朱元萌， 胡傳宇， 陸愈實(shí)

（中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院，武漢 430074）

聲發(fā)射是材料內(nèi)部產(chǎn)生局部損傷釋放彈性波的一種普遍現(xiàn)象［1］，可通過專門的儀器設(shè)備進(jìn)行采集并分析，因而巖石破裂的聲發(fā)射現(xiàn)象開始走進(jìn)了學(xué)者們的視野［2］. 巖爆是隧道、礦山、水電硐室等地下空間工程領(lǐng)域中比較常見的地質(zhì)災(zāi)害，往往具有突發(fā)性、難以預(yù)見性及嚴(yán)重破壞性，給人身及財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅［3-6］.巖爆判據(jù)是巖爆防治研究的最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一［7］.

巖爆的發(fā)生是多種因素綜合影響的結(jié)果，機(jī)理較為復(fù)雜，給定性定量判斷巖爆發(fā)生的可能性及嚴(yán)重程度帶來困擾，學(xué)者們通過研究分析，提出了巖爆傾向性這一指標(biāo)，用來定性判別巖爆是否發(fā)生及其發(fā)生時(shí)的劇烈程度. 最初，判別巖爆傾向性主要從單一指標(biāo)的應(yīng)變和能量轉(zhuǎn)換兩個(gè)角度進(jìn)行考慮，例如能量儲(chǔ)耗系數(shù)、脆性系數(shù)、彈性能指數(shù)、能量沖擊性指數(shù)、彈性應(yīng)變勢能等［8-11］；隨后，學(xué)者們通過綜合各單一指標(biāo)提出多指標(biāo)綜合評價(jià)方法進(jìn)行巖爆傾向性判別［12-13］；發(fā)展至今，學(xué)者們更偏向于利用深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及概率算法等數(shù)學(xué)手段，推演巖爆發(fā)生的可能性和嚴(yán)重程度［14-15］. 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，巖爆傾向性判別方法不斷改善，一定程度上提高了判別的準(zhǔn)確性，但是仍未從根本上擺脫對于巖爆傾向性數(shù)值界限的經(jīng)驗(yàn)判斷，這導(dǎo)致不同環(huán)境條件下的圍巖體在不同的判別方法中會(huì)得到不同的結(jié)果.

首先選取脆性系數(shù)、應(yīng)變能密度和沖擊能指數(shù)3個(gè)指標(biāo)對試件的巖爆傾向性進(jìn)行初步測定，再通過對應(yīng)試件的聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)及其累計(jì)計(jì)數(shù)變化規(guī)律，得到聲發(fā)射活動(dòng)與巖爆傾向性之間的關(guān)聯(lián)性，最后根據(jù)聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律來對巖爆傾向性進(jìn)行判別.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)用玢巖巖芯取自銅綠山隧道巖芯的玢巖，按《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50266—2013）要求［16］，經(jīng)打磨加工成50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試件用于試驗(yàn).

試驗(yàn)過程中，加載系統(tǒng)選用MTS 815電液伺服測試系統(tǒng)，監(jiān)測系統(tǒng)選用PCI-Ⅱ型聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，試驗(yàn)設(shè)備連接示意圖如圖1（a）. 4個(gè)聲發(fā)射傳感器布置在試件兩側(cè)，距離端部1 cm左右，傳感器探頭均勻涂抹耦合劑，并用絕緣膠帶緊密固定. 試驗(yàn)開始時(shí)，同步開啟同聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng).

試驗(yàn)采取位移控制單軸一次性加載方式，加載至試件發(fā)生整體破裂后停止，加載速率0.002 0 mm/s，加載路徑如圖1（b）. 為有效降低環(huán)境噪音對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)門檻值設(shè)為55 dB.據(jù)此方法進(jìn)行多組試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)試件破裂時(shí)均出現(xiàn)碎巖彈射，并伴有炸裂聲響的輕微巖爆現(xiàn)象出現(xiàn)，從中選取具有典型巖爆現(xiàn)象的兩試件P-1和P-3展開研究.

圖1 設(shè)備連接及加載路徑示意圖Fig.1 Schematic diagram of device connection and loading path

2 巖爆傾向性的測定

根據(jù)室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)測試得到試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，結(jié)合脆性系數(shù)、應(yīng)變能密度和沖擊能指數(shù)3個(gè)巖爆傾向性指標(biāo)，評估試件巖爆危險(xiǎn)程度.

2.1 脆性系數(shù)

巖石類材料的單軸抗壓強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比稱為脆性系數(shù)，反映了巖石類材料脆性程度［17］. 脆性系數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：B 為脆性系數(shù)；σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；σ1為單軸抗拉強(qiáng)度，MPa.

