梯度应力作用下模型试件声发射-红外特征及岩爆孕育演化研究

吝曼卿，高成程，夏元友，张电吉，刘夕奇，梁晓帅

(1. 武汉工程大学 资源与安全工程学院，湖北 武汉 430074； 2. 武汉工程大学 磷资源开发利用教育部工程研究中心，湖北 武汉 430073； 3. 武汉理工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430070； 4. 武汉大学 土木建筑工程学院，湖北 武汉 430072)

深部高地应力岩体受开挖扰动影响，在洞壁附近产生应力集中和应变能积聚，当聚集在岩体内的应变能超过岩体的储存极限时，会使岩体产生爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷等岩爆现象，造成工作面围岩破坏、设备损坏和人员伤亡[1]。认识岩爆孕育的时空演化规律，并在深部矿山开采及高地应力环境隧道开挖等工程现场进行有效监测与前兆识别，对岩爆灾害的防控具有重要意义。红外热成像技术具有响应速度快、非接触性、全天候、不需要可见光等优点[2]。吴立新等[3]通过岩石压剪破裂过程的红外辐射成像实验，发现岩石压剪破裂过程的热力耦合效应与剪切面上的正应力大小密切相关。董玉芬等[4]对岩石变形过程的实验研究发现，试件加载过程中，微破裂伴随产生红外辐射，微破裂愈强红外辐射特征越明显。张艳博等[5]利用红外热像仪监测巷道岩爆全过程，建立了岩爆实时预警方法。

借助声发射(acoustic emission，AE)信息可在一定程度上对岩石内部破裂状态进行实时判断[6]。Ganne等[7]基于声发射测试研究，提出岩石破裂过程中声发射能量累积的4个阶段，对应微裂纹的产生、扩展、累积和聚合及最终破坏的发生。陈国庆等[8]通过对岩桥试样进行单轴压缩试验和声发射监测，发现声发射频谱对裂纹扩展的反应较好。程铁栋等[9]以红砂岩破裂过程为研究对象，对岩石破裂过程进行监测，结果表明红砂岩单轴压缩破裂过程中声发射事件数与应力-时间曲线规律相一致。

岩爆的产生与加载路径密切相关，在深部岩体开挖工程中，岩体距临空面越近所受切向应力越大，随着远离临空面而降低，并逐渐趋向于原岩应力，应力整体呈梯度分布。在相同应力环境下，高梯度加载路径下试件产生的岩爆破坏更严重[10]。为探究不同应力梯度作用下岩爆孕育的时空演化规律，本研究借助YB-A型岩爆模拟试验装置对大尺寸模型试件进行顶部不同梯度应力作用下的岩爆加卸载试验，并利用声发射监测系统和红外热像仪对不同加载路径下的声发射特征和红外辐射特征进行分析，探究岩爆孕育与声发射特征和红外辐射特征的关系，进而为岩爆预警提供理论依据。

1 试验方案

1.1 试验系统与布置

采用自主研发的YB-A型气液复合真三轴加载岩爆试验装置，该装置由主机、液压控制系统和气压控制系统组成，能够实现三向六面加载以及顶部分级梯度加载，如图1所示。主机前面有限位门，可对加载的试件限位和开门卸载，用以模拟岩体在高地应力环境下受开挖扰动时的单面卸载情形。采用Fluke Ti480Pro红外热像仪，捕捉试件破坏红外辐射变化特征；利用佳能EOS-1DX高速摄像机以每秒1 000帧的速度对试件进行监测，获取试件宏观变化特征；运用北京软岛DS2声发射仪进行全过程采集，捕获试件破坏前后声发射参数变化特征。

图1 自主研发的 YB-A 型岩爆模拟试验装置

图2 均布加载及梯度加载图

1.2 试验加载路径

为更好地模拟深部硬脆性岩体随开挖过程的应力状态，设置试件的初始围压为1.0 MPa，以每级荷载为0.5 MPa分级加载，每级加载间隔时间为30 min，加载至初始围压后稳压6 h。通过迅速开启试件前侧的限位门来模拟掌子面开挖附近的应力状态，在保持试件围压不变的情况下继续对试件顶部进行加载。保持侧向荷载不变的同时继续施加顶部的梯度荷载，以公式y=aebx+c[11]计算每级荷载，通过控制加载应力梯度系数b值的大小调控围岩切向应力分布的集中程度。试件的均布加载及梯度加载如图2所示，4块试件的加载路径如图3所示。将具有岩爆倾向性且与深部岩体力学性质相似的高强度石膏作为试件材料[12]，选取满足岩爆装置加载量程及具有较好岩爆倾向性的材料配比[13-14]，制作尺寸为1 000 mm×600 mm×400 mm的模型试件。试件放置后，对温度进行监测，待试件表面温度均匀时开始试验。试验过程中实验室封闭，禁止人员走动。

