單軸壓縮條件下石灰巖的聲發射試驗及工程應用研究

聶剛　陳俊智

摘要： 運用TAW-2000B微機控制電液伺服巖石三軸試驗機和SDAES數字聲發射檢測儀系統，在單軸壓縮條件下，對石灰巖在應力-應變曲線全過程中不同階段的聲發射特征進行分析，通過試驗研究對巖石應力-應變曲線不同階段的聲發射特征進行系統分析，在原巖開挖后，立即進行初噴混凝土等柔性支護，可以使圍巖能夠盡可能的變形，使其達到彈性變形的極限，開始出現塑性變形支護效果最好，能充分發揮圍巖自身的穩定性，這對何時進行支護才能最大程度的發揮圍巖自身的穩定性奠定理論基礎。

Abstract： TAW-2000B computer control electro-hydraulic servo rock triaxial testing machine and SDAES digital acoustic emission detector system are used to analyze the acoustic emission characteristics of rock stress-strain curve in different stages under the condition of uniaxial compression. After original rock excavation， flexible support like initial shotcrete is done immediately， so that the surrounding rock can deform as much as possible and reach the limit of elastic deformation. The supporting effect is best if it begins to appear plastic deformation， thus the stability of the surrounding rock can be well played. This can lay a theoretical foundation for making decision on when to carry out support to give full play of the stability of the surrounding rock.

關鍵詞： 巖石力學；聲發射；支護；圍巖穩定性；應力；應變

Key words： rock mechanics；sound emission；support；stability of surrounding rock；stress；distortion

中圖分類號：TU458 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）05-0119-05

0 引言

隨著礦業工程的日益發展，在建井施工到礦井生產的整個過程中，圍巖支護作為一個分項工程，無論是在掘進立井、斜井、平硐、巷道、硐室等施工中都起著至關重要的作用。而圍巖支護效果的好壞要從地應力、圍巖自身穩定性、支護方式、支護材料、施工方式、驗收體系等方面綜合考慮。地應力主要由自重應力和構造應力組成，由于目前對地應力的理論與技術研究有限，只有自重應力能夠計算出來，因此單純運用地應力理論來進行分析，效果并不是很理想，有可能在數十米以外地應力的數值就大不一樣，難以把握其中規律，而在其他因素中首要考慮的就是圍巖自身穩定性，目前對于圍巖穩定性的分析以聲發射技術最為普遍。五十年代初，Kaiser發現在金屬材料的形變過程中有聲發射現象，聲發射是材料中局域源快速釋放能量產生瞬態應力波的現象，簡稱AE，是一種應力波傳播現象，在大部分材料中它看不到，聽不到，只能用聲發射的相關儀器來進行測量[1]。因此為了云南玉溪市新平縣自走鐵礦1530中段原巖開挖后，能夠選取合理的支護方案，本人通過現場進行石灰巖取樣，在實驗室將石灰巖加工成試件，在剛性試驗機上通過單軸壓縮實驗和數字聲發射檢測儀對試件在應力-應變全過程中產生的聲發射進行分析，通過AE累計振鈴數，累計AE數，AE累計能量三個指標來評價石灰巖在應力-應變全過程中的聲發射特征，結合圍巖支護理論，確定合理的支護方案。

1 巖石聲發射試驗

1.1 巖石試件加工

實驗的巖體選自云南玉溪市新平縣自走鐵礦灰色細條板狀微晶石灰巖，按照國標《工程巖體實試驗方法標準》GB/T 50266-2013相關標準[2]，先運用姜堰市蘇陽儀器機械廠生產的立式巖芯取芯機鉆取巖芯然后運用切割機將巖芯大致切割到？準50*100mm的圓柱體，最后用打磨機進行打磨使試件表面光滑，不平整度小于0.02mm。姜堰市蘇陽儀器機械廠立式巖芯取芯機如圖1所示。姜堰市蘇陽儀器機械廠自動巖石切割機如圖2所示。

