AF、高 RA 值的声发射信号通常代表剪切裂纹的产生或发育，若是高 AF、低 RA 值则是张拉裂纹的产生或发育，因此可在分析宏观和微观破坏特征的基础上，对比分析不同环境下岩爆声发射RA值和AF值分布图，探讨花岗岩岩爆裂纹拓展演化机制。裂纹分类见图6[11]。

图6裂纹分类示意图

图7不同侧压条件下花岗岩岩爆
过程声发射RA-AF散点图

图7为不同侧压条件下巷道岩爆声发射RA值和AF值分布图，对比分析可知，三种侧压下花岗岩均呈现出高RA值对应低AF值、低RA值对应高AF值的特点。从图中可以看出，花岗岩岩爆过程即产生张拉裂纹又产生剪切裂纹。对比分析可知，侧压为100kN条件下花岗岩在张性区域分布较密集，RA最大值为530，在剪性区域内散点分布较为稀疏；侧压为200kN条件下RA最大值为650，剪性区域内散点分布逐渐增多；侧压为300kN条件下RA最大值为750，在剪性区域内散点密集分布。这表明随着侧压的升高，花岗岩岩爆过程中剪性裂纹逐渐增多。这表明在工程现场，水平应力越高，巷道岩爆过程中越容易发生张拉破裂。

3结论

通过对不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆过程声发射特征进行研究，得到如下结论。

1)开挖前轴压与侧压之间差值越大，开挖引发的卸荷作用越明显，开挖后孔洞内出现初次小颗粒弹射的时间越提前。

2)随着侧压的增高，岩爆释放的总能量增加，声发射累积能量出现陡增的时间点则相对滞后。

3)岩爆过程中，声发射振铃计数率在波动过程中出现明显的“平静期”，这很好地反映了孔洞内“岩爆—应力调整—再次岩爆”的演化过程。

4)随着侧压的增加，加载后期振铃计数率演化模式逐渐由“较低水平波动并出现一定数量跳增点”向“较高水平波动并出现一定数量突降点”转化。

5)巷道岩爆过程中，既产生张拉破裂又产生剪切破裂，随着侧压的增高，岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增加。

参考文献

[1]何满潮，苗金丽，李德建，等.深部花岗岩试样岩爆过程实验研究[J].岩石力学与工程学报，2007(5)：865-876.

[2]张艳博，刘祥鑫，梁正召，等.基于多物理场参数变化的花岗岩巷道岩爆前兆模拟实验研究[J].岩石力学与工程学报，2014，33(7)：1347-1357.

[3]徐林生，王兰生，李永林.岩爆形成机制与判据研究[J].岩土力学，2002，23(3)：300-303.

[4]李博，孙强，王思源，等.单轴加载下砂岩声发射特征的试验分析[J].地震工程学报，2013，35(1)：114-118.

[5]李庶林，唐海燕.不同加载条件下岩石材料破裂过程的声发射特性研究[J].岩土工程学报，2010(1)：147-152.

[6]杨健，王连俊.岩爆机理声发射实验研究[J].岩石力学与工程学报，2005，24(20)：3796-3802.

[7]苗金丽，何满潮，李德建，等.花岗岩应变岩爆声发射特征及微观断裂机制[J].岩石力学与工程学报，2009，28(8)：1593-1603.

[8]袁子清，唐礼忠.岩爆倾向岩石的声发射特征试验研究[J].地下空间与工程学报，2008，4(1)：94-98.

[9]李长洪，张立新，张磊，等.灰色突变理论及声发射在岩爆预测中的应用[J].中国矿业，2008，17(8)：87-90.

[10]汪洋，尹建民，李永松，等.基于岩体开挖卸荷效应的岩爆机理研究[J].长江科学院院报，2014，31(11)：120-124.

[11]何满潮，赵菲，杜帅，等.不同卸载速率下岩爆破坏特征试验分析[J].岩土力学，2014，35(10)：2737-2793.

Experimental study on acoustic emission characteristics of granite tunnel rock burst under different lateral pressure

YU Guang-yuan1，2，ZHANG Yan-bo1，2，LIANG Peng1，2，TIAN Bao-zhu1，2，LIU Xiang-xin1，2

(1.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Mining Development and Technology Safety Key Lab of Hebei Province，Tangshan 063009，China)

Abstract:An experiment is carried out to simulate granites tunnel rock burst under unloading with biaxial rigid servo-controlled system.The acoustic emission(AE) system produced by American physical acoustics corporation is used to collect data of the AE in the process of rock burst synchronously.The influence of different lateral pressure on tunnel rock burst AE is studied.The result shows that in the conditions of biaxial，axial pressure and lateral pressure difference is large，due to excavation unloading load effect more obvious，the inwall of the hole first ejects rock debris is earlier；The rock burst release of total energy gradually were increased，the cumulative energy of AE into the “steep” stage of time lag；The AE ringing count rate can well reflect the stress adjustment of the hole process of rock burst，the AE ringing count rate fluctuation patterns gradually from “lower level fluctuation and the emergence of a number of jump points” to “high level fluctuation and the emergence of a certain number of drop point” transformation at the later stage of the loading with the increasing lateral pressure；Tunnel rock burst process that produces a tensile rupture and shear rupture combined with the RA and AF values of acoustic emission，with the increase of lateral pressure，shear failure of rock burst in proportion gradually increased.The results provided the experimental basis for the prediction and control of rock burst.

Key words：lateral pressure；unloading；rock burst；acoustic emission

收稿日期：2015-09-15

基金项目：国家自然科学基金项目资助(编号：51374088；51174071)；河北省自然科学基金资助(编号：E2012209047)；河北省高等学校科学技术研究项目资助(编号：QN2014067)

作者简介：于光远(1991-)，男，硕士生，就读于华北理工大学矿业工程专业，主要从事矿山岩石力学方面的研究工作。E-mail：386071340@qq.com。

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)05-0082-05