高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO F C H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 移动阅读 刘崇岩，赵光明，许文松，等．高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 3 9 9 8 - 1 0 0 8 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．S J l 9 ．1 7 3 3 L I UC h o n g y a n ，Z H A OG u a n g m i n g ，X UW e n s o n g ，e ta 1 ．E x p e r i m e n t a ls t u d yo nr o c k b u r s ta n di t ss p a t i o - t e m p o r a le v o l u - t i o nc r i t e r i o ni nh i g hs t r e s sr o a d w a y [ J ] ．J o u m a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 3 9 9 8 1 0 0 8 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ． c n k i ．j C C S ．S J l 9 ．1 7 3 3 高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究 刘崇岩1 , 2 赵光明1 , 2 ，许文松1 ’2 ，孟祥瑞1 ’2 1 ．安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点 实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律，通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载 荷下的岩爆模拟试验，利用微型摄像机、声发射 A E 系统和红外热像仪等监测系统，分析岩爆过程 中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明孔洞的岩爆可分为平静 期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4 个阶段，岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符，围 岩曲屈破坏时盯舳。。一 1 ．3 8 ～1 ．8 5 盯。；随着侧向载荷的升高，孔洞在平静期积累的弹性应变能增 加，颗粒弹射期能量释放率增大，岩爆进程加快，稳定破坏期持续时间先增加后减小，侧向载荷的增 大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果；声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌 的前兆信号，围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中，孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基 本吻合，形成以圆孔为中心的“x ”型共轭剪切破裂，稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加，高频 比例降低，低侧向载荷时破坏以中高频为主，高侧向载荷时破坏以中频为主；应力集中促使围岩红 外温度场整体温度逐渐升高，呈现高温区嵌套低温条带的特点，岩爆时高温区由表面浅部向深部运 移，在孔洞整体失稳坍塌前，岩爆坑温度急剧上升。 关键词岩爆；时空演化；声发射；热成像 中图分类号T U 4 5 7 文献标志码A 文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 0 3 - 0 9 9 8 1 l E x p e r i m e n t a ls t u d yo nr o c k b u r s ta n di t ss p a t i o - t e m p o r a le v o l u t i o n c r i t e r i o ni nh i g hs t r e s sr o a d w a y L I UC h o n g y a n l ”，Z H A OG u a n g m i n 9 1 ”，X UW e n s o n 9 1 ”，M E N GX i a n g r u i l 2 1 ．