1.2 聲發射試驗設備

試驗加載設備采用由長春市朝陽試驗儀器有限公司生產TAW-2000B微機控制電液伺服巖石三軸試驗機。通過北京聲華科技有限公司生產的SDAES數字聲發射檢測儀綁在試件上的探頭來采集巖石試件在加載過程中產生的聲發射信號并把聲發射信號傳輸到計算機中來進行分析。TAW-2000B微機控制電液伺服巖石三軸試驗機如圖3所示。北京聲華科技有限公司生產的SDAES數字聲發射檢測儀如圖4所示。

1.3 試驗測試方法

在試驗中，使用TAW-2000B微機控制電液伺服巖石三軸試驗機和SDAES數字聲發射檢測儀同步進行，加載速度為0.5MPa/s，加載方式為不間斷加載，直至巖石破壞，形成石灰巖的應力-應變全過程曲線，累計AE振鈴數-應力-時間曲線，AE累計能量-應力-時間曲線和累計AE數-應力-時間曲線，通過累計AE振鈴數，AE累計能量，累計AE數對石灰巖應力-應變全過程的聲發射特征進行評價。

2 單軸壓縮條件下的石灰巖應力-應變全過程中的聲發射特征

2.1 石灰巖應力-應變全過程曲線

單軸壓縮條件下石灰巖應力-應變全過程曲線如圖5所示，從圖5可以看出石灰巖單軸壓縮條件下從對巖石施加荷載直到破壞大致經歷4個階段，微裂隙壓密階段，彈性變形階段，裂隙發生和擴展階段，裂隙不穩定發展直到破裂階段 。一般巖石應力應變全過程曲線大致經歷5個，微裂隙壓密階段，彈性變形階段，裂隙發生和擴展階段，裂隙不穩定發展直到破裂階段，破裂后階段[3]。說明石灰巖沒有破裂后階段，接近抗壓強度時立即破壞，脆性較大，發生脆性破壞，殘余強度很小。石灰巖應力-應變全過程曲線如圖5所示。

2.2 AE累計振鈴數

AE累計振鈴數表示超過門檻信號（40dB）的總震蕩次數。AE累計振鈴數如圖6所示。從圖6中可以看出巖石在持續加載過程中，最開始累計振鈴數AE快速增長，隨著施加荷載不斷增加，當應力達到抗壓強度的20%以上時，累計振鈴數AE出現線性增長，待施加荷載達到抗壓強度40%以上時，累計振鈴數出現急劇增長。說明石灰巖內部和表面的孔隙，裂隙很多，石灰巖較為破碎，前期在軸向應力的作用下孔隙，裂隙被壓密，累計振鈴數快速增長，當施加應力達到抗壓強度的20%以上時石灰巖出現彈性變形，這時累計振鈴數線性增長，當施加應力達到抗壓強度40%以上時，石灰巖內部裂隙不穩定發展，裂隙急劇擴展，因此累計振鈴數開始急劇增長，繼續加載石灰巖迅速出現破壞，說明石灰巖是脆性材料。

2.3 累計AE數

累計AE數表示試驗過程中測得的聲發射事件數目之和。累計AE數如圖7所示。從圖7可以看出加載初期，累計生發射數增加了1500個，說明石灰巖內部和表面的孔隙，裂隙被壓密，隨著荷載緩慢加載累計聲發射數增加到1800個，說明石灰巖處于彈性變形階段，沒有新的裂隙產生，累計聲發射數較少，當應力從50MP增加到75MP時，累計聲發射數從1800增加到3000，說明石灰巖發生塑性變形，石灰巖內部產生新的裂隙，當應力接近抗壓強度時，石灰巖迅速出現破壞，石灰巖已經沒有承載能力。石灰巖在應力-應變的全過程中都有聲發射事件發生。

