基于岩体损伤破坏岩爆启动起电规律研究_罗浩.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家青年科学基金辽宁省教育厅科学技术研究 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 罗浩 男讲师 年生 基于岩体损伤破坏岩爆启动起电规律研究 罗浩 刘飞宇 潘一山 辽宁大学信息学院沈阳 东北大学资土与土木工程学院沈阳 辽宁大学环境学院沈阳 摘要岩体变形破裂产生自由电荷过程对于岩爆机理研究具有重要的意义采用理论分析和试验研究相结合 的方法建立了岩体损伤破坏力电耦合理论模型为室内岩体电荷感应试验提供了理论基础选取花岗岩砂岩泥岩 标准试件进行等围压三轴加载试验研究了三种岩石岩爆启动过程电荷感应规律试验结果表明岩体弹性变形阶段电 荷信号稳定岩爆启动后岩体变形破坏导致损伤局部化该过程监测到大量脉冲状电荷信号同种岩体随着围压的升高电 荷信号强度增强不同岩体电荷感应规律明显不同岩爆启动后三类岩石电荷信号分别表现出不同特征总结出岩爆启 动过程自由电荷产生机理由此提出了接触剥离压电摩擦破裂四种岩爆过程起电方式 关键词岩石力学损伤理论岩爆自由电荷起电机理损伤局部化 中图分类号 文献标志码 随着地下工程不断向深部进行高应力区岩体积 聚更多的弹性应变能强开采过程中岩爆问题将愈加 突出不仅影响工程进度还直接威胁着井下工人和设 备的安全岩爆是指在高地应力条件下地下工程施工 开挖时储存于岩体中的弹性应变能突然猛烈地释放 使岩石产生爆裂松脱剥落弹射甚至抛掷现象的一种 动力失稳地质灾害 岩爆发生时破碎岩石从坑 洞壁弹射或大量岩石崩出产生强烈的气浪或冲击波 严重的可摧毁整个作业面乃至整个洞室对矿山安全 开采造成了极大的危害传统的岩爆检测预警系统难 于满足现场需求随着岩爆问题的日益突出深入研究 岩爆发生前兆信息探索一种易于捕捉准确率高适 用性强的预测技术成为保障深部矿井及大型硐室安全 生产的急需 南非在岩爆机理研究预测防治等方面积累了丰 富的经验和资料建立了相对较为完整的理论体系是 目前世界上岩爆研究最先进的国家之一近年来我国 在岩爆机理及预测预报方面做了大量研究从强度刚 度能量稳定断裂损伤突变和分形等诸多角度对 岩爆机理进行了分析潘一山等根据稳定性理论 提出了洞室岩爆发生的扰动响应判别准则得到了发 生岩爆的洞室临界塑性区深度及临界作用应力同时 指出岩石弹性模量和峰值后降模量之比 是决 定洞室稳定性的重要参数现阶段以探测技术为基础 的岩爆预测方法还处于探索试验阶段现场岩爆监测 主要包括声发射法电磁辐射法微重力法钻屑量法 等国内外学者对岩石混凝土的声发射特性做了大 量试验研究探索了不同应力 及温度条件下岩 石的声发射特性杨健等在单向和三向应力状态下对 岩石进行声发射测试发现强度不同结构差异不同 岩性的岩石其声发射特性明显不同声发射特征与应 力值之间也存在一定的规律性关系由此总结出了不 同岩性岩石在不同应力状态下的岩爆发生特征张渊 等对长石细砂岩的热破裂声发射现象进行了研究发 现声发射的振铃累积数 发生急剧变化 刘建辉等应用电磁辐射法现场测试了岩爆发生时的 电磁辐射强度现场观测结果表明岩爆发生前的一段 时间电磁辐射连续增长或先增长然后下降之后又 呈增长趋势国内外大量研究表明煤岩材料在压缩 破裂过程中有自由电荷产生 等 用实验 方法记录和研究了花岗岩片麻岩和脉石英的压电现 象潘一山等研究了不同类型煤岩试样拉伸破坏过 