目前，國內(nèi)外學(xué)者一致認(rèn)為［18］：B＞40，無巖爆；26.7≤B＜40，弱巖爆；14.5≤B＜26.7，中等巖爆；B≤14.5，強(qiáng)烈?guī)r爆. 按照上述巖爆判別標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)計(jì)算得到試件P-1和P-3的巖爆傾向性如表1.

表1 脆性系數(shù)判別試件巖爆傾向性Tab.1 Determination of rock burst tendency of specimens by brittleness coefficient

2.2 應(yīng)變能密度

Bagaraja Siraita 的研究認(rèn)為［19］，應(yīng)變能密度可以用來評估火山巖和花崗巖等質(zhì)地堅(jiān)硬、塑性應(yīng)變能轉(zhuǎn)化程度低的巖石的失穩(wěn)破壞趨勢，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：SED為應(yīng)變能密度，kJ/m3；σc為單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；E為彈性模量，GPa.

根據(jù)Bagaraja Siraita的研究，依公式（2）計(jì)算，巖爆傾可性判定巖爆標(biāo)準(zhǔn)：SED＜50 kJ/m3，無巖爆；50≤SED＜100 kJ/m3，弱巖爆；100≤SED＜150 kJ/m3，中等巖爆；SED≥150 kJ/m3，強(qiáng)烈?guī)r爆. 根據(jù)巖爆判別標(biāo)準(zhǔn)可得到試件P-1和P-3的巖爆傾向性如表2.

表2 應(yīng)變能密度判別試件巖爆傾向性Tab.2 Determination of rock burst tendency of specimens by strain energy density

2.3 沖擊能指數(shù)

沖擊能指數(shù)通過剛性試驗(yàn)機(jī)加載測得，指應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值前后所圍成的面積之比，即巖石峰值前內(nèi)部積聚的應(yīng)變能與峰值后破壞階段所需要的應(yīng)變能之比，其值越大表明巖石的巖爆傾向性越大. 沖擊能指數(shù)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：WCF為沖擊能指數(shù)；E1為應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值強(qiáng)度前所圍成的面積；E2為應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰值強(qiáng)度后所圍成的面積.

根據(jù)周宗紅和張志鎮(zhèn)等的研究［20-21］：WCF＜1.0，無巖爆；1.0 ≤WCF＜2.0，弱巖爆；2.0 ≤WCF＜3.0，中等巖爆；WCF≥3.0，嚴(yán)重巖爆. 根據(jù)巖爆判別標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)用ORIGIN專業(yè)繪圖軟件繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線并計(jì)算峰前峰后面積，得到試件P-1和P-3的巖爆傾向性（表3）.

表3 沖擊能指數(shù)判別試件巖爆傾向性Tab.3 Determination of rockburst tendency of specimens by impact energy exponent

考慮到試驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，用上述3種巖爆傾向性指標(biāo)來判定所取玢巖巖樣的巖爆傾向性，可知P-1和P-3兩試件均具有中等乃至嚴(yán)重程度的巖爆危險(xiǎn).

3 巖爆傾向性的聲發(fā)射特征

根據(jù)尚曉吉等［22］、張子健等［23］、劉亞運(yùn)等［24］、黃玉仁等［25］、靳曉光等［26］的研究，在室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，可將具有不同巖爆傾向性的巖樣加載時(shí)所釋放的聲發(fā)射現(xiàn)象分為3類：第一類表現(xiàn)為試件加載初期釋放大量聲發(fā)射信號(hào)，隨著加載的進(jìn)行，聲發(fā)射信號(hào)維持相對較高的水平；試件破裂前夕沒有明顯的突增現(xiàn)象，并在試件失穩(wěn)破裂后仍然釋放大量聲發(fā)射信號(hào)，該類巖石沒有或具有弱巖爆傾向性；第二類表現(xiàn)為試件在加載初期便有聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)，隨著加載的進(jìn)行，聲發(fā)射信號(hào)釋放減少，呈現(xiàn)出相對平靜狀態(tài)；試件發(fā)生主破裂前夕，聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)明顯的徒增現(xiàn)象，該類巖石具有中等巖爆傾向性；第三類表現(xiàn)是在加載前期極少量甚至沒有聲發(fā)射信號(hào)釋放，加載應(yīng)力接近峰值應(yīng)力時(shí)，聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)劇增，隨后巖石發(fā)生猛烈破壞，該類巖石具有強(qiáng)烈?guī)r爆傾向性.