2.4 AE累計能量

累計AE能量表示試驗過程中聲發射能量的總和。AE累計能量如圖8所示。從圖8可以看出累計AE能量在0-75s出現緩慢增長，說明巖石發生彈性變形，在75s-150s石灰巖出現快速增長，說明石灰巖產生塑性變形，在150s之后石灰巖出現急劇增長，說明石灰巖已經開始破壞。

3 工程實例分析

3.1 工程概況

云南玉溪市新平縣自走鐵礦位于新平縣120°方向，井田范圍東西全長8.3km，井田面積6.36km2，礦區地形南低北高，開拓系統為平硐開拓，共設1580，1530，1480三個中段，三個中段均與地表相通，其中1530中段正在進行礦建一期工程，1530中段主要是石灰巖巷道，屬于Ⅲ類圍巖，巷道垂直走向布置，巷道斷面為直墻拱型，巷道斷面規格為2.5*2.7m2。

3.2 巷道破壞分析

綜合分析多個巷道支護實例和施工組織設計，并通過現場調研，造成金屬礦巷道掘進冒頂片幫事故的主要原因有以下三點：

①由于金屬礦山圍巖穩定性比煤礦圍巖相對要好，并且根據相關法律法規GB16423-2006《金屬非金屬礦山安全規程》沒有GB6722-2011《煤礦安全規程》強制要求金屬礦山在巷道掘進中嚴禁空頂作業，致使很多企業為了暫時性的節約成本和工期，沒有充分考慮鑿巖爆破后圍巖自身的穩定性，不進行臨時支護，空頂作業，致使冒頂造成人員傷亡，財產損失。

②沒有做到預測預報，動態管理，沒有科學的支護體系，支護方案不合理，永久支護不及時。

③支護材料，支護強度，作業規程，驗收體系沒有遵守相關法律法規。因此本人通過試驗結果并且對失敗的支護方案進行總結，采用合理的圍巖支護理論，運用石灰巖聲發射特征進行預測預報，動態管理，以確定云南玉溪市新平縣自走鐵礦1533中段石灰巖巷道合理的支護方案，并對支護材料，支護作業，驗收體系三方面進行有效控制以保證支護方案的有效實施。

3.3 支護材料

云南玉溪市新平縣自走鐵礦1530中段進行支護采購的主要支護材料有水泥，粗細骨料，水玻璃，左旋無縱筋螺紋鋼樹脂錨桿，樹脂錨固劑，金屬網，工字鋼支架等。支護材料嚴格執行采購訂貨關，自檢，他檢，存儲和使用關四道工序。

①采購訂貨關。材料供應商提供材料時必須提供具有法定資質檢測單位出具的《出廠合格證》和《出廠檢測報告》。

②自檢。無論是建設單位采購材料還是施工單位采購材料都要進行自檢，對采購材料的質量負責，采購材料以檢驗批為單位執行進場檢驗關，必須具有在合同約定的具有法定資質檢測單位出具的檢測報告，合格后才可以使用。