程自由电荷运移规律研究结果表明煤岩拉伸失稳破 坏过程中拉应力造成裂纹扩展进而导致损伤局部化是 电荷信号异常的重要原因之一 徐为民 先后报道了实验室岩石压电效应的研究结果 岩爆发生的影响因素较多机理复杂目前提出的 各种岩爆机理未能完全真实地反映岩爆这一复杂事物 的本质规律预测精度尚需提高本文将自由电荷的 产生机理与岩石材料的损伤特性相联系建立了岩体 损伤破坏力电耦合模型有理由认为岩体内部损伤状 态与岩体加载产生自由电荷存在一定的关系通过等 围压三轴岩体加载破坏试验研究了不同岩体电荷感应 规律研究结果对应用电荷感应方法进行岩爆监测预 报具有重要意义 岩体损伤破坏力电耦合模型 岩石材料内部构造极不均匀微元所含缺陷程度 不等微元强度各异存在较多薄弱环节但在应力作 用下的损伤破坏是一个连续的过程因而对岩体内部 微元作如下假设 微元体符合广义胡克定律 微元体破坏符合 屈服准则 微 元 体 的 强 度 符 合 韦 布 尔 统 计 分 布 规 律即 [] 式中 分别为韦布尔分布标度和形态参数 为 微元应变 是微元应变为时的微元破坏概率 其宏观上反映试件的损伤程度微观上表征微元是否 破坏 从岩体中取出一微元微元所受主应力 均为有效应力根据连续介质损伤力学三维线弹性各 向同性损伤本构方程可表示为 式中 为损伤变量 为泊松比为弹性模量 和 为 应力与无穷小应变张量 为 记号 当泊松比 时由式 得到岩体在等围压三轴条件下轴向应力与轴向应变之 间关系式为 设微元体单位面积破坏时产生的自由电荷量为 则破坏面积为 时产生的自由电荷量 由式 给出 假设整个横截面面积为如果全部破坏的 自由电荷量累计为 则 由微元体的强度分布可知当岩体的应变增加 时产生破坏的截面增量 为 由此得 所以岩体加载过程中应变增至时的自由电荷 累积为 当 服从韦布尔分布时有 根据岩体本构关系可得统计损伤参量 [] 振 动 与 冲 击年第卷 比较式和式可得如下重要关系 由此可见岩体破坏产生的自由电荷与损伤参量 具有一致性 将式代入式中得到等围压三轴应力状态 下岩体损伤破坏力电耦合模型 由此可见等围压三轴条件下岩体电荷与自由电 荷累积的比值和主应力具有式关系说明岩体电 荷反映了岩体损伤演化过程 当围压为时岩体在单轴压力作用下力电耦合 模型为 该模型适用于带有各种缺陷的非均质岩石材料 当岩石材料能够做出以上三个假设即可应用该模型 该模型作为微观统计电荷参数的宏观表现能够较好 的解释岩石材料变形和破坏过程中所具有的特别 性质 岩体等围压三轴加载电荷感应试验 目前检测岩石受载破坏电荷感应规律研究多为单 轴压缩试验然而实际岩体位于地下空间千米甚至几 千米深度受自重应力和构造应力的联合作用处于三 向应力状态因此了解三向应力状态下岩石电荷信号 变化特征对于研究围岩岩爆特性具有重要的现实意 义为进一步说明岩体电荷与损伤具有一定关系选 用花岗岩砂岩泥岩进行三轴加载岩爆模拟试验 试验材料及设备 试验材料选用花岗岩砂岩泥岩使用岩石切割 机将大块岩石切割成长方体试件尺寸为长宽 高 试件端面的平整度用打 磨机控制在 以内通过试验测试所用三种岩 体物理力学参数如表所示 表岩体物理力学参数 岩样单轴抗压强度 弹性模量 泊松比 密度 花岗岩 砂岩 泥岩 加载系统采用 型电液伺服压力试验 机可实时记录荷载和位移值并同步绘制载荷位移 曲线试验时选用位移控制方式进行加载加载速率保 持在 电荷感应系统为自行研制 由电荷传感器和 数据采集器构成电荷传感器由软磁合金探头和电荷 