基于真三軸試驗(yàn)條件的巖爆模擬聲發(fā)射特征研究

摘要：為研究礦山高應(yīng)力環(huán)境下深埋硐室開(kāi)挖后因應(yīng)力集中引發(fā)巖爆顯現(xiàn)的聲發(fā)射特征，采用TRW-3000型巖石真三軸電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)配合PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)大理巖試件模擬深埋硐室圍巖體單面臨空三向-五面應(yīng)力環(huán)境開(kāi)展三向獨(dú)立加載和單面突然卸載試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：聲發(fā)射特征的振鈴計(jì)數(shù)和b值能反映巖石內(nèi)部裂隙孔洞的發(fā)育、發(fā)展及貫通情況，臨爆階段振鈴計(jì)數(shù)密集出現(xiàn)并達(dá)到峰值，同時(shí)聲發(fā)射b值驟降，巖樣內(nèi)部孔洞裂隙迅速擴(kuò)展發(fā)育形成大尺度裂紋，隨后試件出現(xiàn)強(qiáng)烈的整體失穩(wěn)破壞。因此，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)密集增長(zhǎng)現(xiàn)象可作為判斷礦山深埋硐室圍巖體存在巖爆發(fā)生可能的關(guān)鍵階段，聲發(fā)射b值的突然降低現(xiàn)象可作為巖爆即將發(fā)生的前兆特征，為深部礦區(qū)開(kāi)采實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：高應(yīng)力；深部開(kāi)采；深埋硐室；應(yīng)變型巖爆；真三軸加卸載；聲發(fā)射特征

[中圖分類號(hào)：TD315 文章編號(hào)：1001-1277（2025）02-0018-05 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.11792/hj20250203 ]

引言

在礦山領(lǐng)域，隨著礦產(chǎn)資源的大量采挖，逐漸由淺入深、由短距單通道向超長(zhǎng)超寬多通道工程開(kāi)辟，其中面臨諸多工程難題，巖體動(dòng)力災(zāi)害明顯增多，尤其隨著埋深的加大，地應(yīng)力也隨之增大，高應(yīng)力硬質(zhì)圍巖受到外界動(dòng)力擾動(dòng)荷載作用而發(fā)生失穩(wěn)破壞，甚至誘發(fā)圍巖動(dòng)力彈射性破裂的巖爆災(zāi)害等，目前已引起巖石力學(xué)界的高度重視［1-3］。巖爆是由于高地應(yīng)力地區(qū)硬質(zhì)圍巖體受到開(kāi)挖卸荷或施工擾動(dòng)等因素，巖體內(nèi)積聚的大量彈性勢(shì)能瞬間釋放，引發(fā)圍巖彈射性破裂的現(xiàn)象，巖爆一般烈度大且彈射巖塊具有一定動(dòng)能，因此給工程設(shè)備及作業(yè)人員帶來(lái)了巨大威脅［4-5］。巖爆災(zāi)害的演化機(jī)理復(fù)雜模糊，室內(nèi)模擬試驗(yàn)是分析其演化過(guò)程的一個(gè)十分重要的研究手段。

李郴娟等［6］通過(guò)對(duì)圓柱形大理巖試件開(kāi)展單軸壓縮聲發(fā)射巖爆模擬試驗(yàn)，從而深入地研究了大理巖的變形破壞特征及聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律，研究結(jié)果表明，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)和聲發(fā)射b值可作為巖爆災(zāi)害即將發(fā)生的特征參數(shù)。張國(guó)凱等［7］通過(guò)對(duì)花崗巖開(kāi)展單軸壓縮試驗(yàn)，研究了裂紋擴(kuò)展不同階段聲發(fā)射演化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射測(cè)試可反映微裂紋的初始萌生，并將聲發(fā)射能量在破壞前呈突發(fā)性增長(zhǎng)現(xiàn)象作為災(zāi)害性破壞的前兆。劉健等［8］對(duì)不同埋藏深度的灰?guī)r巖芯試樣開(kāi)展單軸加載聲發(fā)射試驗(yàn)及單軸加卸載試驗(yàn)，結(jié)合聲發(fā)射RA-AF值演化特征及宏觀破裂形貌識(shí)別不同巖爆傾向灰?guī)r的破裂特征。姜德義等［9］通過(guò)對(duì)頁(yè)巖開(kāi)展單軸狀態(tài)下的壓縮試驗(yàn)，研究了脆性巖石破壞過(guò)程中的能量變化規(guī)律。研究結(jié)果顯示：子時(shí)間區(qū)間與全過(guò)程區(qū)間具有相同的臨界指數(shù)，因此可以通過(guò)試驗(yàn)前期的聲發(fā)射情況了解破裂和破裂中能量釋放的狀態(tài)。

