使用聲發(fā)射測(cè)試結(jié)果預(yù)判巖爆等級(jí)

王亞磊 徐金明 吳述寬

(上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院,上海 200444)

在易發(fā)生巖爆的地區(qū)進(jìn)行隧道開(kāi)挖時(shí),必須對(duì)巖爆等級(jí)進(jìn)行預(yù)判,以便提前采取適當(dāng)?shù)姆乐未胧r爆災(zāi)害準(zhǔn)確、快速地預(yù)判對(duì)于隧道工程的設(shè)計(jì)和施工具有重要意義。

巖爆災(zāi)害防治是目前亟需解決的問(wèn)題,而巖爆機(jī)理的復(fù)雜性給巖爆等級(jí)快速準(zhǔn)確地預(yù)判帶來(lái)很大困難[1-2]。近年來(lái),許多學(xué)者采用聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)對(duì)巖石聲發(fā)射特征與巖爆活動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了研究。例如,楊健等[3]利用聲發(fā)射試驗(yàn)技術(shù)研究巖爆機(jī)理,依據(jù)聲發(fā)射特征劃分了巖性與巖爆類(lèi)型的對(duì)應(yīng)關(guān)系;CHO等[4]進(jìn)行了巖石加載破壞過(guò)程聲發(fā)射模擬試驗(yàn);趙興東等[5]應(yīng)用聲發(fā)射定位技術(shù)研究了單軸加載條件下含不同預(yù)制裂紋的花崗巖樣破裂失穩(wěn)過(guò)程中內(nèi)部裂紋孕育、萌生、擴(kuò)展、成核和貫通的三維空間演化過(guò)程,并分析了巖石聲發(fā)射活動(dòng)特性;李廷芥等[6]根據(jù)花崗巖及大理巖單軸壓縮電鏡掃描試驗(yàn)結(jié)果,分析了巖石巖爆過(guò)程機(jī)理;苗金麗等[7]根據(jù)三亞花崗巖巖爆試驗(yàn)前后樣品SEM(掃描電子顯微鏡)微觀結(jié)構(gòu)照片及巖爆過(guò)程中的聲發(fā)射參數(shù)特征值的不同,得出巖爆過(guò)程中產(chǎn)生的高頻低幅特征波對(duì)應(yīng)張裂紋,低頻高幅特征波對(duì)應(yīng)剪切裂紋;HE等[8]、譚云亮等[9]分別研究了巖石破裂過(guò)程中的聲發(fā)射特性,并提出了基于聲發(fā)射監(jiān)測(cè)預(yù)警的巖爆災(zāi)變理論;趙毅鑫等[10]、陸菜平等[11]分別從微震信號(hào)頻譜演化規(guī)律、能級(jí)與頻次關(guān)系等方面討論了巖爆機(jī)理及前兆信號(hào)特征;馬天輝等[12]應(yīng)用地震學(xué)上的“3S”(應(yīng)力集聚、應(yīng)力弱化和應(yīng)力轉(zhuǎn)移)原理,采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了錦屏二級(jí)引水隧洞群的巖爆監(jiān)測(cè)與預(yù)警工作,取得了比較理想的巖爆預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率;張子健等[13]發(fā)現(xiàn)中等巖爆巖石的累積聲發(fā)射能量遠(yuǎn)大于低等巖爆傾向值;劉亞運(yùn)等[14]認(rèn)為巖石在單軸和三軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射規(guī)律基本一致,并提出可將聲發(fā)射累積振鈴計(jì)數(shù)應(yīng)用于巖爆等級(jí)預(yù)判;張艷博等[15]利用巖爆聲發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù)和BP(誤差反向傳播算法)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種巖爆實(shí)時(shí)預(yù)判方法;WANG等[16]基于聲發(fā)射主頻分布特征和信息熵理論建立了主頻熵演化模型,提出將主頻熵最大點(diǎn)作為巖爆預(yù)判關(guān)鍵點(diǎn)。