③他檢。根據國務院令 第279號《建設工程質量管理條例》未經監理工程師或建設單位工程師簽字，建筑材料，建筑構配件和設備不得在工程上使用和安裝。

④存儲和使用關。材料的保管由施工單位承擔，相關的費用在合同中約定，施工單位必須加強材料進場后的存儲和使用管理，避免變質，失效的材料造成質量問題。

3.4 支護方案

3.4.1 圍巖支護理論

在國內外支護學者的不斷努力下，產生了許多支護理論，本次對云南玉溪市新平縣自走鐵礦1530中段進行支護，主要采用新奧新法理論和聯合支護理論。

①新奧法理論。新奧法即新奧地利隧道施工方法的簡稱，原文是New Austrian Tunneling Method 簡稱NATM。新奧法是奧地利學者拉布西維茲教授于20世紀50年代提出的，它是以隧道施工經驗和巖石力學為基礎，將錨桿和噴射混凝土結合在一起為主要支護手段的一種施工方法[4]。新奧法的核心是充分利用圍巖的自承作用，促使圍巖本身為支護結構的重要組成部分，使圍巖與構筑的支護結構共同形成堅固的承載環。即開巷后立即噴射一層混凝土，封閉圍巖的暴露面，形成初期的柔性支護，該層噴層厚度小，且具有柔性，可隨圍巖變形，再布置錨桿或錨網，加固深部圍巖，從而使錨桿，噴層與圍巖組成共同的承載環（稱為外供），支撐圍巖壓力，在初噴和打錨桿過程中，要求對圍巖變形進行監測，當圍巖位移趨于穩定時，進行復噴（稱為內拱），加強噴層抗力，提高安全系數，對于底板不穩定，底鼓變形嚴重的，還應盡快封閉，形成封閉的支護（稱為二次支護），新奧法與傳統施工方法的區別是傳統方法認為巷道圍巖時一種荷載機構，應用厚混凝土加以支護松動圍巖，而新奧法認為圍巖是一種承載機構，柔性薄壁圍巖緊貼的支護結構（以噴射混凝土，錨桿為主要手段）并使圍巖與支護結構共同形成承載環，來承受壓力，并最大限度地保持圍巖穩定，而不致松動破壞[5]。

②聯合支護理論。聯合支護理論是由陸家梁，馮豫，鄭雨天等人在20世紀90年代總結新奧法的基礎上提出的。聯合支護理論認為巷道支護，一味強調支護剛度是不行的，要先柔后剛，先挖后讓，柔讓適度，穩定支護，先允許圍巖有適當變形，再進行穩定支護[6]。

3.4.2 石灰巖聲發射的應用

國內大部分礦山巷道發生冒頂片幫主要原因是套用經驗法，采用一種固定的支護措施，沒有進行有效的預測預報和動態管理，支護不及時，支護不合理，從而引發安全事故。本人通過上述石灰巖聲發射試驗的分析，運用石灰巖聲發射特征對云南玉溪市新平縣自走鐵礦1530中段進行預測預報，動態管理。

①通過圖6可以得出石灰巖在前期軸向應力的作用下，AE累計振鈴快速增長，說明石灰巖內部和表面的孔隙，裂隙很多，石灰巖較為破碎，松散，這種聲發射現象預測巷道在鑿巖爆破之前應當進行超前小導管注漿支護，采用水泥漿和水玻璃雙液注漿，水玻璃作為速凝劑可以加快漿液的凝結時間，增加石灰巖的物理力學性質，防止巷道開挖后頂板發生冒落。巷道施工作業方法采用掘支順序作業，施工作業方式采用滾班制，鉆爆法掘進，爆破方法采用光面爆破，周邊眼多打眼少裝藥，盡可能的減小爆破對圍巖的震動。

②通過圖6，圖7，圖8可以預測當AE累計振鈴，累計AE數，AE累計能量出現線性增長時，說明石灰巖處于彈性變形階段，結合3.4.2圍巖支護理論進行動態管理，此時石灰巖巷道圍巖剛受開挖擾動，巷道應力狀態由三維應力狀態變成二維應力狀態，此時選擇射混凝土進行初噴，作為臨時支護。噴射混凝土本身屬于柔性支護，對巷道圍巖進行支護后，不但可以防止圍巖風化，使圍巖由二維受力轉換成三維受力，在緊貼巖面的情況下，還可以使巷道圍巖產生一定的變形，釋放一定能量，使其滿足圍巖與支護的共同承載支護理論。此道工序雖然在成本與進度上可能會造成一定影響，但是可以在最大的程度上保證安全與支護質量，個人認為盡可能的保障安全，質量才是節約成本與進度的最好途徑，否則造成冒頂，巷道變形嚴重致使人員傷亡，財產損失，巷道挑頂，臥底返工，后果更為嚴重。