上述研究均采用單軸加卸載方式對(duì)非均質(zhì)巖石類材料開(kāi)展壓縮變形試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中配合聲發(fā)射監(jiān)測(cè)手段研究聲發(fā)射參數(shù)信息與巖石試件變形破壞之間的關(guān)聯(lián)性，并取得了一定成果。然而，深部圍巖體常處于高地應(yīng)力環(huán)境下，圍巖在開(kāi)挖前處于三維應(yīng)力狀態(tài)，其中，2個(gè)方向主應(yīng)力較大，另一個(gè)方向主應(yīng)力較小，開(kāi)挖后圍巖體則處于二維應(yīng)力狀態(tài)，并在開(kāi)挖卸載瞬間原巖應(yīng)力超過(guò)因圍壓卸除急劇下降的圍巖承載能力，導(dǎo)致圍巖集聚彈性應(yīng)變能急劇釋放，進(jìn)而導(dǎo)致巖爆發(fā)生，巖爆常發(fā)生在硬質(zhì)脆性巖體內(nèi)［10］。與單軸、常規(guī)三軸、真三軸等常規(guī)試驗(yàn)相比較，深部圍巖體開(kāi)挖后形成的臨空面，其附近圍巖單元受力狀態(tài)為單面臨空的三向-五面受力狀態(tài)，因此單面臨空的真三軸加卸載試驗(yàn)更能夠模擬開(kāi)挖后圍巖體的應(yīng)力狀態(tài)［11-16］。

為研究礦山高應(yīng)力環(huán)境下地下深埋硐室因局部應(yīng)力集中誘導(dǎo)的應(yīng)變型巖爆災(zāi)害全過(guò)程聲發(fā)射特征，利用TRW-3000型巖石真三軸電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行三向獨(dú)立加卸載，配合PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集巖爆模擬試驗(yàn)全過(guò)程應(yīng)力、位移及聲發(fā)射等參數(shù)數(shù)據(jù)。將從某銅礦深部區(qū)域硐室獲取的大理巖制成標(biāo)準(zhǔn)正方體試件，通過(guò)開(kāi)展三向獨(dú)立加載、單面突然卸載、中間主應(yīng)力及最小主應(yīng)力加載至初始地應(yīng)力水平后應(yīng)力保持的加卸載方式，最大程度還原深部圍巖體單面臨空三向-五面應(yīng)力環(huán)境下的應(yīng)變型巖爆發(fā)生條件。

1試驗(yàn)設(shè)備及方案

1.1試驗(yàn)設(shè)備

真三軸加卸載條件下巖爆模擬試驗(yàn)采用中南大學(xué)自主研制的TRW-3000型巖石真三軸電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行加載，并配合美國(guó)物理聲學(xué)公司的PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其中，PCI-Ⅱ型聲發(fā)射系統(tǒng)最高采樣頻率為40 MHz，具有18位數(shù)模轉(zhuǎn)換能力，能夠記錄聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、能量、幅值等多個(gè)特征參數(shù)和完整波形。TRW-3000型巖石真三軸電液伺服試驗(yàn)系統(tǒng)能夠模擬加載系統(tǒng)三向（x、y、z）獨(dú)立的高壓真三軸狀態(tài)，垂直方向最大載荷3 000 kN、前后方向最大載荷2 000 kN、左右方向最大載荷2 000 kN，并且能夠模擬單向或雙向突然卸載，很好地契合了本次試驗(yàn)?zāi)M深部采掘活動(dòng)形成臨空面環(huán)境下的應(yīng)變型巖爆發(fā)生狀態(tài)。

1.2試驗(yàn)方案

真三軸加載條件下巖爆模擬試驗(yàn)用大理巖采自某銅礦深部區(qū)域硐室，原巖塊經(jīng)密封被帶回實(shí)驗(yàn)室后及時(shí)進(jìn)行切割、打磨后制成50 mm×50 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)正方體待測(cè)試件，加工過(guò)程嚴(yán)格按照GB/T 50266—2013" 《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》執(zhí)行，待測(cè)試件外表面平整光滑，從而有效避免因偏壓導(dǎo)致局部應(yīng)力集中影響試驗(yàn)結(jié)果。