然而,利用巖石聲發(fā)射特征參數(shù)提出一種定量指標(biāo)并對(duì)不同巖爆等級(jí)(無(wú)、輕微、中等、強(qiáng)烈和劇烈)進(jìn)行預(yù)判的研究鮮有報(bào)道,且以往研究在巖爆分析過(guò)程中通常忽略了原巖巖芯在切割加工時(shí)不同的切割方向(縱向、斜向和橫向)對(duì)巖爆等級(jí)預(yù)判的影響。考慮到巖石聲發(fā)射特征與巖爆等級(jí)高低密切相關(guān),具有高巖爆等級(jí)傾向性的巖石在單軸受壓時(shí)往往也釋放更多的能量。并且?guī)r爆等級(jí)較高的巖石在加載破壞前釋放較少量甚至沒(méi)有聲發(fā)射信號(hào)釋放,而在加載應(yīng)力接近峰值應(yīng)力時(shí),聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)較多,此后巖石發(fā)生猛烈破壞[17-18]。因此,本研究選用巖石的累積聲發(fā)射能量作為巖爆等級(jí)預(yù)判的關(guān)鍵參數(shù),并以我國(guó)西部某隧道為研究背景,在22個(gè)不同巖爆等級(jí)的巖爆區(qū),使用鉆孔取芯法獲取巖體原巖試樣,根據(jù)巖石單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果,提出基于不同方向試樣在主破裂前的累積聲發(fā)射能量Eq與最終破裂后的累積聲發(fā)射能量E之比的巖爆等級(jí)預(yù)判新方法,并將該方法的預(yù)判結(jié)果與實(shí)際巖爆等級(jí)、傳統(tǒng)巖爆等級(jí)預(yù)判方法的預(yù)判結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

1 聲發(fā)射試驗(yàn)過(guò)程

1.1 試樣制備

巖樣取自于我國(guó)西部某隧道22個(gè)不同的巖爆等級(jí)區(qū)域,如圖1所示。

圖1 不同巖爆等級(jí)區(qū)域Fig.1 Areas with different rockburst grades

試件制備如圖2所示,從現(xiàn)場(chǎng)取回的原始試塊為外徑130 mm、圓柱形的巖芯。由于現(xiàn)場(chǎng)取芯條件限制及運(yùn)輸中損壞,所得巖芯通常不足以加工成足夠數(shù)量的試件。實(shí)際操作中,在室內(nèi)將原始試塊沿3個(gè)方向加工成3件高×直徑為100mm×50mm的圓柱體試件。3個(gè)方向分別為試件軸線與原始巖芯軸線成0°(縱向)、45°(斜向)、90°(橫向)。 為保證試件端面平整,對(duì)其表面進(jìn)行磨滑處理,使試件不平行度與不垂直度控制在0.02 mm以內(nèi),且試件端面與其軸線垂直(最大偏差不超過(guò)0.2°),并保證試件沒(méi)有明顯裂縫。

圖2 試件制備Fig.2 Sample preparation

1.2 試件加載

對(duì)加工后的試件進(jìn)行單軸壓縮和聲發(fā)射試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),采用位移控制方式進(jìn)行單軸分級(jí)加載:一級(jí)加載速率為0.1 mm/s(加載至20 kN),二級(jí)加載速率為0.15 mm/s(加載至150 kN),三級(jí)加載速率為0.05 mm/s(加載至250 kN),四級(jí)加載速率為0.05 mm/s(加載至破壞)。每級(jí)加載后均保持45 s,加載方式如圖3所示。

圖3 試件加載方式Fig.3 Loading mode of samples

試驗(yàn)所用設(shè)備為巖石液壓伺服試驗(yàn)機(jī)與PXDAQ1672G聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)設(shè)備Fig.4 Acoustic emission test equipment

2 巖爆等級(jí)預(yù)判

2.1 巖爆等級(jí)預(yù)判指標(biāo)確定

整理聲發(fā)射試驗(yàn)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)巖石試件在單軸壓縮過(guò)程中的AE能量。本研究以巖爆區(qū)1(強(qiáng)烈?guī)r爆)為例,分析巖爆等級(jí)預(yù)判指標(biāo)Eq/E的確定過(guò)程。巖爆區(qū)1中橫向試件、斜向試件和縱向試件的AE能量與加載時(shí)間的關(guān)系曲線如圖5所示。