③通過圖6，圖7，圖8可以預測當AE累計振鈴，累計AE數，AE累計能量出現急劇增長時，說明石灰巖處于塑性變形階段，圖6，圖7還可以預測石灰巖脆性很大，當施加荷載接近抗壓強度時立即破壞，發生脆性破壞，沒有破壞后階段，說明殘余強度很小。因此針對石灰巖的聲發射特征，在石灰巖處于塑性變形階段時，必須及時進行永久支護，加強支護。此時選擇安裝錨桿，金屬網和復噴混凝土作為永久支護，聯合支護。進行永久支護后，繼續應用聲發射進行動態管理，如果AE累計振鈴，累計AE數，AE累計能量仍然出現線性增長，說明支護強度不夠，可以采用縮小錨桿間排距，復噴混凝土中加入鋼纖維，局部圍巖應用剛性支護工字鋼支架，模板澆筑混凝土進行加強支護，直至聲發射相關數據收斂，穩定為止。

3.5 支護作業

3.5.1 噴射混凝土支護

①混凝土配合比取1：2：2：0.5（水泥：砂子：石子：水），水泥品種選用硅酸鹽水泥，水泥強度42.5級，砂子粒徑0.3-3mm，含泥量不超過5%，石子粒徑10-25mm，含泥量小于1%，選用干凈的水，速凝劑一般摻量為水泥用量的2.5%-4%。

②混合料采用機械攪拌，隨拌隨用，礦車運輸，噴射工藝采用干式噴射法。

③鑿巖爆破后先進行通風安全檢查，敲幫問頂，噴射開始前，先用高風壓，水清洗掉巖面的爆破粉塵和巖體節理中的斷層泥，以保證混凝土與巖面牢固黏結。

④噴射距離應控制在0.8-1.2m，噴射方向與噴射面垂直。

⑤噴射順序應使噴頭螺旋運動，自下而上噴射。

⑥噴射混凝土初凝時間不小于5min，終凝時間不大于10min。

⑦噴射混凝土應在2h后噴水養護，養護時間一般不小7d。

3.5.2 錨網聯合支護

①使用錨桿鉆機鉆頂部錨桿孔，兩幫可以使用氣腿式鑿巖機鉆孔。

②鉆孔時采用濕式鑿巖，做好防塵措施。

③鉆孔過程中要及時對鉆孔的角度，深度進行測量。

④安裝錨桿前用水或壓風將錨桿孔清理干凈。

⑤安裝錨桿時先頂部后兩幫，由外向內。

⑥錨固方式采用全長錨固，錨固錨桿時用錨桿鉆機按樹脂錨固劑先快后慢的順序，將錨固劑依次頂入孔底，再啟動錨桿鉆機攪拌樹脂錨固劑，待錨固凝固后，安裝金屬網，金屬網采用鋼筋網，鋼筋直徑為6-8mm，網格為80*80mm，最后安裝托盤固定金屬網，擰緊螺母使托盤緊貼金屬網。

3.5.3 超前小導管注漿支護

①超前小導管采用無縫鋼管，長度4.5m，鋼管外徑42mm，管身設注漿孔，孔徑8mm，孔間距10cm，呈梅花型布置，前端成錐形，尾部30mm不鉆孔作為止漿墊，防止漿液溢出。

②注漿液采用水泥漿和水玻璃雙液注漿，水泥漿和水玻璃的配比取2：1，水泥品種選用硅酸鹽水泥，水泥強度42.5級，水灰比1：2，水玻璃波美度22-40°Be。

③靜壓注漿，注漿初始壓力一般為0.5MPa，終壓1MPa，擴散半徑0.2m，超前小導管間距0.3m，注漿參數應根據現場情況進行調整。

④用氣腿式鑿巖機進行鉆孔，鉆孔過程中要及時對鉆孔的角度，深度進行測量。

⑤安裝超前小導管用水或壓風將鉆孔清理干凈。

⑥超前小導管沿巷道直墻拱輪廓線布置，并向外偏斜10°-14°，用錨桿鉆機安裝超前小導管。

⑦超前小導管安裝后，注漿開始之前應對開挖面進行噴射混凝土封閉。

⑧安裝孔口管，止漿墊，注漿泵，開始進行注漿，注漿順序先頂部再兩幫，注漿過程中要時刻觀測注漿壓力和注漿量的變化，分析注漿情況，防止跑漿，堵漿，漏漿。待達到注漿終壓后停止注漿。