將待測(cè)試件按照操作規(guī)程安裝于試驗(yàn)臺(tái)上，試件夾持方式及載荷方向見(jiàn)圖1，墊塊夾持位置見(jiàn)圖2。對(duì)50 mm×50 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)正方體待測(cè)試件采取應(yīng)力控制下的加載方式，加載速率為2 kN/s；σ1、σ2、σ3同時(shí)加載，σ1為上下垂直載荷（z方向），σ2為左右水平載荷（y方向），σ3為前后水平載荷（x方向）；σ1、σ2、σ3加載至初始地應(yīng)力水平后，應(yīng)力保持；保持一段時(shí)間待應(yīng)力重分布后，操作卸載杠桿，迅速（0.05 s）卸載x方向前端的主應(yīng)力，形成臨空面，以模擬人為采掘后留下的裸露巖；隨后，σ2應(yīng)力保持，臨空面對(duì)向應(yīng)力不變，σ1以2 kN/s的加載速率繼續(xù)加載，直至發(fā)生明顯巖爆現(xiàn)象后停止。三軸巖爆模擬試驗(yàn)加載方式及路徑見(jiàn)圖3、圖4。

2聲發(fā)射特征研究

2.1聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)特征

真三軸加載條件下巖爆模擬試驗(yàn)選取具有典型巖爆特征的試件G1及G3進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)聲發(fā)射原始監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集處理，提取其中參數(shù)信息，繪制時(shí)間-聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系，并結(jié)合應(yīng)力演變過(guò)程，研究真三軸加載條件下巖爆的聲發(fā)射特征。試件G1和試件G3的時(shí)間-應(yīng)力-聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖5、圖6。

從試件G1時(shí)間-應(yīng)力-聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系中可以看出：剛開(kāi)始加載時(shí)，巖石試件由于處于壓密階段，內(nèi)部孔洞裂隙在外界載荷作用下逐漸閉合，聲發(fā)射信號(hào)活躍，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)高聳密集；待σ1應(yīng)力保持后，聲發(fā)射信號(hào)逐漸平穩(wěn)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)底伏稀疏；在三向應(yīng)力均處于應(yīng)力保持階段，巖石試件處于應(yīng)力重分布狀態(tài)，聲發(fā)射信號(hào)歸于寂靜，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)基本為零；隨著單面卸載完成臨空面出現(xiàn)后，垂直應(yīng)力繼續(xù)加載，聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)短暫活躍，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)表現(xiàn)出先密集增長(zhǎng)后稀疏低伏；隨著加載的進(jìn)行，巖石試件內(nèi)部彈性勢(shì)能積聚，聲發(fā)射信號(hào)明顯活躍，并在500 s附近達(dá)到一次峰值，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)表現(xiàn)出密集叢生現(xiàn)象；臨近抗壓強(qiáng)度時(shí)，可清晰聽(tīng)見(jiàn)輕微爆裂聲響，聲發(fā)射信號(hào)非常活躍，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)達(dá)到峰值，隨后（5 s）巖爆發(fā)生，巖石試件臨空面崩碎，大量巖塊、巖粉噴出。通過(guò)對(duì)比圖5-a）與圖5-b）不同數(shù)量級(jí)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)峰值規(guī)律，雖然加載中期（500 s）與臨爆時(shí)（579 s）聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)均達(dá)到峰值，但后者峰值明顯高于前者，說(shuō)明臨爆時(shí)巖石試件內(nèi)部出現(xiàn)了大規(guī)模的裂隙孔洞擴(kuò)展、貫通形成宏觀破裂，最終在外界微小擾動(dòng)下內(nèi)部積聚的大量彈性勢(shì)能瞬間釋放導(dǎo)致巖爆發(fā)生。