由圖5可知:在荷載達(dá)到最大值前,不同方向試件表現(xiàn)均比較平靜,試件釋放能量非常少;在荷載達(dá)到最大值后,主裂縫開(kāi)始產(chǎn)生,聲發(fā)射事件比較活躍,試件能量開(kāi)始快速釋放。據(jù)此,將荷載達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)作為試件主裂縫開(kāi)始產(chǎn)生的時(shí)刻,計(jì)算得到橫向、斜向和縱向試件主裂縫開(kāi)始前累積AE能量Eq與試件最終破裂后累積AE能量E的比值分別為0.050 8、0.103 4和0.169 4。參照上述方法可得其他巖爆區(qū)的Eq/E值,見(jiàn)表1。

圖5 不同方向試件的AE能量Fig.5 AE energy of samples various at different directions

表1 不同巖爆區(qū)的E q/E值Table 1 E q/E values in different rockburst areas

根據(jù)表1中22個(gè)不同巖爆區(qū)不同方向試件Eq/E值的計(jì)算結(jié)果,任意選擇其中14個(gè)匹配實(shí)際的巖爆情況。按照上述方法,分別基于橫向試件、斜向試件和縱向試件的Eq/E值提出相應(yīng)的巖爆等級(jí)預(yù)判方法,并使用剩余8個(gè)巖爆區(qū)的Eq/E值分別對(duì)巖爆預(yù)判方法的準(zhǔn)確率進(jìn)行驗(yàn)證分析。本研究以橫向試件為例分析不同方向試件的巖爆等級(jí)預(yù)判過(guò)程。從表1中任意選擇14個(gè)巖爆區(qū)數(shù)據(jù)并進(jìn)行重新編號(hào),結(jié)果如表2所示。域,將Eq與E的比值取0,暫作為一個(gè)劇烈?guī)r爆的測(cè)點(diǎn)值。將表2中橫向試件的Eq/E值與相應(yīng)的巖爆等級(jí)進(jìn)行匹配,得到巖爆等級(jí)預(yù)判標(biāo)準(zhǔn),如圖6所示。

圖6 不同巖爆區(qū)E q/E值的變化Fig.6 E q/E values various at different rockburst areas

表2 橫向試件中不同巖爆區(qū)E q/E值Table 2 E q/E values of transverse samples various at different rockburst zones

如表2所示,任意選取的14個(gè)巖爆區(qū)中,輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆以及劇烈?guī)r爆的個(gè)數(shù)分別為1,9,4和0。由于劇烈?guī)r爆個(gè)數(shù)為0,這給準(zhǔn)確確定劇烈?guī)r爆的范圍帶來(lái)了困難。為方便劃分巖爆的區(qū)由圖6可知:Eq/E值較大時(shí)巖爆等級(jí)較輕,較小時(shí)巖爆較重。據(jù)此可使用4條水平線按Eq/E值大小分成5個(gè)區(qū)域,并且這5個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)的巖爆等級(jí)分別為無(wú)巖爆、輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆、劇烈?guī)r爆。這4條水平分界線的確定過(guò)程如下:

(1)無(wú)巖爆與輕微巖爆的分界線。屬于輕微巖爆的測(cè)點(diǎn)只有1個(gè),且無(wú)巖爆的個(gè)數(shù)為0,取巖爆區(qū)2的值y2(0.857 1)作為無(wú)巖爆與輕微巖爆的分界值,即分界線y=0.857 1。

(2)輕微巖爆與中等巖爆的分界線。屬于輕微巖爆的測(cè)點(diǎn)只有1個(gè),屬于中等巖爆的測(cè)點(diǎn)有9個(gè)。巖爆區(qū)2的值表示輕微巖爆區(qū)域的最小值y3(0.8571),巖爆區(qū)13的值代表中等巖爆區(qū)域中測(cè)點(diǎn)的最大值y13(0.794 8)。取y3與y13之和的1/2作為兩種巖爆范圍的分界值,即分界線y=0.826 0)。

(3)中等巖爆與強(qiáng)烈?guī)r爆的分界線。巖爆區(qū)4的值表示中等巖爆區(qū)域的最小值y4(0.583 3),巖爆區(qū)14的值代表這強(qiáng)烈?guī)r爆區(qū)域中測(cè)點(diǎn)的最大值y14(0.322 5)。取y4與y14之和的1/2作為兩種巖爆范圍的分界值,即分界線y=0.452 9。

(4)中等巖爆與強(qiáng)烈?guī)r爆的分界線。巖爆區(qū)3的值表示中等巖爆區(qū)域的最小值y3(0.042 8),劇烈?guī)r爆區(qū)域中測(cè)點(diǎn)的最大值取0。取y3與0之和的1/2作為兩種巖爆范圍的分界值,即分界線y=0.021 4。

