姜海濤,劉明淳,蔣加森,羅月明,蘇德垠

(福建巖土工程勘察研究院有限公司)

引 言

根據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測(cè),在未來相當(dāng)一段時(shí)間內(nèi),深部礦產(chǎn)資源仍然是中國(guó)的主要消耗能源。高地溫、強(qiáng)擾動(dòng)與涌水加劇等問題致使深部資源安全開發(fā)面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),極易引起強(qiáng)礦震、巖爆及沖擊地壓等動(dòng)力學(xué)事故[1-5]。以煤炭為例,近年來,山東龍鄆煤業(yè)、吉林龍家堡煤礦及山東新巨龍煤礦等發(fā)生的沖擊事故[6-8]造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

針對(duì)深部巖石力學(xué)特性與破壞特征的研究方法與手段目前可分為宏觀與細(xì)觀2個(gè)方面。宏觀方面包括聲發(fā)射定位、超聲波橫/縱波損傷測(cè)試、巴西劈裂試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)、單軸三軸壓縮試驗(yàn)及動(dòng)載沖擊試驗(yàn)等。細(xì)觀方面包括SEM電鏡掃描、X射線衍射(XRD)巖石礦物成分分析、CT核磁孔隙掃描、壓汞測(cè)試等。隨著研究的深入,巖石能量理論備受關(guān)注。謝和平等[9]從宏-細(xì)-微觀力學(xué)角度系統(tǒng)總結(jié)了巖石損傷演化和能量耗散過程。孟慶彬等[10]試驗(yàn)探究了三軸圍壓條件下礦巖能量演化特征。秦濤等[11]開展了三軸條件下砂巖壓縮試驗(yàn),總結(jié)了其能量演化過程。蔣長(zhǎng)寶等[12]通過不同圍壓下三軸變上下限等幅循環(huán)加承載試驗(yàn)研究了頁(yè)巖的變形特征與能量演化機(jī)制。

世界各國(guó)學(xué)者在動(dòng)力災(zāi)害的探索上,對(duì)沖擊地壓情況進(jìn)行了大量的研究,并且在各方面都有了相應(yīng)的進(jìn)展,包括沖擊地壓危險(xiǎn)性相關(guān)評(píng)價(jià)、出現(xiàn)的原理、防治手段及監(jiān)測(cè)預(yù)警相關(guān)技術(shù)等,但還是無法從本質(zhì)上做到對(duì)問題的防治及預(yù)測(cè)。在開采過程中還是會(huì)一直出現(xiàn)沖擊地壓相關(guān)問題,同時(shí)也無法實(shí)施相應(yīng)的控制措施,在開采深度越來越大的情況下,地質(zhì)方面出現(xiàn)的災(zāi)害也越來越多,并且還具備了廣泛性和突出性,也愈發(fā)嚴(yán)重。因此,關(guān)于礦井的深部開采方面,要根據(jù)地壓沖擊的實(shí)際情況進(jìn)一步實(shí)施危險(xiǎn)性評(píng)價(jià),還需要探索對(duì)于災(zāi)害的各類防治技術(shù),投入更多科研力量來開展工作。

就沖擊地壓進(jìn)行分析,其表示的是沖擊地壓出現(xiàn)的一個(gè)物理過程,對(duì)應(yīng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)就是形成沖擊的充分必要條件。就“礦體-圍巖”這個(gè)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的力學(xué)平衡被打破從而釋放出的能量方面進(jìn)行研究,并在該認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,結(jié)合關(guān)于沖擊地壓探索相關(guān)的傳統(tǒng)性相關(guān)強(qiáng)度理論,以及沖擊是因?yàn)榉e聚的能量快速釋放造成的這個(gè)新理論,對(duì)失穩(wěn)、能量、沖擊傾向及強(qiáng)度相關(guān)理論展開了詳細(xì)的介紹,也提出了這方面的數(shù)學(xué)模型以供參考。

20世紀(jì)60年代,COOK[13]表示在試件具備更大剛度的情況下,其可能會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的、突發(fā)的脆性相關(guān)破壞,這是在眾多剛性壓力相關(guān)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出來的,也是剛性理論的初始形態(tài)?；诖?20世紀(jì)70年代Black等表示,沖擊地壓的出現(xiàn)只存在于礦山結(jié)構(gòu)剛度比對(duì)應(yīng)的荷載更大的情況下[14]。就剛度理論而言,它非常簡(jiǎn)單,并且能夠讓大家對(duì)沖擊有更加直觀的了解,不過針對(duì)礦山具備的剛度結(jié)構(gòu)及荷載方面怎樣界定,還尚未給出相應(yīng)的描述,因此具備比較大的限制性。FENG[15]研究了飽和砂巖循環(huán)加承載作用下巖石力學(xué)性質(zhì)的變化,得到了飽和砂巖的強(qiáng)度降低特征,峰值強(qiáng)度與損傷程度、裂紋損傷應(yīng)力與損傷程度之間存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