2 试验结果分析

2.1 模型试件宏观破坏过程

高速摄像机完整地记录了模型试件在不同梯度加载下从开始加载到试件彻底破裂的全过程。在相同的应力环境下，高梯度加载路径下的试件破坏程度更严重，对应的岩爆现象更猛烈[15-16]。

对4组试件加载全程观察发现，在b=0时，模型试件从加载到全面破裂均会经历多次破坏，大致分为4个阶段：平静期、片状剥离期、稳定破坏期、全面崩塌期(图3～4)。初始加载较长时间内试件未发生明显宏观变化，模型试件处于稳定状态；当竖向载荷加载至3.5 MPa，试件进入片状剥离期，试件表面开裂并伴随噼啪声，出现片状剥离，如图4(b)所示；从3.5 MPa加载至4.0 MPa期间，进入稳定破坏期，开始出现间歇性较大面积片状、板状碎块掉落，加载至4.0 MPa时出现左右两片状破裂，片刻后左侧片状碎块掉落，加载至4.5 MPa时右侧岩板完全剥落；加载至5.0 MPa时试件进入全面崩塌期，整体岩爆破坏，大量片状、板状碎屑集中分布于卸载面附近，只有少量碎屑抛出0.5 m左右。b=2与b=0时破裂过程相似。

图3 试件应力加载路径

图4 b=0试件破坏过程

在b=4(图5)时，模型试件从加载至破裂仅发生一次剧烈岩爆。模型破坏过程分为平静期、裂纹扩展期、全面崩塌期。试件加载初期一段时间内并未发生明显变化，处于稳定状态；当竖向加载至2.5 MPa进入裂纹扩展期，先在试件上部出现明显“松针状”裂纹，如图5(c)所示，且在5 s后试件中下部出现裂纹，进入全面崩塌期，发生剧烈岩爆，弹射大量碎块伴随噪声和雾状粉尘，弹射碎块最远距离达0.8 m。b=6与b=4时破坏过程相似。

图5 b=4试件破坏过程

2.2 模型试件声发射变化特征

高速摄像机可以拍摄到岩体宏观破坏中岩片剥落，碎块弹射等破坏过程，但无法反映岩体内部损伤过程。声发射特征信号能表征岩体的微观破坏规律[17]。

2.2.1 声发射振铃计数特征

图6显示了试件在不同梯度应力加载过程中声发射振铃计数的监测结果。由图可知，b=0与b=2声发射振铃计数在破裂前呈逐渐增加趋势，如图6(a)所示，前期振铃计数值较小，由于梯度在每次加载时对模型试件造成扰动使得计数增大。进入片状剥离期，计数开始有明显的上下波动特征，且相对前一阶段有明显增大，此时模型试件卸载面出现多处片状剥离。进入稳定破坏期，振铃计数出现空白期，只有少量较小值甚至无振铃计数。继续加载试件进入全面崩塌期，计数出现激增后达到谷点，主岩爆发生。b=4、b=6加载时，试件在平静期较长一段时间内，振铃计数量值呈波动变化且处于较低水平。进入裂纹扩展期振铃计数增多，

图6 不同应力梯度下声发射振铃计数

计数值出现小突增后平静再小突增，模型试件内部微裂纹扩展，试件损伤加剧。随后经历一段空白期，约200 s后振铃计数突升至峰值，较前一次突升差值约600。

2.2.2 声发射频域特征

对加载阶段的声发射数据进行处理，得出峰值频率-时间-幅度三维时频演化关系，可直观地展示声发射信号的活跃程度与峰频特征，如图7所示。 低梯度作用时，在平静期内声发射事件数较少峰频分布散乱，偶尔出现较高值，声发射幅值低；进入片状剥离期声发射事件明显增多，峰频信号增多，如图7(a)所示，同时声发射幅值逐渐升高；进入稳定破坏期，声发射事件出现较高值，随后幅值继续升高至峰值，趋势性变化明显，在加载结束后，峰值虽有下降但事件数仍较多。