S t a t e 研L a 6 0 r a t o r y o f M i n i n g R e s p o n s ea n d D i s a s t e r P r e v e n t i o na n dC o n t r o l i n D e e pC o a l M i n e s ，A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 l ， C h i n a ；2 ．K e yL a b o r a t o r yo f S a f ea n dE f f e c t i v eC o a lM i n i n g ，M i n i s t r yo f E d u c a t i o n ，A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t T os t u d yt h em e c h a n i s mo fr o e k b u r s ta n di t ss p a t i o t e m p o r a le v o l u t i o nc r i t e r i o n ，t h er o e k b u r s ts i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e du s i n gg r a n i t es p e c i m e nw i t hap e r f o r a t e dc i r c u l a rh o l eu n d e rd i f f e r e n tl a t e r a ll o a d ．B a s e do n t h em i c r oc a m e r a ，a c o u s t i ce m i s s i o n A E s y s t e ma n di n f r a r e dt h e r m a li m a g e r ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fi t st i m e s e - q u e n c e ，t i m e f r e q u e n c y ，t i m e s p a c ea n di n f r a r e dt e m p e r a t u r ew e r ea n a l y z e dd u r i n gt h et e s t ．T h er e s u l t sd e m o n s t r a t e d t h a tt h ef a i l u r ec o u l db ed i v i d e di n t of o u rs t a g e s q u i e tp e r i o d ，p a r t i c l ee j e c t i o np e r i o d ，s t a b l ef a i l u r ep e r i o da n dc o l l a p s ep e r i o d ．I tw a sc o n s i s t e n tw i t ht h ee n g i n e e r i n gs i t e ．W h e nt h es u r r o u n d i n gr o c ko ft h eh o l ew a sb e n ta n db r o k e n ， 盯跏。≈ 1 ．3 8 ～1 ．8 5 盯。．