從試件G3時(shí)間-應(yīng)力-聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系中可以看出：首次加載時(shí)，巖石試件內(nèi)部孔洞裂隙閉合，此過(guò)程向外釋放大量聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)高聳密集出現(xiàn)；三向應(yīng)力保持階段前后，除單面卸載時(shí)釋放大量聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)達(dá)到峰值外，其余時(shí)段內(nèi)聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)均維持在較低水平；三向應(yīng)力保持階段內(nèi)，基本無(wú)聲發(fā)射活動(dòng)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)近乎為零；隨著垂直載荷的加大，巖石內(nèi)部微裂隙進(jìn)一步發(fā)育，聲發(fā)射活動(dòng)變得活躍，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)開(kāi)始密集增長(zhǎng)；巖爆發(fā)生前，聲發(fā)射信號(hào)活躍程度達(dá)到頂峰，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)突增至最大值，不久后（6 s），巖爆劇烈發(fā)生，巖石試件整體損壞崩裂。通過(guò)對(duì)比圖6-a）與圖6-b）不同數(shù)量級(jí)的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)峰值規(guī)律，臨爆時(shí)（579 s）的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)峰值現(xiàn)象顯著，其與巖石內(nèi)部裂隙孔洞的發(fā)展、貫通形成宏觀破裂關(guān)系緊密，而單面卸載時(shí)（274 s）的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)峰值則與巖石內(nèi)部應(yīng)力重分布及機(jī)械干擾有關(guān)。

綜上所述，在真三軸加載條件下巖爆模擬試驗(yàn)過(guò)程中，聲發(fā)射信號(hào)活躍程度與三向載荷之間規(guī)律明顯，能夠很好地反映巖石內(nèi)部微裂隙孔洞的發(fā)育、發(fā)展及貫通情況，從而反映出巖石內(nèi)部局部應(yīng)力集中程度。通過(guò)真三軸加載條件下巖爆模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)在加載前期、應(yīng)力保持階段、加載后期及臨爆階段特征各有不同。其中，臨爆階段聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)達(dá)到峰值，且顯著高于其他各階段，此現(xiàn)象可作為巖爆即將發(fā)生的前兆特征，并以聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)密集增長(zhǎng)現(xiàn)象作為判斷巖體存在巖爆發(fā)生可能性的關(guān)鍵預(yù)防階段，為工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

2.2聲發(fā)射b值特征

b值的概念最早起源于地震學(xué)，由Gutenberg和Richter研究世界地震活動(dòng)性時(shí)提出，即著名的地震震級(jí)與頻度的G-R關(guān)系式（見(jiàn)式（1）），它可以用來(lái)表征裂紋擴(kuò)展的尺度。因此，分析聲發(fā)射b值特征對(duì)于加載過(guò)程中巖樣的破壞模式具有重要的物理意義。學(xué)者在研究巖石聲發(fā)射b值時(shí)，通常將G-R關(guān)系式中的震級(jí)M由幅值ML替換［17-18］，即G-R關(guān)系式可由式（2）與式（3）替代。

[lg N=a-bM] （1）

[ML=ms/20] （2）

[lg N=a-bML] （3）

式中：N為震級(jí)在ΔM范圍內(nèi)地震頻度；M為地震震級(jí)；ML為加載過(guò)程中的“震級(jí)”；a，b為常數(shù)，其中，b值為相對(duì)震級(jí)分布的函數(shù)，也為裂紋擴(kuò)展尺度的函數(shù)；ms為加載過(guò)程中監(jiān)測(cè)到的聲發(fā)射振幅。

脆性巖石的破壞模式與內(nèi)部裂紋的演化過(guò)程與地震發(fā)生機(jī)制一致，即b值的大小可以反映巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育的尺度。一般來(lái)說(shuō)，b值處于相對(duì)低值時(shí)，聲發(fā)射事件以高幅值居多，巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育以大尺度破裂為主；ｂ值降低則表示大聲發(fā)射事件的比例在增加。相反亦然，高聲發(fā)射b值預(yù)示著巖石內(nèi)部破裂以小尺度裂隙孔洞發(fā)育占據(jù)主導(dǎo)。