結(jié)合上述不同巖爆傾向性的巖石在加載過程中的聲發(fā)射釋放規(guī)律，將三類聲發(fā)射信號(hào)釋放規(guī)律按照振鈴累計(jì)次數(shù)總結(jié)為3種形式，分別為線性增長型、階梯增長型和指數(shù)增長型，并分別對應(yīng)無/弱巖爆傾向性、中等巖爆傾向性和強(qiáng)烈?guī)r爆傾向性. 巖爆傾向性判定的聲發(fā)射振鈴累計(jì)次數(shù)形式見圖2.

圖2 巖爆傾向性判定的3種形式Fig.2 Three forms of rockburst tendency determination

P-1和P-3試件受載過程中的應(yīng)力-聲發(fā)射振鈴次數(shù)關(guān)系如圖3和圖4. 為便于觀察變化規(guī)律，圖中聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)以102量級顯示，但其峰值均達(dá)到105量級. 因此，從圖中可以觀察到，加載前期試件內(nèi)部處于壓密階段，產(chǎn)生極少數(shù)聲發(fā)射事件，50 s附近峰值僅達(dá)到450次；隨著加載的進(jìn)行，幾乎不產(chǎn)生聲發(fā)射事件，進(jìn)入相對平靜期；峰值載荷前夕380 s附近，聲發(fā)射振鈴次數(shù)劇增. 據(jù)此說明，兩試件的巖爆傾向性均達(dá)到嚴(yán)重程度.

圖3 P-1試件時(shí)間-應(yīng)力-振鈴次數(shù)關(guān)系圖Fig.3 Diagram of time-stress-ring count relationship of P-1 specime

圖4 P-3試件時(shí)間-應(yīng)力-振鈴次數(shù)關(guān)系圖Fig.4 Diagram of time-stress-ring count relationship of P-3 specime

隨著加載的進(jìn)行，聲發(fā)射振鈴累計(jì)次數(shù)如圖5和圖6. 從圖可以看出，試件P-1和P-3聲發(fā)射振鈴累計(jì)次數(shù)呈現(xiàn)出先慢后快的指數(shù)增長形式，均在380 s左右出現(xiàn)明顯增長，說明這兩個(gè)試件有強(qiáng)烈?guī)r爆傾向.

圖5 P-1試件時(shí)間-振鈴累計(jì)次數(shù)關(guān)系圖Fig.5 The relationship between time and ring cumulative count of P-1 specimen

圖6 P-3試件時(shí)間-振鈴累計(jì)次數(shù)關(guān)系圖Fig.6 The relationship between time and ring cumulative count of P-3 specimen

4 結(jié)論

1）通過對比不同巖爆傾向性的判別方法發(fā)現(xiàn)，不同程度巖爆傾向性的門檻界限隱含著經(jīng)驗(yàn)局限性，由此導(dǎo)致巖爆傾向性判別結(jié)果存在一定的誤差. 而用聲發(fā)射特征參數(shù)評估巖爆傾向性不用專門評定門檻界限值，避免了經(jīng)驗(yàn)判別帶來的人為誤差.

2）用聲發(fā)射特征參數(shù)評估巖爆傾向性的方法，在室內(nèi)巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，使用聲發(fā)射監(jiān)測設(shè)備，以聲發(fā)射參數(shù)時(shí)序演化規(guī)律評估試件的巖爆傾向性，并歸納為3種聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)演化規(guī)律：第一種表現(xiàn)為持續(xù)釋放聲發(fā)射現(xiàn)象；第二種表現(xiàn)為前期少量釋放，經(jīng)過一段平靜期后聲發(fā)射出現(xiàn)陡增現(xiàn)象；第三種表現(xiàn)為前期幾乎無聲發(fā)射釋放，但在巖爆前夕聲發(fā)射出現(xiàn)劇增現(xiàn)象. 這3種規(guī)律分別對應(yīng)無/弱巖爆傾向性、中等巖爆傾向性和強(qiáng)烈?guī)r爆傾向性.

3）按上述規(guī)律，推演出3種形式的聲發(fā)射振鈴累計(jì)次數(shù)時(shí)序演化特征，即線性增長型、階梯增長型以及指數(shù)增長型，分別對應(yīng)無/弱巖爆傾向性、中等巖爆傾向性和強(qiáng)烈?guī)r爆傾向性.

4）提取銅綠山隧道巖芯的玢巖測試結(jié)果，所得單一指標(biāo)評價(jià)試件巖爆傾向性結(jié)果與聲發(fā)射振鈴累計(jì)次數(shù)時(shí)序演化特征評價(jià)試件巖爆傾向性結(jié)果相符，據(jù)此可作為巖爆傾向性判定的新方法用于實(shí)踐，并加以檢驗(yàn).