W i t ht h eg r o w t ho ft h el a t e r a ll o a d ，t h ea c c u m u l a t e de l a s t i cs t r a i ne n e r g yg r e wa r o u n dt h e h o l ea r e ad u r i n gt h eq u i e tp e r i o d ，t h ee n e r g yr e l e a s er a t eg r a d u a l l yp r o m o t e da n dt h er o c k b u m ts p e e d e du pd u r i n gt h e 收稿E t 期2 0 1 9 1 2 1 6修回日期2 0 2 0 0 2 0 6责任编辑常琛 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 3 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 9 7 4 0 0 9 ，5 1 6 7 4 0 0 8 作者简介刘崇岩 1 9 9 4 一 ，男，安徽阜阳人，硕士研究生。E m a i l 1 5 7 8 8 0 1 7 9 3 q q ．c o m 通讯作者赵光明 1 9 7 6 一 ，男，安徽桐城人，教授。T e l 0 5 5 4 6 6 6 8 6 9 7 ，E - m a i l 1 3 9 5 5 4 7 1 0 0 6 1 6 3 ．c o m 万方数据 第3 期刘崇岩等高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究 p a r t i c l ee j e c t i o np e r i o d ，t h ed u r a t i o no ft h es t a b l ef a i l u r ep e r i o df i r s ti n c r e a s e da n dt h e nd e c r e a s e d ．I na d d i t i o n ，t h el a t - e r a ll o a df i r s ts t r e n g t h e n e da n dt h e nw e a k e n e dt h es t a b i l i t yo ft h ep o r e ．T h er e l a t i v e l yq u i e tp e r i o do fA Er i n g i n gc o u n t i n gr a t ec o u l db er e g a r d e da st h ep r e c u r s o rs i g n a lf o rh o l ec o l l a p s e ．T h ea n c h o rp o i n tb e g a nt of o c u sl o c a l l yb e f o r et h e h o l ef a i l u r e ．A f t e rt h eh o l ec o l l a p s e d ，t h ea n c h o rp o i n ts t r i pb a s i c a l l yc o i n c i d e dw i t ht h em a i nf r a c t u r es u r f a c eo ft h e s p e c i m e na n di tf o r m e da n “X ”s h a p e dc o n j u g a t es h e a rf r a c t u r ea r o u n dt h ec i r c u l a rh o l e ．I nt h es t a b i l i t yf a i l u r ep e r i o d ，t h el o wf r e q u e n c yr a t i oW a sa c c e l e r a t e da n dt h eh i s hf r e q u e n c yr a t i ow a sd e c r e a s e dc o m p a r e dw i t ht h ep a r t i c l ee - j e c t i o np e r i o d ．T h es t r e s sc o n c e n t r a t i o nc a u s e dt h ew h o l ei n f r a r e dt e m p e r a t u r er a i s e dg r a d u a l l ya n dp r e s e n t e dt h eh i s h t e m p e r a t u r er e g i o nn e s t e dl o wt e m p e r a t u r ez o n e ．