上述研究多探討了自然狀態(tài)巖石的力學(xué)及聲發(fā)射特性,針對(duì)自然與飽水狀態(tài)礦巖在加載作用下力學(xué)和聲發(fā)射特征與能量指標(biāo)評(píng)估差異研究較少。 因此,為解決現(xiàn)有的沖擊地壓防治措施廣泛依賴于人工經(jīng)驗(yàn)的問題,明確具體的卸壓機(jī)制,在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室,通過改變?cè)嚇拥暮潭饶M現(xiàn)場(chǎng)注水卸壓工程,通過構(gòu)建分源監(jiān)測(cè)與防治方案、現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估,預(yù)期得到較好的效果。本文的相關(guān)探索可以指導(dǎo)開采工作面沖擊地壓的防治工作,對(duì)其他沖擊地壓預(yù)防治理工作也有借鑒意義。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

本試驗(yàn)從某礦山井下回采工作面采集未受擾動(dòng)的完整礦巖,為保證其自然含水狀態(tài)及完整性,先用保鮮膜密封包裹,再使用木架加固,安全運(yùn)送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行加工取樣,嚴(yán)格遵守巖石力學(xué)試驗(yàn)要求,制備邊長(zhǎng)為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體。

在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室,通過改變礦巖的含水程度模擬現(xiàn)場(chǎng)注水卸壓工程,并分析其對(duì)礦巖力學(xué)性質(zhì)的改變規(guī)律,因此設(shè)計(jì)改變浸泡時(shí)間來達(dá)到不同的含水程度(如表1所示)。

表1 不同浸泡時(shí)間礦巖的含水程度

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與方法

本次試驗(yàn)中單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定采用SAS-2000型巖石力學(xué)加載系統(tǒng),該設(shè)備可以同時(shí)監(jiān)測(cè)軸向和徑向應(yīng)變,同時(shí)搭載多通道聲發(fā)射系統(tǒng)對(duì)礦巖中產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測(cè),試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。所有設(shè)備均需要確保時(shí)間同步,加載速率恒定為0.2 kN/s。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)

2 承載礦巖力學(xué)特性

2.1 承載礦巖力學(xué)參數(shù)

本次試驗(yàn)分別對(duì)不同卸壓措施下礦巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),礦巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試主要包括常規(guī)單軸壓縮條件下礦巖試件強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù)的測(cè)試。通過對(duì)礦巖力學(xué)參數(shù)測(cè)試,為詳細(xì)分析不同卸壓措施下的承載巖體力學(xué)響應(yīng)機(jī)制提供數(shù)據(jù)支撐。對(duì)其力學(xué)參數(shù)進(jìn)行處理并統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表2所示。

表2 不同浸泡時(shí)間礦巖的力學(xué)參數(shù)

2.2 承載礦巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同含水狀態(tài)礦巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示。

圖2 不同含水狀態(tài)礦巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線

由圖2可以看出:對(duì)比自然和飽水狀態(tài)礦巖,雖然其應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢(shì)相同,但在屈服階段略有差異。自然狀態(tài)礦巖在屈服階段隨應(yīng)變的增大應(yīng)力持續(xù)增加,當(dāng)應(yīng)力值達(dá)到屈服極限強(qiáng)度時(shí),試件并沒有立即破壞,而是表現(xiàn)為隨應(yīng)變的增加應(yīng)力突降后再增大?，F(xiàn)場(chǎng)觀察到試件產(chǎn)生裂隙后仍在承載,只是表現(xiàn)為外層先破壞脫落,有類似“片幫現(xiàn)象”,繼續(xù)加載,試樣沿著裂隙產(chǎn)生破壞面直至試驗(yàn)結(jié)束;飽水狀態(tài)礦巖的屈服階段較短,試樣在達(dá)到極限強(qiáng)度后立即破壞。

自然狀態(tài)礦巖的破壞模式以拉伸破壞為主,伴隨著其自身微裂紋,出現(xiàn)少量剪切滑移裂紋,整體破碎塊度較大,承載后試件較完整;而飽水狀態(tài)礦巖表現(xiàn)為貫通劈裂剪切型破壞,其內(nèi)部呈現(xiàn)典型的“X”狀共軛剪切破壞面,表面有小塊崩落,試件整體破碎程度較高。

3 承載礦巖破壞過程能量指標(biāo)評(píng)估

3.1 能量理論

以單軸壓縮試驗(yàn)為例,礦巖受壓過程中忽略巖石與壓力機(jī)接觸面摩擦等能量消耗,可近似認(rèn)為壓力機(jī)對(duì)礦巖所做的功全部被礦巖吸收,記為總應(yīng)變能U。由于巖石是個(gè)彈塑性體,其中一部分應(yīng)變能將以彈性應(yīng)變能(Ue)的形式儲(chǔ)存在巖石內(nèi)部,剩余部分應(yīng)變能記為耗散應(yīng)變能(Ud),Ud的耗散形式包括巖石內(nèi)部摩擦轉(zhuǎn)化的內(nèi)能、巖石破裂伴隨的聲能與動(dòng)能等,而在巖石受壓破壞過程中Ue與Ud可以相互轉(zhuǎn)換。

