基于声发射RA-AF 值识别不同岩爆倾向性灰岩破裂特征

刘 健 王晓军 徐莎莎 陈青林 曾 强 张 河

(1.江西理工大学资源与环境工程学院,江西 赣州 341000;2.江西省矿业工程重点实验室,江西 赣州 341000;3.安徽马钢罗河矿业有限责任公司,安徽 合肥 231500;4.江西铜业集团银山矿业有限公司,江西 德兴 334200)

矿产资源是国民经济发展不可或缺的基础支撑产业,随着深部开采矿山规模的不断扩大,岩爆等地质灾害发生几率也在逐年攀升[1-3],对深部金属矿山开采过程中人员与设备的安全构成巨大隐患。近年来,许多学者对深部岩石的岩爆倾向性开展了大量研究,宫凤强等[4]和张传庆等[5]归纳总结了多种岩爆倾向性指标,并且对不同岩爆判据得到的结果进行探讨与改进。在对不同岩石或者针对不同工程实际问题时发现采用单一岩爆判据往往会具有一定的局限性,而且采用不同判据得到的岩爆倾向性分级结果会有差异,于是大多采用多重判据对某一矿山岩石的岩爆倾向性强弱等级进行综合评定[5-8]。故本研究基于3种不同的岩爆判据对不同埋藏深度灰岩的岩爆倾向性强弱程度进行综合判定与分级。

声发射监测技术目前被广泛运用在岩石试验中,已成为研究岩石加载变形破坏的重要手段。苗金丽等[9]探究了岩石岩爆微观破裂特征与声发射频谱及RA值间的关联性。王创业等[10]对花岗岩试件开展不同水平应力下的双轴加载试验,研究结果表明水平应力愈大张拉破坏占比愈少、剪切破坏作用愈明显,微观破裂特征与声发射参数特征保持一致。周子龙等[11]与谭嘉诺等[12]均发现声发射RA值与岩石的破裂模式具有极大的相关性。日本混凝土协会提出一种将声发射信号AF值与RA值联系起来评价混凝土材料的裂纹破坏机制的方法[13]。吴顺川等[14]的研究表明RA值和AF值可运用在隧道监测中。国内外众多学者研究发现该方法同样可以应用于识别岩石在不同受载条件下的破裂模式[15-19],并且得到了不同的研究结论。以上研究表明RA-AF值评价体系判断岩石裂纹类型是切实可行的,但以往学者的研究大多以单一或者几种岩石试验为主,鲜有应用在识别不同埋深灰岩破裂模式。

因此本研究对取自同一钻井不同埋深的灰岩试样开展单轴压缩试验和单轴加卸载试验,基于多重岩爆倾向性判据综合判定不同埋深灰岩的岩爆倾向性强弱等级。对不同埋深灰岩单轴加载过程中采集的声发射信号进行分析,结合不同埋深灰岩在加载作用下变形破坏后的宏观裂纹与RA-AF值分布特征,综合分析得到不同岩爆倾向性灰岩的破裂特征。

1 试验过程简介

1.1 试件制备

试验所用灰岩试件均取自江西某铜矿同一地质钻孔,每间隔近100 m 深度获取整体较完整且无明显裂隙的灰岩岩芯,将其制备成标准圆柱形试件,直径高度分别为ϕ50 mm、100 mm。为保证灰岩岩样的平整度,以及弱化岩石端部效应对实验结果的影响,采用双端面磨石机对试件两端进行打磨抛光,将各试件端部的平整度控制在±0.02 mm范围内,岩芯获取与加工示意如图1所示。

图1 岩芯获取与加工示意Fig.1 Schematic diagram of core acquisition and processing

1.2 试验方案

开展力学试验前先测定不同埋深灰岩的基本物理参数,采用核磁共振仪测定不同埋深灰岩的孔隙率,纵波波速则由波速仪测得。单轴压缩试验采用RMT-150C 型力学加载系统,加载控制形式为力控制,设定加载速率为0.02 kN/s。进行力学试验的过程中辅以PCI-Ⅱ型声发射监测系统,选用2 枚型号为UT1000 的声发射传感器。声发射设置参数如表1所示,岩石加载声发射系统示意如图2所示。

图2 岩石加载声发射系统示意Fig.2 Schematic diagram of rock loading acoustic emission system

表1 声发射系统参数设置Table 1 Parameter settings of acoustic emission system

1.3 基本物理力学参数

根据上述试验方案,测得不同埋深灰岩的基本物理力学参数结果如表2所示,对比图见图3。由表2和图3 可知,灰岩基本物理力学参数与其埋深均具有较高的线性拟合关系,相关系数均在0.80 以上,纵波波速和单轴抗压强度与埋深的线性相关性均比较高,达到了0.92 以上。灰岩的孔隙率随着埋深梯度的增加逐渐减小,密度与纵波波速均随着埋深梯度增加逐渐增大,结果表明埋深越深的灰岩试件内部孔隙率愈小且致密性愈强。灰岩的单轴抗压强度与弹性模量随着埋藏深度的增加而增大,表明深部灰岩较浅部灰岩具有更强的硬脆性。