F u r t h e r m o r e ，w h e nr o c k b u r s to c c u r r e d ，t h eh i s ht e m p e r a t u r ea r e am i - g r a t e df r o mt h es h a l l o ws u r f a c et ot h ed e e pa r e a ．B e f o r et h eh o l ec o l l a p s e d ，t h et e m p e r a t u r eo ft h er o c k b u r s tp i tr o s e s h a r p l y ． K e yw o r d s r o c k b u r s t ；t i m ea n ds p a c ee v o l u t i o n ；a c o u s t i ce m i s s i o n ；t h e r m a li m a g i n g 深部高应力岩体开挖卸荷往往会在洞壁附近产 生应力集中和应变能积聚的现象，当聚集的应变能超 过岩体的储存极限时，就会引起岩爆等岩石非线性动 力破坏现象，对人员安全造成严重的威胁。 近年来，采矿工程和地下隧道中岩爆发生的频率 明显增加，其影响因素非常复杂qJ ，例如施工方式、 围岩应力状态、岩体结构及其性能等。学者们对岩爆 孕育过程、发生机理进行了深入研究，探讨了不同环 境岩体的岩爆特征【4 ‘8 J ，发现岩爆大多发生在高应力 环境下的坚硬岩体中，剧烈程度与围岩应力集中的程 度密切相关，并将洞壁切向应力％和岩石单轴抗压 强度矿。比值作为岩爆的重要判据之一。 随着对岩爆测试系统研究的逐步加深，针对岩 爆问题开展的室内试验由单轴压缩试验过渡到假 设盯 矿，的常规三轴试验，再到能三向加载的真 三轴试验，更准确地模拟了原岩受力状态一叫4 | 。例 如许文松等纠采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统 对大理岩进行小主应力单面卸荷加卸载试验研究， 采用不同应力加卸路径模拟能量积聚型和应力集 中型2 种物理工程破坏模型，更加准确地评价巷道 开挖面附近围岩的稳定性；胡杰等叫开展了各向异 性层状砂岩应变岩爆试验，在真三轴应力状态下单 面卸荷，对比4 种层理倾角的砂岩岩爆烈度与破坏 特征；这类试验以围岩单元体进行分析，很好地反 映了局部岩爆行为，却无法较为准确模拟围岩的整 体结构响应和空间分布特征。因此，采用和现场几何 形状、环境相似的岩石试件模拟岩爆，能更准确反映 岩爆动态发展过程；如宫凤强等Ⅲ1 采用真三轴试验 系统对含直墙拱形孔洞的红砂岩立方体试样进行试 验，对试验过程中孔洞侧壁破坏过程、破坏特征进行 了分析，并与同等深度的圆形孔洞洞壁破坏进行了对 比；H UXC 等副利用钻孔的矩形棱柱花岗岩试件研 究隧道岩爆响应特征，以声发射参数表征岩爆过程能 量变化，定量研究围岩的开裂机制；但是，针对高应力 巷道岩爆的发生过程及时空演化规律还需进一步研 究，对于消除岩爆灾害，提高岩爆的预测和控制具有 重要参考意义。 声发射信号可以反应岩石中裂隙的发育、扩展、 成核到最终破坏的情况，热成像技术常被用于监测应 力岩石的温度变化9 ‘驯。众多学者通过试验声发 射、热成像等参数分析岩石破裂形态与损伤演化规 律，C H A N GSH 等心u 利用声发射的矩张量分析方法 研究了三轴加载条件下岩石损伤和破坏机理；何满潮 等心2 0 进行室内瞬时岩爆模拟试验，结合声发射频值 等参数研究花岗岩岩爆能量变化；刘善军等旧1 为研 究岩石加载过程表面红外辐射温度场演化的定量分 析方法，引入分形、熵和统计学理论，提出用特征粗糙 度、熵和方差作为指标定量描述岩石加载过程中红外 辐射温度场的演化特征；吴贤振等Ⅲ1 在提出“红外温 变场 I ’ⅣF ”概念的基础上，对岩石破裂失稳过程中 红外温度场的瞬时变化特征进行讨论；然而，声发射 和红外热成像技术在室内岩爆模拟试验中相对较少 采用，以A E 和热成像等参数反映孔洞岩爆过程中围 岩破裂灾变的时空演化规律研究仍需要继续开展。 笔者利用真三轴扰动卸荷岩石测试系统开展岩 爆模拟试验，借助微型摄像机、声发射 A E 系统和红 外热像仪等监测系统展现岩爆孕育到孔洞坍塌的全 过程，分析不同侧向应力下岩爆的破裂形态与能量变 化，探讨岩爆过程中的声发射时序、时频及时空演化 特征，研究热成像温度运移与围岩屈曲破坏之间的关 系，为揭示岩爆的时空演化规律提供科学依据。 l 试验方案 1 ．