由于梯度增大，试件达到整体损伤所用时间短，事件数相对少，且声发射事件数集中在全面崩塌期，如图7(b)所示。在较长的平静期内，声发射事件数均呈零星分布，峰频信号与幅值分布均较为分散。进入裂纹扩展期，声发射事件数出现转折性变化，声发射幅值与峰频信号明显增多，同时出现高峰频信号，由于裂纹扩展所致的频段区间变宽。在全面崩塌期，声发射事件数明显增加且峰值信号达到高峰频，声发射事件相对集中，声发射事件聚集在破裂前后，且峰频信号在此处分布区段最宽。

图7 不同应力梯度下声发射频域演化特征

由图6和图7可见，低梯度应力加载在主破裂前出现多次破裂，能量积蓄过程中出现多次释放，对声发射影响时强时弱，表现为声发射计数及频域演化特征变化极不稳定；试件多次破坏有大量裂纹出现，声发射辐射出现衰减，裂纹对声发射辐射传播产生阻碍[18]，导致声发射计数破裂前期平静期的出现。梯度越高所积蓄的能量越大[19]，高梯度应力加载中平静期振铃计数及声发射频域演化特征事件均较少，在全面崩塌期时积蓄的能量突然释放，所以振铃计数和峰值频率出现突增。从能量角度进一步分析可知，b的大小影响岩爆能量释放过程的时间分布，b越大能量越集中在岩爆前瞬间释放。当加载至临界值，模型发生破坏的瞬间，能量加速释放特征明显，声发射振铃曲线及声发射频域事件陡然升高，具有较强的临界敏感性，表现出时间上非均匀性的特点，且随着加载应力梯度系数b的增大，这一现象越来越明显。

2.3 模型试件红外辐射变化特征

2.3.1 试件红外辐射温度异常特征

为避免环境温差对数据分析的影响，对4组试件加载全程进行最高温度与环境温度差值处理。图8为试件在不同应力梯度下加载最高温度-时间变化曲线图。由于最高温度-时间曲线变化主要捕获时间特性，缺乏空间特性，结合热像变化特征进行分析，使热红外变化特征在时空上得以统一。

图8 不同应力梯度下加载过程最高温度-时间曲线图

对比图8中b=4、b=6组模型试件加载过程中最高温度-时间曲线可知，两条曲线变化趋势基本一致。平静期温度保持微小循环变化(±1℉)，裂纹扩展前最高温度出现一次小突升，前后温差5℉。之后最高温度回归平稳，继续保持微小循环变化，直至破裂前温度突然陡升，从44.2℉陡升至58.4℉，之后试件破裂，温度差值为14.2℉。说明试件在高应力梯度下的红外信息随时间呈单峰跳跃突升型。

试件在梯度越高的环境下，积蓄的能量越大，高梯度应力试件在临破前夕，岩体内部积蓄较多能量，其温度变化较快，反映在最高温度-时间曲线上为前期微小循环变化破裂前快速陡升，且高梯度加载下试件应力变化更复杂，单位时间内辐射温度变化幅值更大，所以温升值相比于低梯度加载要大。而在低梯度加载下，经过多次破裂，岩体内积聚的能量经过多次释放再积聚，所以温度变化曲线呈多峰抖动缓升型。由此可见，不同应力梯度作用下，最高温度-时间曲线转折变化类型不同，低梯度应力下的试件破坏曲线变化为多峰抖动缓升型，高梯度试件则为单峰跳跃突升型。

2.3.2 试件红外辐射热像异常分析

试件破裂前，在即将破裂区附近会出现红外热像异常，这种现象预示着试件内部能量在变化，但是红外热成像系统成像波长较长，存在噪声大、对比度低、非均匀性大、空间分辨力差等缺陷[20]。为克服这些缺陷，通过Matlab对红外图像采用空间域-灰度级彩色变换法实现伪彩色增强。

图9 空间域灰度级-彩色变换原理图

1) 空间域灰度级-彩色变换

空间域方法是直接对像素进行操作的过程[21-22]，定义g(x,y)=Tf(x,y),T是对f的一种操作，其定义在(x,y)邻域。邻域为单个像素，进行点运算，如图9所示。