图3 基本物理力学参数对比Fig.3 Comparison of basic physical and mechanical parameters

表2 基本物理力学参数测定结果Table 2 Measurement results of basic physical and mechanical parameters

2 不同埋深灰岩岩爆倾向性综合评价

国内外众多专家学者在隧道、桥梁、矿山等多个工程领域提出了大量岩爆倾向性评价指标,对各部门生产作业及岩爆灾害预警都具有巨大的工程意义。

2.1 岩爆倾向性判据

本研究基于弹性应变能指数WET、线弹性能指数PES和变形脆性指数Kε3种岩爆倾向性判据对不同埋深灰岩的岩爆倾向性等级进行综合判定。单轴一次加卸载曲线示意如图4所示。

图4 单轴一次加卸载曲线示意Fig.4 Schematic diagram of single-axis loading and unloading curve

弹性应变能指数WET的无量纲表达式为

式中,Ee为加卸载过程中的弹性应变能,MJ;Ep为加卸载过程中耗散的能量,MJ;εt为灰岩峰值应力处的总应变,‰;εp为塑性应变(即不可恢复的永久变形),‰;εe为弹性应变(即可恢复变形),‰;f(ε)为加载σ-ε曲线;f1(ε)为卸载σ-ε曲线。

线弹性能指数PES的表达式为

式中,σc表示灰岩的单轴抗压强度,MPa;ES表示灰岩卸载曲线的切线模量,GPa。

变形脆性指数Kε的表达式为

以上3种岩爆判据的岩爆倾向性等级划分标准如表3所示。

2.2 单轴加卸载试验

单轴加卸载试验的加载控制方式与加载速率与本文1.2 节单轴压缩试验的设置参数保持一致,将轴向荷载的加载终点设置为平均抗压强度的80%～90%,加载完成后保持设置参数不变将力再卸载至0。选取各埋藏深度具有代表性的灰岩岩样进行对比分析,各埋深灰岩的加卸载曲线如图5所示。

图5 不同埋深灰岩单轴加卸载应力—应变曲线Fig.5 Uniaxial loading and unloading stress-strain curves of different buried deep limestones

对比不同埋深灰岩的单轴加卸载应力—应变曲线的整体形状可知,随着灰岩埋深梯度的增加,加卸载曲线由“肥大”逐渐变得“尖细”,即灰岩加卸载曲线与横轴所包络的面积逐渐变小。结合弹性应变能指数可知这一包络面积表示的为岩石在加卸载过程中释放的耗散能,由此可知埋深越深的灰岩在加卸载破坏过程中耗散能占比越低。

2.3 岩爆倾向性综合评价

根据各岩爆倾向性判据相应的计算公式得到不同埋藏深度灰岩的岩爆倾向性判定结果如表4所示,对比图见图6。不同岩爆判据对相同埋深灰岩的岩爆倾向性判别结果存在差异,但由浅部到深部灰岩试样的岩爆倾向性判别结果具有一致性,数值大小均随着埋藏深度的延伸逐渐增大,由-600 m 灰岩的无岩爆倾向性逐步递增至-1 000 m 的强岩爆倾向性。基于多重岩爆判据的综合判定结果为:-600 m 埋深的灰岩试样无岩爆倾向性,埋深为-700 m 的灰岩试样具有弱岩爆倾向性,埋深为-800 m与-900 m 的灰岩试样均具有中等岩爆倾向,-1 000 m 埋深的灰岩试样具有强岩爆倾向性,可预见埋深大于1 000 m 的灰岩同样具有强岩爆倾向性。

图6 不同埋深灰岩岩爆倾向性判别结果对比图Fig.6 Comparison of the results of discriminating rockburst propensity of different buried deep limestones

表4 不同埋深灰岩岩爆倾向性综合评价Table 4 Comprehensive evaluation of rockburst tendency of different buried deep limestones

根据弹性应变能指数和线弹性能指数两能量指数的数值变化,可知深部灰岩内部储存的弹性应变能较浅部灰岩更多,由于深部灰岩的高地应力环境,当人为开挖等导致灰岩所处应力环境发生变化时,积聚在灰岩内部的能量极易释放出来从而形成岩爆现象。根据变形脆性指数数值的变化可知随着灰岩埋藏深度的增加,总应变与塑性应变的比值愈大,说明深部灰岩试样的塑性变形占总应变的比例愈小,不可恢复变形愈小且弹脆性愈强,由此岩爆倾向性越强。3种岩爆判据的数值大小均随着灰岩的埋深而增加,岩爆倾向性也是由弱及强,表明岩爆倾向性强烈程度与埋藏深度成正相关关系,深部岩石发生岩爆的几率更大。