放大器构成利用电荷感应原理使传感器前端带电 将电荷量传输至电荷放大器电荷放大器将接收的高 输出阻抗转变为低输出阻抗把输入电荷量转变为输 出电压量把敏感材料接收到的微弱信号放大到一个 适当的归一化数值输出电压 式中 为增益为感应电荷量为反馈电容如果 增益足够大则 放大器输出电压只与传感器的电荷量及反馈电容 有关这里选用 的高精度电容 因此电荷电 压转换比率理论为 经标定试验 测 试传感器量程为 频响范围在 使用工作温度为 试验过程中电荷采集系 统输入电压为 采样频率设为 试验方法 岩体三轴压缩电荷感应试验系统如图所示主 要由岩石力学加载系统围压加载系统不锈钢三轴加 载模具同时具备屏蔽作用电荷检测系统组成试 验过程中将岩石试件置入三轴加载模具围压控制为 和 启动岩石力学加载系统研究岩体三轴 压缩全过程电荷信号变化规律 图岩体三轴压缩电荷检测系统示意图 试验步骤 试验过程需按如下步骤进行 试件装配将试件置于岩体三轴压缩电荷检 测装置内安装电荷检测系统使电荷传感器软磁合金 探头距离岩体表面 封闭三轴压力缸体连接 高压氩气瓶气管试件装配完毕装配完成后如图 所示 第期罗浩等基于岩体损伤破坏岩爆启动起电规律研究 准备试验开启电荷检测系统选择数据采集 器采样频率触发模式设置各种基本参数通过调整 各通道门阈值测试背景信号的影响当调试参数在 无明显背景事件发生时停止观察开启控制 阀向缸体通入氩气保持试件围压分别为 和 待围压稳定后开始实验 开始试验为了避免压机启动时对数据采集 系统的触发先启动压机选择位移加载调节加载速 率然后同步启动载荷电荷记录系统开始加载实验 结束时先停止电荷信号采集再停止压机 试验记录试验结束后观察并详细记录试件 破坏形式以及实验过程中的外界信息绘制轴向应 力时间感应电荷累积电荷曲线 试验结果及分析 试验结果具有一致性选择花岗岩砂岩泥岩数 据结果进行分析如图 图所示 花岗岩三轴压缩电荷感应规律 大型地下厂房硐室围岩大多为结构完整花岗岩 开挖爆破过程中易于发生岩爆图以岩浆岩中花岗 岩为代表进行三轴条件花岗岩压缩破坏电荷感应试 验地壳深处的花岗岩浆经冷凝结晶或由玄武岩浆结 晶分异而成矿物彼此呈镶嵌结晶连接主要成分是长 石和石英质地坚硬内部存在着较多的微裂纹节理 较发育地应力作用下花岗岩内部裂纹难以扩展遇 到断层或开采扰动形成高应力集中时裂纹易于扩展 由图花岗岩试件可以看出花岗岩三轴抗压强度高脆 性破坏显著动态破坏时间较短破裂瞬间岩体整体破 碎加载过程中有脉冲状电荷信号产生感应电荷主要集 中于岩体屈服及应力跌落阶段花岗岩岩爆启动过程局 部电荷放大信号介于 部分信号超过量程 图花岗岩三轴压缩电荷感应规律 由表花岗岩强度及电荷量信息可知当围压为 时花岗岩发生主破裂时应力跌落 期 间累积电荷量 通过计算单位强度电荷量 为 电荷异常持续 当 围压为 时花岗岩发生主破裂时应力跌落 期间累积电荷量 通过计算 单位强度电荷量为 电荷异常持 续 综上花岗岩岩爆启动过程电荷信号强 度大应力跌落累积电荷量多单位强度电荷量大持 续时间短表明花岗岩岩爆启动后产生大量自由电荷 且集中向外辐射因此电荷信号呈集发型累积电荷打 破平静迅速升高围压越大花岗岩极限抗压强度越大 累积电荷量越大单位强度电荷量越大此类岩石极易 发生岩爆 表花岗岩强度及电荷量信息 岩样 围压 抗压 强度 应力 跌落 应力跌 落累积 电荷量 单位强度 电荷量 电荷异 常持续 时间 信号 特征 花岗 岩 集发 型 砂岩三轴压缩电荷感应规律 