1 试样制作 以岩爆倾向较为明显的花岗岩为试验材料，建立 了巷道岩爆模型。为减少试件离散性引起的试验误 万方数据 1 0 0 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 差，试件取自同一块原岩，加工成1 0 01 1 11 | 1 X 1 0 0H i m x 1 0 0n l i l l 的立方体，保证试件端面不平行度和不垂直 度小于0 ．0 2n l m ，然后在试件中心钻取直径3 0n n ， 深度为1 0 0i n n l 的贯通圆孑L 。在试验前，进行一系列 单轴压缩和巴西劈裂等试验获得花岗岩材料的基本 物理参数见表l 。 表1花岗岩材料的基本物理参数 T a b l e1B a s i cp h y s i c a lp a r a m e t e r so fg r a n i t es p e c i m e n 1 ．2 试验设备及方法 试验采用真三轴扰动卸荷岩石测试系统，该装置 3 个方向的加载系统可独立控制，对竖向最大施 加50 0 0k N 载荷，两个水平方向最大施加30 0 0k N 载 荷，可进行单轴、双轴、三轴试验，加载过程通过全数字 伺服测控器控制。声发射信号监测选用软岛D s 5 声发 射系统，配合6 个声发射探头采集信号，为尽量减少噪 音影响，门槛值设定4 0d B ，声发射采样频率范围设定 lk H z ～1M H z ，声发射信号分析软件实时记录A E 事 件、能量、振幅等参数，并根据采集参数进行三维定位。 红外测试系统选用M I S S C N R 6 0 0 型号的红外热像系 统，测试波段7 ～1 4 I ，热灵敏度0 ．0 6 ℃，在3 0 ℃时， 最小焦距0 ．3I l l ，图像频率2 5H z 。采』{ j 自制的微孑L 摄 像头实时监测记录孔洞内部破坏情况以有效地捕捉试 件从微裂隙发育到最终发生宏观破坏的响应特征，试 验设备如图1 所示。 图1试验设备 F i g ．1 ‘F e s te q u i p m e n t 在试验前保证试样和仪器与周围环境温度一致， 试验过程保证试验室封闭，通过断铅试验对岩样进行 声速标定。试验设备安装时，在夹具表面均匀涂抹润 滑油，声发射探头涂抹耦合剂，从而减小摩擦等因素 造成的试验误差。试验开始时，将加载设备与监测设 备同时开启，保证时间单位统一，声发射探头位置及 仪器安装如图2 所示，， 巷道开挖导致围岩表面岩体从三向受力状态转变 一j 坠旦，_ 9 L 一一一一一 图2 试验装置安装不恿 F i g ．2 T P s Id e v i ’Pi n s t a l l a t i o nd i a g l ’z l l l l 成近似单向或双向受力状态，从而致使应力重新调整 并出现局部集中现象，当切向应力集中超过岩体强度， 多余的应变能会剧烈释放出来，发生岩爆事故_ 引；为 了模拟巷道开挖岩爆破坏现象，试验选择双轴加压方 式，保持一定侧向载荷盯、，不断增加竖向载荷6 r h 一 分别进行侧向压力保持在5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5 ， 3 0M P a 的6 组加载试验，试验采用负荷控制，加载速 率为0 ．1M P J s ，具体加载应力路径为同时开始加 载O - 。及 r 。至设定的侧向压力值时，保持O - 、不变，继 续加载矿。至试件发生宏观破坏后停止试验，加载路 径如图3 所示。图中，盯，，1 9 “ ，，和丁。分别为围岩径向 图3 试验加载路径及罔岩平面应力分布 F i g ．3 T e s tl o a d i n gp a t ha n ds t r e s sd i s t , ‘i l J u t i o no f S U I I “ t i l l 1 i n gr o ‘kp l a n e ■ 万方数据 第3 期刘崇岩等高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究 1 0 0 1 应力、切向应力和剪应力，R 为圆孔半径；r 为岩体单 元到圆孑L 中心距离；0 为岩体单元与水平方向夹角。 2 试验结果分析 2 ．1 孑L 洞破坏过程 微孔摄像机完整地记录r 围岩颗粒弹射到孑L 洞坍 塌破坏的全过程。本文以侧向载荷为1 5M P a 的S 一1 5 试件为例，如图4 所示，分析岩爆的演化过程。 