3 不同岩爆倾向灰岩破裂特征研究

3.1 RA-AF 值演化特征

岩样在加载后变形破坏过程中的微裂纹主要包括张拉裂纹和剪切裂纹2种形式,JCMS-Ⅲ B5706(2003)中提出了一种基于声发射参量区分混凝土材料裂纹类型的方法[13],该方法将声发射信号AF值与RA值联系起来评价裂纹破坏机制,AF值与RA值的计算方法分别如式(4)和式(5)所示。通常认为剪切波相应的声发射RA-AF值信号特征为“低AF值和高RA值”,对应的破坏形式为剪切破坏,相反“高AF值和低RA值”则为张拉破坏[20],故将RA-AF值分布图的对角线作为划分张拉裂纹和剪切裂纹的分界线,判定方法示意如图7所示。基于此,本研究结合RA值和AF值2个参数,通过分析单轴压缩下声发射RAAF值的分布特征来探究不同岩爆倾向灰岩的裂纹扩展形式。

图7 裂纹分类判定示意Fig.7 Schematic diagram of crack classification and determination

利用式(4)和式(5)对具有不同岩爆倾向性灰岩声发射信号的RA值和AF值进行计算,将计算结果绘制成RA-AF值分布散点图,如图8所示。

图8 不同埋深灰岩的RA-AF 值分布Fig.8 RA-AF value distribution of different buried deep limestones

由图8(a)可知,-600 m 埋深灰岩试样的RA值分布范围大多集中在0～20 ms/V,AF值主要分布范围为0～200 kHz,整体RA-AF值分布点较少且大多集中在原点附近。由图8(b)可知,埋深为-700 m 的灰岩试样RA值集中分布在0～20 ms/V 范围内,AF值主要分布范围为0～200 kHz,整体RA-AF值分布点较-600 m 灰岩更加扩散且密度更大,但分布点还是集中在原点附近,且大多为RA值较小的点并且靠近AF轴。由图8(c)可知,埋深为-800 m 的灰岩试样RA值集中分布在0～40 ms/V 范围内,AF值主要分布范围为0～400 kHz,整体RA-AF值分布点相较埋深更浅的灰岩试样分布范围进一步扩大,且AF值大于200 kHz、RA值大于20 ms/V 的分布点均开始逐渐增多。由图8(d)可知,-900 m 埋深灰岩试样RA-AF值分布点的密度与广度进一步增大,RA值与AF值的分布范围分别集中在0～60 ms/V 和0～200 kHz,“RA值较大,AF值较小”的剪切裂纹信号更加凸显。由图8(e)可知,埋深为-1 000 m 灰岩试样RA值与AF值的分布范围分别集中在0～80 ms/V 和0～200 kHz,且RA-AF值的分布点包含大量“高RA值、低AF值”的剪切裂纹信号点,在二维散点图中体现为贴近RA轴的分布点数量最多。

以上分析表明,无岩爆倾向性与弱岩爆倾向性灰岩在单轴加载下的RA-AF值分布点大多集中在原点附近,以张拉型裂纹信号为主。当埋深延伸至-800 m 灰岩具有中等岩爆倾向性时,RA-AF值分布点的分布广度进一步扩大,且集中分布区域的分布点密度不断增大,此时剪切裂纹信号也开始逐渐凸显,强岩爆倾向性灰岩的“高RA值、低AF值”剪切裂纹信号最为显著,单轴加载过程中AF值整体呈减小趋势,而RA值呈增大趋势。由此可知,随着灰岩试样埋藏深度的延深以及岩爆倾向性的逐渐增强,其RA-AF值分布范围及分布点的密度也逐渐增大,并且由集中在原点附近的张拉裂纹信号逐渐向靠近RA轴的剪切型裂纹信号大量凸显演变,说明浅部无岩爆倾向性灰岩破裂形式以张拉破坏为主,深部强岩爆倾向性灰岩剪切破坏作用更加明显且破裂形式以张剪混合破坏为主。总结为岩爆倾向性愈强,剪切破坏作用愈显著。

3.2 宏观破裂形态分析

选择各埋藏深度灰岩单轴加载破坏后的典型试样,用皮筋将收集到的岩石碎片固定在试样母体上,确保岩样尽量完整且宏观断裂纹路清晰明显。选择侧视与俯视角度对不同埋深灰岩试样进行拍照成像,描绘岩石宏观破裂面裂纹走向及碎片剥落情况,得到各埋深灰岩试样的典型宏观破裂形态如图9所示。

图9 不同埋深灰岩宏观破裂形态Fig.9 Macroscopic fracture patterns of different buried deep limestones