沉积岩中所含矿产资源占全部世界矿产蕴藏量的 左右大量采矿活动作业于沉积岩中因此发生在沉 积岩层中的岩爆占有很大比例图图分别以沉积 成因为主的砂岩泥岩为代表进行三轴条件下岩体压缩 破坏电荷感应试验砂岩主要由砂粒胶结而成其矿物 或矿物集合体强度高于胶结物胶结物多以硅质钙质 振 动 与 冲 击年第卷 泥质为主连接较弱同时该岩石内部孔隙较多矿物颗粒 多呈点式连接在荷载作用下岩体内部易产生裂纹和孔 隙破坏因而对应力作用敏感由图砂岩试件可以看 出砂岩三轴抗压强度较高加载过程中均有脉冲状电荷 信号产生感应电荷主要集中于岩体屈服及应力跌落阶 段砂岩岩爆启动后局部电荷放大信号介于 图砂岩三轴压缩电荷感应规律 图泥岩三轴压缩电荷感应规律 由表砂岩强度及电荷量信息可知当围压为 时砂岩发生主破裂时应力跌落 期间 累积电荷量 通过计算单位强度电荷量为 电荷异常持续 当围 压为 时砂岩发生主破裂时应力跌落 期间累积电荷量 通过计算单位强度电荷 量为 电荷异常持续 综上砂岩岩爆启动过程电荷信号强度相对花岗岩小 应力跌落累积电荷量相对较少单位强度电荷量相对 较小持续时间相对较长表明砂岩岩爆启动后产生较 多自由电荷且持续向外界辐射因此电荷信号呈群发 型累积电荷上升速度较快围压越大砂岩极限抗压强 度越大单位强度电荷量越大累积电荷量越大此类 岩石易于发生岩爆 泥岩三轴压缩电荷感应规律 弱固结的黏土经过中等程度后生作用如挤压作 用脱水作用重结晶作用及胶结作用等即可形成强 固结的泥岩其结构极细粒层理不明显呈块状遇水 后不立即膨胀主要由黏土矿物如水云母高岭石蒙 脱石等组成承受载荷的能力较差由图泥岩试件 第期罗浩等基于岩体损伤破坏岩爆启动起电规律研究 表砂岩强度及电荷量信息 岩样 围压 抗压 强度 应力 跌落 应力跌 落累积 电荷量 单位强度 电荷量 电荷异 常持续 时间 信号 特征 砂岩 群发 型 可以看出泥岩三轴抗压强度较低加载过程中均有脉 冲状电荷信号产生感应电荷主要集中于岩体屈服及 应力跌落阶段泥岩岩爆启动后局部电荷放大信号介 于 由表泥岩强度及电荷量信息可知当围压为 时泥岩发生主破裂时应力跌落 期间 累积电荷量 通过计算单位强度电荷量为 电荷异常持续 当围 压为 时泥岩发生主破裂时应力跌落 期间累积电荷量 通过计算单位强度电荷 量为 电荷异常持续 综上泥岩岩爆启动过程电荷信号强度相对砂岩小应 力跌落累积电荷量相对较少单位强度电荷量相对较 小持续时间相对较长表明泥岩岩爆启动后产生少量 自由电荷且先后向外界辐射因此电荷信号呈散发型 累积电荷上升速度较慢围压越大泥岩极限抗压强度 越大累积电荷量越大单位强度电荷量越大此类岩 石发生岩爆的强度较弱或不易发生 表泥岩强度及电荷量信息 岩样 围压 抗压 强度 应力 跌落 应力跌 落累积 电荷量 单位强度 电荷量 电荷异 常持续 时间 信号 特征 泥岩 散发 型 此外根据三种岩石三轴压缩电荷感应规律可以 看出所释放自由电荷大多集聚于岩爆启动过程该过 程所释放自由电荷与自由电荷累积量比值最大岩体 发生主破裂时损伤程度也最大与式具有一致性 由于本试验测量的电荷量为相对值因而对公式 作出修正如式所示 式中 为修正系数 综合来看岩体三轴加载过程中电荷信号集中区 域主要分布在两个阶段第一集中段为岩体发生屈服 大量微观裂隙发育扩展阶段第二集中段为应力跌落 主破裂发生岩体失去承载力阶段该过程中岩体内部 晶格相互搓动裂隙成规模发展导致损伤局部化自由 电荷呈脉冲状向外界辐射岩体损伤与辐射电荷量呈 正相关岩爆启动过程单位强度电荷量越大越容易 