2) 热像裂纹扩展分析

根据裂纹沿最大能量释放的方向扩展[23]，且剪切破裂过程中破裂面及岩体颗粒在正应力和剪应力作用下发生错动摩擦，产生摩擦热能，而张拉破裂不产生摩擦生热效应[24]。因此剪切破裂导致相应位置的局部升温带出现，从而引起热像异常变化，由此来预测裂纹开展和破裂发生区域，这对地下工程稳定性的评价和岩体破裂预测有实际意义。

图10为b=0时采集的红外热像经过空间域灰度级-彩色变换处理后的图像，加载12 000 s至3.5 MPa时，模型试件进入片状剥离期，开始出现低温区包裹高温区的现象(如图10(a)所示)，能量统一向上部聚集，出现高温点聚集区。随着加载的进行，上部高温点不断扩大且试件下部出现高温点；两部分高温点聚集区扩大，随后贯通成为高温条带(如图10(b)所示)；继续加载至第一次破裂，片状碎块掉落瞬间表面高温点迅速消散，孕育下一次破裂。3.5 MPa继续稳压加载，试件进入稳定破坏期，在中间两侧出现高温点聚集区(图10(c))；继续加载至5.0 MPa，两高温点聚集区贯通进入全面崩塌期，大量高温碎块掉落，试件裸露出内部大量的黑色极高温点(如图10(d))。

图10 b=0试件加载过程热像变化图

图11为b=6时，采集试件热像图经过处理后的图像，试件加载在平静期内，高温点呈现多点零星散发状态(如图11(a))，零星散发的高温点逐渐汇集至试件的中心线处，试件上部出现较多零星的高温点(如图11(b))，高温点继续扩展与上部高温点贯通(如图11(c))；加载至2.0 MPa时，进入裂纹扩展期能量向高温聚集区汇集，出现黑色极高温点；继续加载至2.5 MPa，试件整体损伤加速，进入全面崩塌期试件破裂，大量岩块喷射出来。相比b=0试件，b=6试件未经多次贯通破裂，表现为高温点在短时间内聚集贯通后出现剧烈岩爆，且在整体损伤后未见岩体存在大量黑色极高温点，而大部分以蓝色较低温区形式展现(如图11(d))。由上可知，热像异常变化与裂纹扩展和试件内部能量变化密切相关。

图11 b=6试件加载过程热像变化图

3 岩爆孕育过程声发射及红外辐射时空演化特征产生机制

不同梯度应力下模型试件岩爆过程声发射特征与红外辐射时空演化特征与岩爆孕育、发生过程有良好的对应关系。声发射现象主要与岩石内部裂纹萌生、扩展中所产生的能量有关，岩石红外辐射的高低主要与岩石内部应力作用、裂隙发展的能量有关[25]。当岩体内部裂纹萌生、扩展使得声发射信号越来越活跃，随着裂纹的贯通和增多，摩擦作用越来越明显，表现为红外辐射温度突然增加。图12为声发射振铃计数、最高温度-时间曲线、热像时序分析。对比发现，不同应力梯度下岩爆孕育的不同阶段在声发射及红外变化特征上具有不同的表现形式。

图12 时序对比图

1) 平静期。此阶段为能量聚集阶段，高速摄像显示模型试件无明显变化。低梯度应力下最高红外辐射温度保持在±1.5℉循环变化，红外热像出现低温区包裹高温区，模型试件内裂隙闭合，裂隙内空气排出使最高红外辐射温度下降，而弹性能的聚集导致围岩局部温度升高，最高红外辐射温度表现为循环变化，红外热像高低温区域的不均匀分布，而应力梯度的不同导致模型试件受力状态不同，红外热像存在差异；高梯度应力下温度保持±1℉循环变化，裂纹扩展前最高温度出现一次突升，零星散发的高温点逐渐汇集至试件中心线。高梯度应力下声发射计数呈波动变化且处于较小值，AE事件数均呈零星分布，峰频信号与幅值分布均较为分散；低梯度应力作用下声发射特征表现为振铃计数值较小，声发射频域特征事件数较少峰频分布散乱，偶尔出现较高值，声发射幅值低，试件内微裂隙活动产生的声发射现象较弱，但由于顶部压头扰动导致声发射偶尔出现较高值。