由图9(a)可知,-600 m 埋深灰岩试样表面包含多条与岩石轴向平行的裂纹且侧面碎片以片状剥落,端部则包含2条细小交汇的裂纹以及小块崩落,张拉破坏作用明显。由图9(b)可知,-700 m 埋深灰岩试样主要贯穿整个试件的轴向裂纹为主,并且在断裂的一侧伴有多条细小轴向次生裂纹,且在这一侧多以片状剥落的形式破坏,同样具有明显的张拉破坏形貌。由图9(c)可知,埋深为-800 m 灰岩试样侧面主要由贯穿试样的轴向及斜向2条主裂纹组成,还伴有多条轴向与斜向次生裂纹致使2条主裂纹在试样下端贯通,端面则包含2条贯穿裂纹及小块崩落的破裂特征,可知剪切破坏作用逐渐显现,以张拉剪切共同作用破坏。由图9(d)可知,埋深为-900 m 的灰岩试样宏观裂纹以2条平行的斜向剪切裂纹为主,并且在下端部有部分小块崩落,下部在剪切作用下贯穿破坏后剥离岩样,岩样上半部分较为完整且仅萌生1条细小轴向裂纹。由图9(e)可知,-1 000 m 埋深的灰岩试样整体呈现“V”字形破坏形貌,2条斜向的剪切裂纹从岩样上端两侧扩展并交汇于岩样下端,其中1条斜向裂纹处同时存在多处小块崩落,端部有1条贯穿破坏的裂纹,可见剪切破坏作用较为凸显。

对比分析不同埋深灰岩宏观破裂形态可知,埋深为-600 m与-700 m 的灰岩试样单轴加载下张拉破坏作用较为显著,整体多以轴向拉裂纹为主并伴有细小次生裂纹,试样表面与端部多以片状剥落和小块崩落为主,并且在试验接近破坏时发出的声音较为“沉闷”,因此分别表现为无岩爆倾向和弱岩爆倾向。当埋藏深度递增至-800 m 和-900 m 时,轴向主裂纹形成的同时斜向剪切裂纹逐渐显现,宏观破坏形式为张剪混合型破坏。-1 000 m 埋深灰岩具有2条斜向宏观主裂纹,交汇后呈现“V”字形,并且伴有小块崩落,剪切破坏作用最为显著,在试验过程中发出“清脆”的破碎声音,表现为具有强岩爆倾向性。

综上所述,随着灰岩埋深的增加及岩爆倾向性由弱到强,-800 m 埋深以下灰岩剪切破坏作用逐渐凸显,宏观破坏裂纹由以张拉破坏为主向以张剪共同作用破坏为主的趋势演化,这一结果与前文中不同埋深灰岩的RA-AF分布特征结果保持一致,表明通过RAAF值来识别不同岩爆倾向灰岩的破裂形式是切实可行的。通过对比分析不同岩爆倾向灰岩的破裂机制,可为具有不同岩爆倾向性岩石破裂特征相关研究提供参考依据,并为预防井下岩爆灾害提供理论依据。

4 结 论

对不同埋藏深度灰岩开展了单轴加载声发射试验与单轴一次加卸载试验,基于多重岩爆判据综合评价各埋深梯度灰岩的岩爆倾向性,并对不同岩爆倾向灰岩的声发射信号RA-AF值分布特征及宏观破裂形态进行了研究,得到的主要结论有:

(1)随着埋深深度的增加,灰岩的孔隙率越小,而密度、纵波波速、抗压强度和弹性模量均随埋深增加而增大,表明深部灰岩较浅部灰岩致密性更强且具有更强的硬脆性。

(2)埋深-600 m 及以上灰岩试样无岩爆倾向性,埋深在-1 000 m 及更深部的灰岩试样具有强岩爆倾向性,开采深度超过千米达到深部时发生岩爆的几率很大。不同岩爆判据对各埋深灰岩岩爆倾向判别结果存在差异,但3种岩爆判据的数值大小均随着灰岩的埋深延深而增加,岩爆倾向性也是由弱及强,表明岩爆倾向性强弱程度与埋藏深度成正相关关系。

(3)不同岩爆倾向性灰岩RA-AF值分布特征表明,随着岩爆倾向从无—弱—中等—强,单轴加载过程灰岩AF值整体呈减小趋势,而RA值呈增大趋势,RA-AF值分布由原点集中型向逐渐贴近RA轴演变,剪切型裂纹性信号占比越来越高,即剪切破坏的比例越来越大。

(4)不同岩爆倾向性灰岩的宏观断裂形态与RAAF值分布特征相一致,-800 m 埋深及以下具有中等或更强岩爆倾向性的灰岩剪切破坏作用逐渐显著,表明随着岩爆倾向性等级由弱到强,宏观破坏裂纹由以张拉破坏为主向以张剪破坏共同作用为主的趋势演化。