基于声发射指标的常规卸压机制分析与预测信度应用

姜海涛,刘明淳,蒋加森,罗月明,苏德垠

(福建岩土工程勘察研究院有限公司)

引 言

根据权威机构预测,在未来相当一段时间内,深部矿产资源仍然是中国的主要消耗能源。高地温、强扰动与涌水加剧等问题致使深部资源安全开发面临更为严峻的挑战,极易引起强矿震、岩爆及冲击地压等动力学事故[1-5]。以煤炭为例,近年来,山东龙郓煤业、吉林龙家堡煤矿及山东新巨龙煤矿等发生的冲击事故[6-8]造成了严重的经济损失和社会影响。

针对深部岩石力学特性与破坏特征的研究方法与手段目前可分为宏观与细观2个方面。宏观方面包括声发射定位、超声波横/纵波损伤测试、巴西劈裂试验、剪切试验、单轴三轴压缩试验及动载冲击试验等。细观方面包括SEM电镜扫描、X射线衍射(XRD)岩石矿物成分分析、CT核磁孔隙扫描、压汞测试等。随着研究的深入,岩石能量理论备受关注。谢和平等[9]从宏-细-微观力学角度系统总结了岩石损伤演化和能量耗散过程。孟庆彬等[10]试验探究了三轴围压条件下矿岩能量演化特征。秦涛等[11]开展了三轴条件下砂岩压缩试验,总结了其能量演化过程。蒋长宝等[12]通过不同围压下三轴变上下限等幅循环加承载试验研究了页岩的变形特征与能量演化机制。

世界各国学者在动力灾害的探索上,对冲击地压情况进行了大量的研究,并且在各方面都有了相应的进展,包括冲击地压危险性相关评价、出现的原理、防治手段及监测预警相关技术等,但还是无法从本质上做到对问题的防治及预测。在开采过程中还是会一直出现冲击地压相关问题,同时也无法实施相应的控制措施,在开采深度越来越大的情况下,地质方面出现的灾害也越来越多,并且还具备了广泛性和突出性,也愈发严重。因此,关于矿井的深部开采方面,要根据地压冲击的实际情况进一步实施危险性评价,还需要探索对于灾害的各类防治技术,投入更多科研力量来开展工作。

就冲击地压进行分析,其表示的是冲击地压出现的一个物理过程,对应的判断标准就是形成冲击的充分必要条件。就“矿体-围岩”这个系统对应的力学平衡被打破从而释放出的能量方面进行研究,并在该认识的基础上,结合关于冲击地压探索相关的传统性相关强度理论,以及冲击是因为积聚的能量快速释放造成的这个新理论,对失稳、能量、冲击倾向及强度相关理论展开了详细的介绍,也提出了这方面的数学模型以供参考。

20世纪60年代,COOK[13]表示在试件具备更大刚度的情况下,其可能会出现不稳定的、突发的脆性相关破坏,这是在众多刚性压力相关试验的基础上提出来的,也是刚性理论的初始形态。基于此,20世纪70年代Black等表示,冲击地压的出现只存在于矿山结构刚度比对应的荷载更大的情况下[14]。就刚度理论而言,它非常简单,并且能够让大家对冲击有更加直观的了解,不过针对矿山具备的刚度结构及荷载方面怎样界定,还尚未给出相应的描述,因此具备比较大的限制性。FENG[15]研究了饱和砂岩循环加承载作用下岩石力学性质的变化,得到了饱和砂岩的强度降低特征,峰值强度与损伤程度、裂纹损伤应力与损伤程度之间存在指数函数关系。

上述研究多探讨了自然状态岩石的力学及声发射特性,针对自然与饱水状态矿岩在加载作用下力学和声发射特征与能量指标评估差异研究较少。 因此,为解决现有的冲击地压防治措施广泛依赖于人工经验的问题,明确具体的卸压机制,在室内实验室,通过改变试样的含水程度模拟现场注水卸压工程,通过构建分源监测与防治方案、现场评估,预期得到较好的效果。本文的相关探索可以指导开采工作面冲击地压的防治工作,对其他冲击地压预防治理工作也有借鉴意义。

1 试验方案

1.1 试样制备

本试验从某矿山井下回采工作面采集未受扰动的完整矿岩,为保证其自然含水状态及完整性,先用保鲜膜密封包裹,再使用木架加固,安全运送至实验室进行加工取样,严格遵守岩石力学试验要求,制备边长为50 mm的标准立方体。

在室内实验室,通过改变矿岩的含水程度模拟现场注水卸压工程,并分析其对矿岩力学性质的改变规律,因此设计改变浸泡时间来达到不同的含水程度(如表1所示)。

表1 不同浸泡时间矿岩的含水程度

1.2 试验设备与方法

本次试验中单轴抗压强度测定采用SAS-2000型岩石力学加载系统,该设备可以同时监测轴向和径向应变,同时搭载多通道声发射系统对矿岩中产生的声发射现象进行监测,试验系统如图1所示。所有设备均需要确保时间同步,加载速率恒定为0.2 kN/s。