模型破坏过程大致可分为4 个阶段，平静期、颗 粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期。初始加载较长 的时间内洞壁并未发生明显变化，孑L 洞处于稳定状 态。在竖向载荷为6 6 ．4 1M P a 时，开始问歇性出现小 颗粒弹射，进入颗粒弹射期，应力集中强度低，弹射颗 【a 1 5 0S 吒2 q 2 1 5 M P a d 10 7 0 ．1S 旺，2 1 0 7 ．0 1M P a I 粒的尺寸和速度较小；竖向加载到9 1 ．1 2M P a 时，左 壁出现小岩片弹射，孔壁未产生明显裂隙，弹射的小 岩片弹射方向和速度随机。当竖向载荷增大到 1 0 7 ．0 】M P a 时，进入稳定破坏期，左壁局部岩板向外 曲屈折断为上下两岩片，岩片裂缝中间弹射出小颗 粒，随后竖向载荷达到1 1 6 ．8 1M P a ，折断的下部岩片 突然失稳滑落，以此为基点，左侧围岩开始沿轴向屈 曲板裂化破坏，圆孑L 表面片状剥落伴随连续颗粒弹 射，逐渐形成“V ”型坑，右壁开始出现小面积破坏，如 图4 f 所示。理论上，左右两侧载荷相同，破坏情况 相同，但是由于自然岩体的各向异性和试件磨削精度 等因素影响，试验过程无法达到完全理想情况， 与G O N GFQ 等_ ’、试验洞壁破坏情况相似。 b 6 6 4 ．1S 皿2 6 64 1M P a e 11 6 8 ．1S q I I l l 68 1M P a h l6 6 73S E I I l 6 6 ．7 3M P a C 9 1 1 ．2S q 2 9 1 ．1 2 M P a f 13 6 4 ．7S a I ，2 13 64 7 M P a j 17 7 82S 吒2 17 7 ．8 2M P a k 17 9 5 ．3S q 2 17 95 3M P a 陶4S - 1 5 试件破坏过程 F i g ．4 T e s tf a i l u r ep i ‘o c e s sf fs 阳‘i m e nS 一15 万方数据 1 0 0 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 当竖向载荷增加到1 4 8 ．0 2M P a 时，左侧洞壁从 “V ”型槽中间不断爆裂喷射出颗粒、岩片，导致“V ” 型槽的宽度和深度增大，伴随噪声和大量雾状粉尘， 同时右侧破坏区部分贯通，并持续发展。竖向载荷增 加到1 6 6 ．7 3M P a 时，左壁破裂岩板已完全剥落，粒径 不一的岩屑持续弹出，右壁破坏区沿轴向方向完全贯 通，但在1 7 6 ．7 0M P a 时，弹射的颗粒和粉尘大量减 少，岩爆活动减弱。竖向载荷为1 7 7 ．8 2M P a ，进入全 面崩塌期，“V ”型槽受压开始变形，1 7 9 ．5 3M P a 时， 洞壁两侧“V ”型凹槽附近的岩块内折突起，随后试件 失稳破坏，完成整个模拟试验。 2 ．2 孔洞破坏演化特征 假设圆孑L 围岩视为均质、各向同性的连续性介 质，围岩受力和变形简化为平面应变问题，如图3 所 示，计算任一点的应力旧钊为 旷宁 一争罕 ⋯等 3 等卜2 臼 旷宁 争罕 ⋯匀c o s 2 p 丁矿甲 ， 2 笋一3 鼾棚 1 在非静水压力下，由式 1 可知围岩最大切应力 位于两帮的中点位置，r R ，臼 0 。，盯№．、 3 p q ，所以 围岩两侧中部压应力集中最大，首先发生板裂屈曲岩 爆。 在试验中，随着竖向载荷不断增大，围岩裂隙开 始发育，切应力逐渐集中，储存的能量较小；进入颗粒 弹射期后，洞壁开始出现小颗粒弹射，且弹射的颗粒粒 径逐渐变大，围岩未出现明显的曲屈变形，但是围岩内 已经开始产生拉裂破坏，形成一排甚至多排的新生拉 裂纹，这些裂纹不断扩展，成核，靠近洞壁表面的裂纹 贯通后形成一定厚度的岩块或岩片。发展到稳定破坏 期时，在切向应力的进一步作用下，围岩积聚的弹性应 变能增加，当超过岩体的承受能力时，围岩局部出现曲 屈变形，岩板折断，伴随持续的颗粒弹射。随着载荷的 增加，岩爆破坏区沿圆孑L 轴向方向扩展，破坏深度增 加，逐渐形成“V ”型岩爆带，试验典型的板裂与“V ”型 岩爆坑如图5 a ， b 所示，与深部巷道工程板裂化破 坏及岩爆破坏情况相似，图5 c ， d 。孔洞两壁岩爆 带都完全贯通后，围岩逐渐稳定，岩爆活动减弱，弹射 的颗粒和粉尘大量减少。在高应力作用下，“V ”型凹 槽受挤压开始变形，当围岩应力无法调整平衡时，出现 大岩块的突出或洞壁围岩大面积变形，随后孑L 洞失去 承载能力失稳坍塌。 c d 图5试验和工程现场的板裂与“V ”型岩爆坑情况”‘驯 F i g ．