2) 片状剥离期。低梯度应力作用下，最高红外辐射温度特征表现为较多低温点后快速上升，红外热像表现为上部高温点聚集区与下部高温点聚集区不断扩大，随后贯通成为高温条带；模型试件岩片剥离时，破裂面会发生错动和摩擦，因而有摩擦热效应产生，导致温度快速上升且模型试件内部高温区在摩擦热效应作用下快速贯通。低梯度应力作用下声发射有明显的上下波动特征，相对前一阶段明显增大，声发射频域特征事件数明显增多，峰频信号开始增多；随着岩片的剥离，试件内部裂隙活动剧烈从而导致声发射信号强度相对增加。

3) 稳定破坏期。低梯度应力作用下模型试件出现多次破裂，碎块掉落，临近主岩爆发生，模型试件内部剧烈摩擦错动，能量聚集至未来破裂处，导致最高红外辐射温度突升、热像高温点聚集以及声发射频域事件出现较高值，且趋势性变化明显。而随着大量张性破裂产生，伴随应力弱化及扩容现象应力发生松弛，同时大量裂纹的存在对声发射信号传播产生阻碍，导致声发射振铃计数出现空白期，只有少量较小值甚至无振铃计数。

4) 裂纹扩展期。高梯度应力作用下试件表面出现“松针状”裂纹，此试件仍处于能量聚集阶段，裂隙间受力状态进行复杂调整，能量逐渐转移至较弱的未来破裂处，未来破裂面裂纹成核扩展。最高红外辐射温度稳定保持微小循环变化，红外热像出现黑色极高温点。裂纹成核扩展在声发射振铃计数表现为计数增多，计数值出现小突增后平静再小突增，声发射频域事件出现转折性变化，AE幅值与峰频信号明显增多，同时出现高峰频信号。

5) 全面崩塌期。低梯度应力作用下模型试件出现整体岩爆破坏，大部分片状、板状碎屑集中分布于卸载面附近，只有少量碎屑抛出。随着模型试件多次破裂，模型试件内部能量经过多次释放，红外辐射温度缓升，主岩爆发生时试件破裂面处裂纹扩展碎块掉落，声发射振铃计数出现激增至谷点。低梯度应力下模型试件能量释放缓慢，致使破裂后试件内部仍聚集大量的黑色极高温点，声发射频域峰值虽有下降但事件数仍较多。高梯度应力下模型试件出现剧烈颗粒弹射，最远距离达1.5 m，模型试件内部积蓄大量能量，试件破裂前最高红外辐射温度突然上升后试件破裂，此后最高温度迅速降低，破裂后热像未见岩体内部存在大量黑色极高温点，大部分以蓝色较低温区形式展现。声发射振铃计数在空白期后突升至峰值，声发射事件数增加且峰值信号达到较高峰频，声发射事件相对集中在破裂前后，且峰频信号在此处分布区段最宽。

4 结论

本研究通过模型试件对不同梯度应力加载下的岩爆孕育过程进行研究，得出以下结论：

1) 模型试件均布加载、低梯度加载与高梯度应力下的岩爆孕育演化特征存在明显差异。均布加载与小梯度应力加载下岩爆孕育可划分为平静期、片状剥离期、稳定破坏期与全面崩塌期4个时期。高梯度应力加载下岩爆孕育可划分为平静期、裂纹扩展期、全面崩塌期3个时期。随着模型加载应力梯度的增大，模型加载过程中能量累积段时间增加、耗散阶段时间变短、能量释放率变大，能量积累、耗散、释放各个阶段的差异是模型岩爆烈度随加载应力梯度增强的原因。

2) 不同应力梯度下岩爆孕育的不同阶段，在声发射及红外变化特征上具有不同的表现形式。其中低梯度应力下的稳定破坏期声发射出现空白期前兆；高梯度应力下的裂纹扩展期出现声发射小突增前兆，试件破裂前同样出现空白期前兆且红外热像出现高温点。可以利用声发射及红外联合监测的手段，将声发射突升及高温点作为岩爆预警的判定指标。

3) 模型试件在不同梯度加载下呈现的声发射特征与红外温度变化规律均有明显差异。高梯度应力作用下，试件的红外信息随时间呈单峰跳跃突升型。而均布加载与低梯度加载下的红外信息随时间呈多峰抖动缓升型；高梯度应力作用下，模型试件振铃计数呈“单峰型”突增波动特征。而均布加载与低梯度作用下，模型试件振铃计数呈“多峰型”多次波动特征。