图1 试验系统

2 承载矿岩力学特性

2.1 承载矿岩力学参数

本次试验分别对不同卸压措施下矿岩进行单轴压缩试验,矿岩力学参数测试主要包括常规单轴压缩条件下矿岩试件强度、弹性模量等力学参数的测试。通过对矿岩力学参数测试,为详细分析不同卸压措施下的承载岩体力学响应机制提供数据支撑。对其力学参数进行处理并统计,结果如表2所示。

表2 不同浸泡时间矿岩的力学参数

2.2 承载矿岩应力-应变曲线

不同含水状态矿岩应力-应变曲线如图2所示。

图2 不同含水状态矿岩应力-应变曲线

由图2可以看出:对比自然和饱水状态矿岩,虽然其应力-应变曲线趋势相同,但在屈服阶段略有差异。自然状态矿岩在屈服阶段随应变的增大应力持续增加,当应力值达到屈服极限强度时,试件并没有立即破坏,而是表现为随应变的增加应力突降后再增大。现场观察到试件产生裂隙后仍在承载,只是表现为外层先破坏脱落,有类似“片帮现象”,继续加载,试样沿着裂隙产生破坏面直至试验结束;饱水状态矿岩的屈服阶段较短,试样在达到极限强度后立即破坏。

自然状态矿岩的破坏模式以拉伸破坏为主,伴随着其自身微裂纹,出现少量剪切滑移裂纹,整体破碎块度较大,承载后试件较完整;而饱水状态矿岩表现为贯通劈裂剪切型破坏,其内部呈现典型的“X”状共轭剪切破坏面,表面有小块崩落,试件整体破碎程度较高。

3 承载矿岩破坏过程能量指标评估

3.1 能量理论

以单轴压缩试验为例,矿岩受压过程中忽略岩石与压力机接触面摩擦等能量消耗,可近似认为压力机对矿岩所做的功全部被矿岩吸收,记为总应变能U。由于岩石是个弹塑性体,其中一部分应变能将以弹性应变能(Ue)的形式储存在岩石内部,剩余部分应变能记为耗散应变能(Ud),Ud的耗散形式包括岩石内部摩擦转化的内能、岩石破裂伴随的声能与动能等,而在岩石受压破坏过程中Ue与Ud可以相互转换。

库克等在20世纪60年代中期提出了一个表述冲击地压诱发的能量理论。研究表明:采矿是造成冲击地压的最本质原因,其产生的缘由是,打破了围岩体系在力学方面的平衡之后,消耗的能量比释放的能量小得多。但是,关于冲击因素在时空作用背景中的实际情况还没有清晰的认识,而关于冲击地压原理方面,通过能量转化作为切入角进行研究是里程碑式的进步,有较大的推动作用。

3.2 全过程能量分布特征规律

不同含水状态矿岩单轴条件下能量评估规律如图3所示。

图3 不同含水状态矿岩单轴条件下能量评估规律

由于水具有一定的不可压缩性,具备一定的强度,干扰了承载矿岩储能过程,最终影响了耗散应变能的突变。

3.3 声发射参数反演能量规律

矿岩在单轴加载过程中会伴随声发射信号的产生,通过对上升计数和能量参数的分析,揭示加载全过程矿岩的声发射演化规律及微观破坏特征,对比自然及饱水状态矿岩的声发射特征差异。在矿岩单轴压缩试验中搭载声发射监测系统,在试验开始前,因AE探头灵敏度较高,在AE传感器和矿岩接触面涂抹一层耦合剂(凡士林)用于信息的无损采集,将2个AE传感器固定在试件中部,调整控制系统和声发射监测系统的时间同步,开始试验并采集全过程声发射信号直至试件破坏。不同含水状态矿岩单轴条件下声发射振铃计数如图4所示,累积振铃计数关系曲线如图5所示。