发生岩爆因此岩爆倾向性为花岗岩砂岩泥岩 岩爆发生起电机理初探 岩石是一种典型的非均质脆性材料抗拉强度远 远低于抗压强度当应力达到极限强度后极易发生脆 性破坏同时伴随有声光热电磁等现象地下空 间构造或采动影响形成应力升高区域由于岩体内部 具有大量微观不连续结构面当外界应力较小时不连 续结构面运动缓慢内部电荷处于束缚状态岩爆启动 后不连续结构面间高速运动摩擦大量微观裂纹扩 展集聚汇合产生位移错动等导致岩体损伤局部 化新生裂纹两侧不同性质电荷作定向移动积聚于岩 体内部不连续结构面当应力达到岩体极限强度瞬间 发生岩爆现象局部被束缚电荷和积聚于不连续结构 面间电荷突变逃逸形成自由电荷以上即为岩爆启动 过程自由电荷产生机理主要分为以下四种起电 方式 接触剥离起电岩体内部微观裂纹表面吸引 电荷能力不同当微观裂纹紧密接触或紧密结合的裂 隙面剥离时引起电荷转移而使两裂纹间分别带电 加载初期接触剥离起电占较大比例该过程电荷信号 较弱随着岩体微观裂纹接触剥离的进行接触剥离 起电造成电荷信号呈快速上下振荡 压电起电研究表明不同岩体内部含有石英 等压电晶体材料在应力作用下产生机械变形压电晶 体由于发生形变而导致正负中心不重合总电矩不为 零使得晶体相应表面产生自由电荷压电晶体产生的 电荷量正比于应力压电起电造成岩体内部压电晶体 积聚电荷电荷信号维持恒定值不变 摩擦起电岩体在应力作用下其内部岩体颗 粒矿物质颗粒和胶结物之间由于组成成分复杂且不 均匀介电常数不同岩石内部不同成分的裂纹尖端 晶格之间发生相对的滑移和变形 在两种物质界 面间高速摩擦形成偶电层当应力异常时偶电层两侧 的电荷来不及完全消失从而形成电荷分离 破裂起电岩体加载过程中裂纹高速扩展 摩擦部分束缚电荷突破跳跃在晶体界面上形成势垒 能岩爆发生时岩体宏观体积迅速膨胀裂纹表面和 尖端破断产生位错和滑移导致正负电荷分离增加 了自由电荷穿透势垒的几率产生的大量自由电荷 在局部电场作用下做变速运动而后衰减 岩爆启动过程中在以上四种起电方式综合叠加作 用下花岗岩砂岩泥岩电荷信号特征分别表现为集发 振 动 与 冲 击年第卷 型群发型和散发型 结论 基于岩体损伤理论分析了岩体破坏产生的 自由电荷与损伤参量之间的关系建立了岩体损伤 破坏力电耦合理论模型 针对岩体破坏自由电荷与损伤参量理论模 型对花岗岩砂岩泥岩进行了三轴加载岩爆模拟试 验弹性阶段电荷信号不明显岩爆启动过程监测到了 大量脉冲状电荷信号三类岩石电荷信号分别呈现出 集发型散发型和群发型特征岩爆启动后单位强度电 荷量越大越容易发生岩爆因此岩爆倾向性为花岗 岩砂岩泥岩 岩爆启动起电机制与岩体损伤局部化有关 在接触剥离压电摩擦破裂四种起电方式综合叠加 作用下岩体电荷信号表现出不同特征不同起电机制 与岩性和围岩应力状态等因素相关 通过现场围岩电荷监测分析电荷信号特征 进而判断岩体损伤程度有望对地下工程围岩未来时 间内岩爆发生趋势进行预测具有重要的应用前景值 得进行深入研究 参 考 文 献 李忠华张永利孙可明大台井深部岩巷岩爆发生机理 与预防措施研究 岩土力学 增刊 谢良涛严鹏卢文波等不同开挖方式下深埋大理岩岩 爆发生范围预测 振动与冲击 潘一山章梦涛李国臻稳定性动力准则的圆形洞室岩 爆分析 岩土工程学报 赖于树熊燕程龙飞受载混凝土破坏全过程声发射信 号频 带 能 量 特 征 振 动 与 冲 击 杨健王连俊岩爆机理声发射试验研究 岩石力学 与工程学报 张渊曲方赵阳升岩石热破裂的声发射现象 岩 土工程学报