按照從無(wú)巖爆到劇烈?guī)r爆的次序,5個(gè)被劃分的區(qū)域分別為＞0.857 1,(0.826 0,0.8571],(0.452 9,0.826 0],(0.021 4,0.452 9]和≤0.021 4。為方便工程應(yīng)用,保留兩位小數(shù)可得巖爆等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)為＞0.86,(0.83,0.86],(0.45,0.83],(0.02,0.45]和≤0.02。參照上述方法可得到基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法,如表3所示。

表3 基于不同方向試樣E q/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法Table 3 Estimation criteria of rockburst grade based on E q/E values of samples from different directions

為驗(yàn)證上述巖爆等級(jí)預(yù)判方法的準(zhǔn)確率,取相應(yīng)方向上剩余8個(gè)巖爆區(qū)的Eq/E值分別進(jìn)行驗(yàn)證,結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果Table 4 Estimation results of rockburst grade

將表4中列出的基于不同試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果與實(shí)際巖爆等級(jí)進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果與實(shí)際巖爆等級(jí)對(duì)比Table 5 Comparison of the estimated results of rockburst grade and actual rockburst grade %

由表5可知:基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法的準(zhǔn)確率超過(guò)80%,錯(cuò)估率為12.5%,巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果與實(shí)際基本一致;基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果存在過(guò)高估計(jì)情況,巖爆等級(jí)過(guò)高估計(jì)一個(gè)等級(jí),過(guò)高估計(jì)率為12.5%,不存在過(guò)低估計(jì)情況;基于斜向和縱向Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判的準(zhǔn)確率達(dá)到100%,錯(cuò)估率為0%,巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果與實(shí)際一致;與橫向試件相比,基于斜向試件或縱向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法的準(zhǔn)確率較高。

2.2 巖爆等級(jí)預(yù)判標(biāo)準(zhǔn)的適用性

為進(jìn)一步分析基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法的適用性,將22個(gè)巖爆測(cè)區(qū)3個(gè)方向上所有的Eq/E值全部作為測(cè)試數(shù)據(jù)。以基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法為例,分析巖爆等級(jí)預(yù)判過(guò)程,結(jié)果見(jiàn)表6和表7。

表6 基于橫向試件E q/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果Table 6 Estimated results of rockburst grades based on transverse sample E q/E values

參照上述方法可得基于斜向和縱向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果,將其與實(shí)際巖爆等級(jí)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)表7。

由表7可知:基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法的準(zhǔn)確率較高,均達(dá)到了80%,預(yù)判結(jié)果準(zhǔn)確率從高到低依次為縱向、斜向和橫向;基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法的過(guò)高估計(jì)率較高,超過(guò)了10%,工程應(yīng)用時(shí)適當(dāng)注意;基于縱向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法不存在過(guò)低估計(jì)率。綜上所述,基于縱向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法對(duì)不同方向Eq/E值的適用性均較好,進(jìn)行巖爆等級(jí)預(yù)判時(shí),可優(yōu)先考慮選用基于縱向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法。

表7 不同方向巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果與實(shí)際巖爆等級(jí)對(duì)比Table 7 Comparison of the estimated results of rockburst grade and actual rockburst grade for different directions %