图4 不同含水状态矿岩单轴条件下声发射振铃计数

图5 累积振铃计数关系曲线

自然及饱水状态矿岩试样的声发射特征差别不大,各试样在达到峰值载荷前声发射计数显著增长,同时累积上升计数和累积能量也剧增,这是因为试样破坏时内部裂隙持续发育,弹性阶段试样中储存的弹性能持续释放。同时,自然和饱水状态矿岩试样在细节上又有所差异,饱水状态矿岩试样的累积上升计数和累积能量总体低于自然状态矿岩试样。通过统计计算,自然状态矿岩试样低振幅事件(40～45 dB)占总事件的76.43 %、72.58 %,饱水状态矿岩试样占比分别为66.89 %、61.33 %,更加验证了水对微弱声发射信号的吸收抑制作用。为了定量化描述加载和承载阶段的声发射特征,将自然状态矿岩试样各个阶段的振铃计数、能量和幅度进行统计分析,得到各个时刻声发射特征的均值、众数、最小值。各时刻振铃计数的众数和最小值都为1;能量的最小值和众数均小于0.1;振幅的最小值为40.1,众数均小于43。这表明,无论是在加载阶段还是在承载阶段,矿岩的损伤是一个渐进过程,以小能量的微破裂为主,当内部微裂纹发育到一定阶段,裂纹会出现贯通进而导致大的破裂产生,声发射表现为较为剧烈和高水平的信号特征。

振铃计数均值反映的是矿岩在各分级加载阶段内部裂隙发育速率和损伤演化快慢的总体水平。振铃计数均值在加载阶段,呈波动式上升变化,在第一次加载期间,振铃计数均值很低。振铃计数的最大值反映的是矿岩裂隙发育的剧烈程度,从振铃计数的最大值变化曲线可以看出,各分级加载阶段的最大值呈曲线上升趋势,说明应力的水平对矿岩内部裂隙具有较大的影响作用,加载应力越靠近峰值强度,越容易产生大而剧烈的裂隙发育,声发射振铃计数表现为最大值迅速增加且位于较高水平。

声发射能量反映矿岩内部活动的剧烈程度,矿岩出现大的破坏往往伴随着大能量事件。加载阶段声发射能量均值呈双峰值变化,分级应力水平较低时,声发射能量均值较小,在第二次加载阶段声发射能量均值达到前4次加载的峰值,在最后一加载至破坏阶段又达到峰值。这说明,在分级加载作用下,内部破坏的剧烈程度并不是随着分级应力增加而呈线性增加,而是大而剧烈的破坏交互出现。而在各承载阶段声发射能量均值呈波动上升,这与加载阶段声发射能量均值变化有所不同,这是因为在承载阶段不产生新的大的损伤,分级应力承载起始值越高,裂隙闭合越复杂,声发射能量也相对较高。声发射能量的最大值变化曲线更能说明上述规律。从声发射能量的变化可以看出,岩石的破坏过程是内部能量不断积累和释放的过程。当内部能量积累到一定程度超过矿岩局部强度时,矿岩内部会因为裂隙的扩展贯通而出现破坏,破坏是一个释放能量的过程,当一个大而剧烈的破坏完成后,能量又继续在小微裂隙扩展发育过程中继续积累,直到完成下一个大而剧烈的破坏。

4 破坏前兆判别易失效原因分析

根据应力-应变全过程的阶段趋势,可以得出,精细化计算出屈服破坏阶段是实验室尺度下精准预测承载矿岩破坏的必要条件。国内其他学者,对大量岩石做了能量演化全过程曲线,并且得到了较为一致的判别条件,即耗散应变能处于稳定波动或快速下降区间,意味着岩石进入屈服破坏阶段,并通过识别该区域内的其他敏感参数信号,尝试对其进行准确的预警。

由于矿岩特殊的结构,可以明显发现,就注水卸压状态下,自然和饱水状态下均能满足条件,而干燥状态下不满足条件,即无法准确拾取孕灾前兆信号,最终无法准确预测矿岩破坏,而实验室尺度下自然状态矿岩为取样后在空气中吸附后的状态,而井下深部工作面附近的矿岩因孔隙-裂隙发育和自重或开采扰动的影响,往往趋近于含水较低,因而预测和防治均有一定的困难,这对合理控制注水卸压的参数影响较大。此外,根据分析结果,孔洞卸压状态而言,卸压措施很好地增大了矿岩的冲击倾向性,并在人为构造弱面进行快速释放,需要注意快速释放过程中形成的动载及应力动态调整过程中的大变形,因此合理确定钻孔参数极其重要。

5 结 论

针对于冲击地压预测的难题,为了明确具体的卸压机制,在室内实验室,通过改变矿岩的含水程度模拟现场注水卸压工程,并分析其对矿岩力学性质的改变规律。得到了以下结论:

1)常规卸压措施均满足冲击地压的防治理念;梳理了现有预警手段的适用条件及预警最佳状态,解释了预警失效的外部环境。

2)由于矿岩特殊的结构,就注水卸压状态下,自然和饱水状态下均能满足条件,而干燥状态下不满足条件,即无法准确拾取孕灾前兆信号,最终无法准确预测矿岩破坏。

3)井下深部工作面附近的矿岩因孔隙-裂隙发育和自重或开采扰动的影响,往往趋近于含水较低,因而预测和防治均有一定的困难,这对合理控制注水卸压的参数影响较大。分析结果可为提高冲击地压的预警准确性提供理论依据。