5 S l a bc r a c k i n ga n d “V ”s h a p e dr o c kb u r s tp i l i n l a b | r a t o r ya n de n g i n e e r i n gs ‘t e s 阱1 8 岩体破坏时广义H - B 岩体强度准则，表达式为 ／r r ，、“ 盯l 盯3 盯。Im h ∑ sI 2 ＼盯，， 其中，盯，，盯，为最大、最小主应力；盯，为单轴抗压强 度；m ，s ，n 均为反应岩体特征的经验参数，取“ 0 ．5 ， S 1 ，且洞壁盯， 0 ，围岩曲屈破坏时满足矿帅。 盯， 盯。说明孑L 洞周边围岩切向应力达到单轴抗压 强度时发生破坏，但本文在试验中围岩曲屈破坏时， 矿№。、一 1 ．3 8 ～1 ．8 5 ∥。这也与前人研究结果相 符‘1 8 1 2 5 J ，原因可能是孑L 洞具有一定曲率，试件破坏受 到尺寸效应和强度效应的影响。 2 ．3 不同侧向载荷下破坏阶段分析 对试验过程中各阶段持续时问以及应变特征进 行分析见表2 ，发现各阶段的时间和应变量随载荷的 变化趋势与岩体的承载能力有较好的相关性，如图6 所示。 随着侧向载荷增大，平静期的持续日寸1 h 7 和应变量 增加，围岩积累的弹性应变能增加，侧向载荷促进了 围岩内部微裂隙的压密闭合，裂纹的发育贯通受到限 制，使得颗粒弹射时间滞后，盯、 3 0M P a 时，平静阶 段时间最长，颗粒弹射期最短。颗粒弹射期持续时问 逐渐变短，应变减小，因为随着侧向载荷的增加，平静 期积聚的能量显著增加，在进入颗粒弹射期后能量释 放更加集中，岩爆发生进程加快，颗粒弹射到岩板屈 曲破坏发展更为迅速，平静期与颗粒弹射期持续时间 万方数据 第3 期刘崇岩等高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究 1 0 0 3 呈负相关。一定范围内，稳定破坏期持续时问随侧向 载荷的增大逐渐增大，在侧压2 0M P a 时持续时问最 长，占加载总时间的4 8 ．7 7 ％，但侧压超过2 0M P a 后，稳定破坏期持续时间开始变短，表明较高的侧压 开始促进岩石的破坏，岩爆能量释放率更大，进而诱 发突发性强，破坏性大的岩爆灾害。不同侧向压力下 全面崩塌期持续时间都较短，在高应力状态下，围岩 一旦出现大变形，孑L 洞也就随之失去承载能力。各阶 段时间和应变特征对实际工程中判断岩爆孕育和巷 道的失稳坍塌有一定的参考意义。 图6 峰值载荷和破坏各阶段时问曲线 F i g ．6 P e a kl o a da n dd u r a t i o no fe a c hs l a g eo f ’f a i l u r e 岩体的峰值强度呈现先增大后减小的趋势，表 明侧向压力在一定程度上对围岩的承载能力起到 先增强后弱化的效果。所以应力集中在一定范围 内时，侧向载荷有利于增加围岩的承载能力，降低 岩爆发生的风险，但是侧向载荷高于临界值时，应 力集中的水平较高，此时会降低围岩的稳定性，一 旦岩爆发生，会释放更多的弹性应变能，岩爆更加 剧烈。所以在工程建设时考虑侧向载荷对围岩稳 定性的影响也至关重要。 2 ．4 岩爆过程的声发射时空演化规律 虽然微孔摄像机和试验机的应力应变测量系统 可以观察到岩石的宏观破坏，展现孔洞内颗粒弹射， 岩片剥落等破坏过程，但岩石内部的损伤无法很好的 体现出来。声发射参数能够准确表征岩石中的微观 破坏规律，通过分析声发射时序、时频、时空演化特征 来研究孑L 洞岩爆过程。 声发射参数只表示数学上意义，不能代表岩体破 坏实际能量大小。不同侧压条件下模型声发射特征 大致相似，选择两组典型试验进行分析，如图7 所 示。s 一1 0 在盯．．为6 2 ．1M P a 以前围岩中存在裂隙压 密和发育，振铃计数率和累计能量较小。0 r h 加载至 约6 2 ．1M P a 时，洞壁表面颗粒开始弹射，振铃计数率 明显增加，信号强度增强。持续加载7 0M P a 后，洞 壁表面围岩开始曲屈变形，岩片剥落，局部岩爆发生， 持续有声发射信号出现，伴随累计能量阶梯式增长， 围岩积聚的弹性能大量释放。竖向载荷到 1 5 9 ．6M P a 时，右侧岩爆带基本贯通，岩爆开始往深 部发展，导致声发射振铃计数率开始不断陡增。竖向 载荷增加到1 6 3 ．5M P a 左右，声发射信号经历了一段 平静期，与上文分析中岩爆带形成后岩爆活动逐渐减 弱，出现平静期的情况吻合，在1 6 5 ．