⑨掘進一個循環進尺后，超前小導管后端用工字鋼進行支撐。

3.6 支護驗收體系

①根據國務院令第279號《建設工程質量管理條例》未經監理工程師或甲方工程師簽字，施工單位不得進行下一道工序的施工。嚴格執行支護驗收體系可以有效地保證支護質量。

②由于云南玉溪市新平縣自走鐵礦屬于冶金系統所以執行YB4913-2013《冶金礦山井巷工程質量驗收規范》，YB4913-2013《冶金礦山井巷工程質量驗收規范》規定主控項目經抽驗檢驗，每個檢查點中的測點合格率應不低于75%，一般項目的檢查點經抽驗檢驗，每個檢查點中的測點合格率應不低于70%。

3.6.1 噴射混凝土驗收

主控項目：

①噴射混凝土要進行見證取樣，取樣方法有噴模法，噴大板法，鉆取法，鑿取法，巷道每30-50m一組，每組不少于3塊，噴射混凝土強度不低于C15。

②噴射混凝土厚度不小于設計值的90%，噴射混凝土厚度不小于50mm，不超過200mm。

一般項目：

①噴射混凝土表面不平整度不大于50mm。

②噴射混凝土基礎深度不小于設計值90%。

3.6.2 錨桿驗收

主控項目：

①錨桿安裝牢固，托盤緊貼巖面，不松動。錨桿擰緊扭矩不得小于100N*m。

②巷道每20-30m一組，每組不少于3根，錨桿拉拔力最低值不得小于設計值90%。

一般項目：

①錨桿孔深度允許偏差應為0-50mm。

②錨桿外露長度不應大于50mm。

③錨桿間，排距允許偏差應為-100-100mm。

④錨桿安裝角度不應小于75°。

3.6.3 支架支護驗收

主控項目：

①背板與巖幫應充填背實。

②柱腿生根到巷道實底。

③支架間的拉桿和橫撐應齊全，牢固。

一般項目：

兩架間的間距允許偏差為-50-50mm。

3.6.4金屬網驗收

主控項目：金屬網應安裝牢固，金屬網與巖壁之間的距離及金屬網與金屬網之間的搭接長度應符合設計要求。

一般項目：金屬網保護層的厚度應不小于20mm。

4 結論

①單軸壓縮條件下從對石灰巖施加荷載直到破壞大致經歷4個階段，微裂隙壓密階段，彈性變形階段，裂隙發生和擴展階段，裂隙不穩定發展直到破裂階段，與一般巖石不同，石灰巖沒有破裂后階段。

②單軸壓縮條件下，石灰巖所受應力接近抗壓強度時，石灰巖迅速破壞，說明石灰巖脆性較大，發生脆性破壞，殘余強度很小，巷道開挖后應當立即支護，產生塑性變形時應當及時支護，充分發揮圍巖自身的穩定性。

③單軸壓縮條件下，石灰巖應力應變全過程中都有聲發射事件發生。

④單軸壓縮條件下，在前期施加荷載中（微裂隙壓密階段）累計聲發射數快速增長，說明石灰巖內部和表面的孔隙，裂隙較多，巷道圍巖較為破碎。

⑤單軸壓縮條件下，當施加應力達到抗壓強度的20%以上時，累計AE數和AE累計振鈴數出現線性增長，說明石灰巖處于彈性變形階段。當施加應力達到抗壓強度的40%以上時累積AE數和AE累計振鈴數出現急劇增長，說明石灰巖處于塑性變形階段。繼續加載巖石迅速出現破壞。

⑥單軸壓縮條件下，當施加應力達到抗壓強度的10%以下時能量增加的比較緩慢，當施加應力達到抗壓強度的10%以上時，能量出現快速增長。

參考文獻：

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