2.3 不同巖爆等級(jí)預(yù)判方法對(duì)比

為分析本研究所提巖爆等級(jí)預(yù)判方法的可靠性,分別使用 Barton判據(jù)[19]、Rehman判據(jù)[20]、Hoek判據(jù)[21]、陶振宇判據(jù)[22]、規(guī)范法[23]與本研究方法對(duì)文中8個(gè)驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)進(jìn)行巖爆等級(jí)估算。不同方法的巖爆判據(jù)如表8所示,表中SRF和SRFQ分別代表應(yīng)力折減系數(shù)和改進(jìn)的應(yīng)力折減系數(shù),σc和σmax分別代表單軸抗壓強(qiáng)度和最大地應(yīng)力。Barton判據(jù)將巖爆等級(jí)簡(jiǎn)單地分為中等巖爆和嚴(yán)重巖爆,且缺少對(duì)強(qiáng)度應(yīng)力比大于5的分級(jí),巖爆等級(jí)分級(jí)不夠精確;文獻(xiàn)[20]認(rèn)為SRF僅考慮了完整巖石與主應(yīng)力的比值,忽略了巖體的節(jié)理,從而提出了SRFQ,但同樣存在分類(lèi)不精確的問(wèn)題;陶振宇等[22]以Barton判據(jù)為基礎(chǔ),將中等巖爆分為輕微巖爆和中等巖爆,未對(duì)嚴(yán)重巖爆進(jìn)一步細(xì)分;規(guī)范法[23]將嚴(yán)重巖爆進(jìn)一步劃分為強(qiáng)烈?guī)r爆和劇烈?guī)r爆兩個(gè)等級(jí),并將巖爆等級(jí)劃分為輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆和劇烈?guī)r爆,但是忽略了無(wú)巖爆的情況;本研究方法考慮了聲發(fā)射特征與巖爆傾向性強(qiáng)弱的關(guān)系,使用Eq/E值將巖爆劃分為無(wú)巖爆、輕微巖爆、中等巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆和劇烈?guī)r爆。

表8 不同方法的巖爆等級(jí)判據(jù)Table 8 Rockburst grade criterias for different methods

使用上述巖爆等級(jí)預(yù)判方法對(duì)8個(gè)驗(yàn)證點(diǎn)分別進(jìn)行了巖爆等級(jí)預(yù)判,結(jié)果見(jiàn)表9。

表9 不同判據(jù)的巖爆預(yù)等級(jí)判結(jié)果Table 9 Estimation results of rockburst grades based on different rockburst criteria

將不同方法的巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果與實(shí)際巖爆等級(jí)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析,結(jié)果見(jiàn)表10。

由表10可知:不同方法的預(yù)判結(jié)果中均存在巖爆等級(jí)被高估的情況,規(guī)范法預(yù)判結(jié)果過(guò)高估計(jì)率最高,達(dá)到了50%;Barton判據(jù)、Rehman判據(jù)、陶振宇判據(jù)和規(guī)范法預(yù)判結(jié)果的準(zhǔn)確率不高,均未達(dá)到80%;Barton判據(jù)、Rehman判據(jù)、陶振宇判據(jù)和規(guī)范法預(yù)判結(jié)果不存在過(guò)低估計(jì)的情況,而本研究方法的預(yù)判結(jié)果存在過(guò)低估計(jì)巖爆等級(jí)的現(xiàn)象,但是過(guò)低估計(jì)率較小。綜上所述,與其他巖爆等級(jí)預(yù)判方法相比,本研究方法的預(yù)判結(jié)果與實(shí)際巖爆等級(jí)更為接近。

表10 5種方法的巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果與實(shí)際巖爆等級(jí)對(duì)比Table 10 Comparison of the estimated results of rock- burst grade and actual rockburst grade of five methods %

3 結(jié) 論

本研究以我國(guó)西部某隧道為例,使用聲發(fā)射測(cè)試技術(shù)獲取了不同巖爆等級(jí)區(qū)、不同方向(橫向、斜向和縱向)標(biāo)準(zhǔn)巖石試件在單軸壓縮荷載作用下的聲發(fā)射特征,提出了基于試件主破裂前的累積聲發(fā)射能量Eq與最終破裂后的累積聲發(fā)射能量E之比的巖爆等級(jí)預(yù)判方法,得到如下結(jié)論:

(1)使用不同方向試件的Eq/E值將巖爆等級(jí)細(xì)分為無(wú)、輕微、中等、強(qiáng)烈和劇烈?guī)r爆,并分別得到了基于橫向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法(＞0.86、0.83～0.86、0.45～0.83、0.02～0.45 和≤0.02),基于斜向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法(＞0.88、0.84～0.88、0.32～0.84、0.04～0.32 和≤0.04)和基于縱向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判方法(＞0.94、0.88～0.94、0.38～0.88、0.07～0.38 和≤0.07)。

(2)基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判結(jié)果準(zhǔn)確率均達(dá)到了80%,該方法相對(duì)于傳統(tǒng)巖爆等級(jí)預(yù)判方法而言,其預(yù)判結(jié)果與實(shí)際巖爆等級(jí)更為接近。

(3)基于不同方向試件Eq/E值的巖爆等級(jí)預(yù)判準(zhǔn)確率由高到低依次為縱向、斜向和橫向。