4M P a 时，振铃计 数率突然小幅增加，持续1 9S 左右后，孔洞坍塌。 s 一2 5 试件在加载8 2 ．0M P a 时，开始出现小颗粒 弹射，声发射振铃计数率间断出现。竖向载荷增加 1 0 0 ．0M P a 后，围岩开始曲屈变形，间断有局部岩爆 发生，声发射振铃计数率反复升高后降低，呈现出多 峰状态，累计能量计数阶梯式增长。在1 7 9 ．5M P a 左 右，孔洞两侧的岩爆带基本形成，岩爆向围岩深部发 展，产生强烈的声发射信号，累计振铃计数率陡增。 竖向载荷为1 8 6 ．3M P a 后，振铃计数率进入平静阶 段，继续加载到1 8 8 ．0M P a 时声发射信号再次小幅出 现，持续1 8 ．5 6S 后应力跌落，试件破坏。 在平静期时，由微裂隙活动产生的振铃计数率较 弱。持续有声发射信号出现，信号强度相对增加，累 计能量稳定增加，岩爆进入颗粒弹射期。随着应力集 中，岩爆进入稳定破坏期，声发射振铃计数率反复升 万方数据 1 0 0 4 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 时间／s a s 一1 0 2 0 0 1 6 0 ∞ 日 凸_ 1 2 0 蒌2 堡薄 8 0 翟鼎- 4 崮磊 4 0 蜷 2 1 0 1 7 5 1 4 0 曼 Ⅲ篥 7 0 劐 3 5 O 图7声发射振铃计数率、累计能量、竖向载荷与时问关系曲线 F 嘻7 R e l a t i o n s h i pC HIVeo fA Er i n g i n gc o u n t ，c u m u l a t i v ee n e l ‘9 7 ，v e r t i c a l ll o a da l l 1t i l n e 高后降低，呈现多峰状态，累计能量阶梯式增长。剧伤演化过程中的变化规律，声发射主频与岩石内部开 烈岩爆后，声发射经历一段平静期进入全面崩塌期，裂过程相关，高频声发射信号源自小尺度裂纹，大破 振铃计数率小幅增加并持续一小段时间，孔洞坍塌。裂对应低频声发射信号。2 引。做出s l o ，s - 2 5 主频 振铃计数率和累计能量变化特征可以分析岩爆的阶竖向载荷与时间的关系，重点研究颗粒弹射期与稳定 段信息，判断围岩是否处于危险状态，剧烈岩爆后的破坏期主频特征，如图8 所示，在孑L 洞破坏过程中声 平静期可作为预测孑L 洞坍塌破坏的预警信号。发射信号主频分布范围0 ～5 0 0k H z ，统计分析主频 用快速傅里叶变换 F F T 可以对非平稳声发射的分布规律以及变化过程，可为岩爆过程提供额外的 信号进行综合分析，获得二维频谱图来研究主频在损定量信息。 6 0 0 5 0 0 4 0 0 姜3 0 0 H 2 0 0 l O O 0 3 0 1 0 0 主频 应力 I 低频 I 中频 高频 ．j ． ≥鬟| | 』Ij ，jj ■二■| ．；z j ．‘c 2 0 0 1 6 0 日 山 兰 1 2 0 延 搭 8 0 蓦 4 0 二 二 竺 竺 l U 。 ．．．．．．I ．．．．．．．．．．．．．．．．．．J ．．．．．．．．．．．- ．．．．．．．．．．L ．■．．．。。．．．．．．- J - _ - l _ _ _ _ - - - ．_ - - ．‘．_ J 4 0 08 0 0l2 0 016 0 020 0 0 时间／s b S - 2 5 图8 声发射主频、竖向载荷与时间关系曲线 F i g ．8R e l a t i o n s h i pC u r v e so fm a i nf r e q u e n c y ．v e r t i c a l ll o a da n dt i m e S l O 在6 2M P a 前A E 信号在低频 0 ～ 9 0k H z 、中频 9 0 ～2 0 0k H z 、高频 3 0 0 ～5 0 0k H z 都有分布，频值较为分散。在进入颗粒弹射期以后， A E 信号持续出现，低频占声发射信号1 ．8 ％，中频为 4 7 ．8 ％，高频5 0 ．4 ％，表明颗粒弹射期以中小破裂为 主。竖向载荷为1 3 2M P a 进入稳定破坏期后，A E 信 号较为密集，低频信号比例增加，中频信号比例基本 不变，高频信号比例降低，大尺度岩爆活动增加，围岩 板裂化破坏，但在洞壁岩片剥落后，岩爆带破坏加深， 喷射出雾状颗粒，以中小型破裂为主，所以在稳定破 坏期以中频和高频占主导地位。随着岩爆的剧烈发 生主频由分散态趋于聚集态。 S - 2 5 在颗粒弹射期，低频比例为