計(jì)算聲發(fā)射b值的常用方法可分為最小二乘法和最大似然法，本文采用線性最小二乘法進(jìn)行b值計(jì)算。在b值計(jì)算時(shí)，參考三軸受載過(guò)程中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)特征，采樣窗口分別獲取500個(gè)聲發(fā)射事件和1 000個(gè)聲發(fā)射事件為一組，步長(zhǎng)選取100個(gè)聲發(fā)射事件，按聲發(fā)射事件時(shí)間順序滑動(dòng)窗口進(jìn)行取樣計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)圖7。同時(shí)，為了進(jìn)一步研究聲發(fā)射事件是否符合G-R關(guān)系，需要對(duì)試件的聲發(fā)射振幅-頻度分布進(jìn)行線性分析。試件聲發(fā)射振幅-頻度分布見(jiàn)圖8。由圖8可知，試件G1和G3的擬合度R2分別達(dá)到0.955 9和0.979 2，擬合度R2均高于0.95，說(shuō)明試件G1和試件G3的聲發(fā)射振幅-頻度分布都具有良好的線性關(guān)系，符合G-R關(guān)系式。

3結(jié)論

1）真三軸加載條件下巖爆模擬試驗(yàn)通過(guò)三向-五面獨(dú)立加載，能夠最大程度還原深部因采掘活動(dòng)下單面臨空圍巖體內(nèi)局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的應(yīng)變型巖爆現(xiàn)象，模擬試驗(yàn)結(jié)果顯示，聲發(fā)射信號(hào)活躍程度與三向載荷之間規(guī)律明顯。

2）聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)能夠反映不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石試件內(nèi)部裂隙孔洞的發(fā)育、發(fā)展、貫通情況，各階段聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)特征為：加載初期高聳密集，應(yīng)力保持階段近乎歸零，單面臨空時(shí)出現(xiàn)短暫增長(zhǎng)，加載后期密集增長(zhǎng)，臨爆時(shí)達(dá)到峰值。

3）根據(jù)巖爆不同時(shí)期的聲發(fā)射特征研究結(jié)果：臨爆階段聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)達(dá)到峰值，且顯著高于其他各階段，此現(xiàn)象可作為巖爆即將發(fā)生的前兆特征；并以聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)密集增長(zhǎng)現(xiàn)象作為判斷巖體存在巖爆發(fā)生可能性的關(guān)鍵預(yù)防階段。

4）聲發(fā)射b值可以衡量巖石內(nèi)部微裂隙的發(fā)育情況，較低的b值說(shuō)明巖石內(nèi)部發(fā)生大尺度破裂，而較高的b值則反映以小尺度裂隙發(fā)育為主。在高應(yīng)力條件下，聲發(fā)射b值的突然降低可作為巖爆即將發(fā)生的前兆特征，為工程實(shí)踐提供理論指導(dǎo)。

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Study on acoustic emission characteristics of rockburst simulation under"true triaxial test conditions

Huang Zhanying1， Zhang Tan2， Nie Huawei1， Li Chenjuan1

（1. Guizhou Communications Polytechnic University ;" 2. Guizhou Equipment Manufacturing Polytechnic）

Abstract：To investigate the acoustic emission characteristics of rockburst caused by stress concentration during excavation in deep?buried chambers under high?stress mining environments， true triaxial tests were performed using the TRW-3000 true triaxial apparatus coupled with the PCI-Ⅱacoustic emission monitoring system. Three?way and five?face stress environments with one side of the deep?buried chamber surrounding rocks facing air are simulated by carrying out triaxial independent loading and sudden single?sided unloading on marble specimens. The results show that the ringing count and b?value of acoustic emissions effectively reflect the initiation， propagation， and coalescence of internal cracks and voids in the rock. During the pre?failure stage， the ringing count rapidly increases and reaches its peak， while the b?value sharply drops， indicating the rapid expansion of internal voids and cracks into large?scale fractures， leading to severe instability and failure of the specimen. The dense growth of ringing counts can serve as a key indicator of the likelihood of rockburst occurrence in the deep?buried chamber surrounding rocks， while the sudden decrease in the b?value is a precursor to imminent rockburst. These findings provide theoretical guidance for mining practices in deep underground areas.

Keywords：high stress; deep mining; deep?buried chamber; strain?type rockburst; true triaxial loading and unloading; acoustic emission characteristics

基金項(xiàng)目：貴州省科技廳科學(xué)技術(shù)基金（黔科合基礎(chǔ)〔2020〕1Y280）；貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院院級(jí)科研項(xiàng)目（ZBKY2024-Y031）

作者簡(jiǎn)介：黃湛煐（1993—），女，講師，碩士，從事巖土安全研究工作；E?mail：95697437@qq.com

*通信作者：張倓（1994—），男，助教，碩士，從事礦山安全方向的研究工作；E?mail：772865274@qq.com