某礦深部灰巖蠕變聲發射試驗與特性研究

閆明帥 邱 宇 陳 辰 王曉軍

(1.五礦礦業(安徽)工程設計有限公司；2.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；3.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；4.江西理工大學資源與環境工程學院)

圍巖的穩定性影響著地下安全開采，其中，圍巖的流變特性對于地下開采的影響尤為突出[1-4]。近年來，大量學者對深部巖石蠕變特性進行了深入研究，成果豐碩[5-8]，但對于巖石蠕變過程中聲發射特征的研究成果相對較少[9-10]。聲發射的產生與巖石蠕變損傷有關，如何利用聲發射信號對巖石蠕變破壞行為進行分析，進而利用聲發射對巖石蠕變破壞進行監測和預報值得深入研究。本研究通過對某礦深部灰巖進行分級加卸載條件下的短時蠕變聲發射試驗，分析灰巖樣品在不同蠕變階段的聲發射參數變化特征，為預測、預報灰巖蠕變破壞提供依據。

1 試驗方案

試驗試樣選自某礦深部灰巖，按照《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—2013)[11]制成了6件規格為50 mm×100 mm(直徑×高度)的標準試件(圖1)。

本研究試驗的加載系統為GDS三軸流變儀(圖2)。該系統與傳統壓力機相比具有無限剛度的特征，能夠給出精確的材料應力-應變關系曲線，有助于減少試驗中的誤差，使得試驗結果更加符合實際[12]。此外，在巖芯加載過程中可以通過計算機自動校正位移，也能夠在一定程度上提高試驗的準確性。

圖1 試樣照片

圖2 GDS三軸流變儀

試驗開始時施加軸壓，施加軸壓過程采用載荷控制加載方式，開始時加載速度為0.1 kN/s，加載至預定的初始軸壓值。為防止試件在加載時發生破壞，高應力水平時的加載速度為0.5 kN/s。待試件達到自身抗壓強度后，試件發生破壞，從而可以得到不同圍壓狀態的應力-應變曲線。短時蠕變聲發射試驗采用分級加載方式。加載級數及每一級加載的應力水平應根據前期單軸抗壓試驗結果進行劃分，本研究根據單軸抗壓試驗結果共分為個6級別。在巖石蠕變的全過程中，采用PCⅠ-Ⅱ AEwin聲發射系統采集巖石的聲發射信號。該型儀器能夠實時顯示聲發射信號的波形和聲發射參數，并且能滿足長時間監測需求。在試件軸向中間部位布置聲發射傳感器，聲發射探頭與試件采用專用耦合劑耦合。聲發射采樣頻率為1 000 kHz，門檻值設置為40 dB。

2 結果分析

2.1 不同蠕變階段聲發射特征

本研究選取其中1件試件(編號為H-54)，將每1分級的聲發射數據進行分類分析，通過對聲發射參數中的振鈴計數進行分析處理，并結合試件的體積應變變化，綜合分析不同應力水平狀態下的聲發射特征。巖石的體應變計算公式為

εV=εz+2εh，

式中，εV為體積應變；εz為軸向應變；εh為橫向應變。

經數據分析處理，得到不同階段的振鈴計數和體積應變的變化曲線。分析可知：在整個灰巖蠕變破壞過程中，聲發射事件數與蠕變體積應變具有較好的相關性，在低應力恒載過程中，聲發射大都集中于恒載前期，聲發射的振鈴計數發生突變時一般在巖石的減速蠕變階段，巖石長期處于不變的應力水平下，巖石雖然會出現少量變形，但一般不會引起聲發射；隨著應力水平的增加，在恒載時間中期，偶爾也有聲發射突增現象出現，說明在高應力水平恒載狀態下，在等速蠕變階段，部分巖石會出現裂紋擴展現象；在最后一級恒載時，即達到巖石單軸抗壓強度的90%左右時，巖石的恒載初始階段以及即將發生破壞的前期都會出現大量聲發射現象，表明巖石可能發生蠕變破壞。

2.2 累計振鈴事件比與泊松比變化特征

為進一步揭示巖石蠕變與聲發射變化的密切相關性，根據不同時期的軸向應變和橫向應變計算出了泊松比，累計振鈴事件比(即累計振鈴計數與累計事件數的比值)對巖石的變形與斷裂較敏感，優于單一的聲發射參量分析結果[13-14]。本研究試驗得出的泊松比-累計振鈴事件比變化曲線如圖3所示。

分析圖3可知：在灰巖整個蠕變破壞過程中，聲發射累計振鈴事件比與蠕變體泊松比具有較好的相關性，在恒載階段，灰巖的瞬時泊松比變化較大，跳動較大，此時的聲發射累計振鈴事件比變化也較大；在長期蠕變階段，隨著時間的增加，灰巖的泊松比和聲發射累計振鈴事件比均趨于某個穩定值，即使有變化，也是在相對穩定的范圍內，說明等速蠕變階段灰巖的泊松比和累計振鈴事件比都將進入一個平靜期；當加載應力達到巖石單軸抗壓強度的90%左右時(巖石即將破壞時)，巖石的聲發射累計振鈴事件比會出現突變現象。

3 結 論

(1)某礦深部灰巖樣品聲發射事件數與體積應變具有較好的相關性，低應力恒載時，聲發射大都集中于恒載前期，聲發射的振鈴計數發生突變時一般在巖石的減速蠕變過程中，恒載后期出現了大量聲發射現象，表明巖石可能發生蠕變破壞。

(2)在巖石發生蠕變破壞過程中，聲發射累計振鈴事件比與蠕變體泊松比有較好的相關性，初期泊松比變化大，波動較大，聲發射累計振鈴事件比也有較大變化；長期蠕變階段，泊松比及聲發射累計振鈴事件比均趨于某一穩定值，在巖石即將要發生破壞的前期，聲發射累計振鈴事件比會出現突變。

圖3H-54樣品泊松比-累計振鈴事件比變化曲線