庫(kù)克等在20世紀(jì)60年代中期提出了一個(gè)表述沖擊地壓誘發(fā)的能量理論。研究表明:采礦是造成沖擊地壓的最本質(zhì)原因,其產(chǎn)生的緣由是,打破了圍巖體系在力學(xué)方面的平衡之后,消耗的能量比釋放的能量小得多。但是,關(guān)于沖擊因素在時(shí)空作用背景中的實(shí)際情況還沒有清晰的認(rèn)識(shí),而關(guān)于沖擊地壓原理方面,通過能量轉(zhuǎn)化作為切入角進(jìn)行研究是里程碑式的進(jìn)步,有較大的推動(dòng)作用。

3.2 全過程能量分布特征規(guī)律

不同含水狀態(tài)礦巖單軸條件下能量評(píng)估規(guī)律如圖3所示。

圖3 不同含水狀態(tài)礦巖單軸條件下能量評(píng)估規(guī)律

由于水具有一定的不可壓縮性,具備一定的強(qiáng)度,干擾了承載礦巖儲(chǔ)能過程,最終影響了耗散應(yīng)變能的突變。

3.3 聲發(fā)射參數(shù)反演能量規(guī)律

礦巖在單軸加載過程中會(huì)伴隨聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生,通過對(duì)上升計(jì)數(shù)和能量參數(shù)的分析,揭示加載全過程礦巖的聲發(fā)射演化規(guī)律及微觀破壞特征,對(duì)比自然及飽水狀態(tài)礦巖的聲發(fā)射特征差異。在礦巖單軸壓縮試驗(yàn)中搭載聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在試驗(yàn)開始前,因AE探頭靈敏度較高,在AE傳感器和礦巖接觸面涂抹一層耦合劑(凡士林)用于信息的無損采集,將2個(gè)AE傳感器固定在試件中部,調(diào)整控制系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)間同步,開始試驗(yàn)并采集全過程聲發(fā)射信號(hào)直至試件破壞。不同含水狀態(tài)礦巖單軸條件下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)如圖4所示,累積振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系曲線如圖5所示。

圖4 不同含水狀態(tài)礦巖單軸條件下聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)

圖5 累積振鈴計(jì)數(shù)關(guān)系曲線

自然及飽水狀態(tài)礦巖試樣的聲發(fā)射特征差別不大,各試樣在達(dá)到峰值載荷前聲發(fā)射計(jì)數(shù)顯著增長(zhǎng),同時(shí)累積上升計(jì)數(shù)和累積能量也劇增,這是因?yàn)樵嚇悠茐臅r(shí)內(nèi)部裂隙持續(xù)發(fā)育,彈性階段試樣中儲(chǔ)存的彈性能持續(xù)釋放。同時(shí),自然和飽水狀態(tài)礦巖試樣在細(xì)節(jié)上又有所差異,飽水狀態(tài)礦巖試樣的累積上升計(jì)數(shù)和累積能量總體低于自然狀態(tài)礦巖試樣。通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算,自然狀態(tài)礦巖試樣低振幅事件(40～45 dB)占總事件的76.43 %、72.58 %,飽水狀態(tài)礦巖試樣占比分別為66.89 %、61.33 %,更加驗(yàn)證了水對(duì)微弱聲發(fā)射信號(hào)的吸收抑制作用。為了定量化描述加載和承載階段的聲發(fā)射特征,將自然狀態(tài)礦巖試樣各個(gè)階段的振鈴計(jì)數(shù)、能量和幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到各個(gè)時(shí)刻聲發(fā)射特征的均值、眾數(shù)、最小值。各時(shí)刻振鈴計(jì)數(shù)的眾數(shù)和最小值都為1;能量的最小值和眾數(shù)均小于0.1;振幅的最小值為40.1,眾數(shù)均小于43。這表明,無論是在加載階段還是在承載階段,礦巖的損傷是一個(gè)漸進(jìn)過程,以小能量的微破裂為主,當(dāng)內(nèi)部微裂紋發(fā)育到一定階段,裂紋會(huì)出現(xiàn)貫通進(jìn)而導(dǎo)致大的破裂產(chǎn)生,聲發(fā)射表現(xiàn)為較為劇烈和高水平的信號(hào)特征。

振鈴計(jì)數(shù)均值反映的是礦巖在各分級(jí)加載階段內(nèi)部裂隙發(fā)育速率和損傷演化快慢的總體水平。振鈴計(jì)數(shù)均值在加載階段,呈波動(dòng)式上升變化,在第一次加載期間,振鈴計(jì)數(shù)均值很低。振鈴計(jì)數(shù)的最大值反映的是礦巖裂隙發(fā)育的劇烈程度,從振鈴計(jì)數(shù)的最大值變化曲線可以看出,各分級(jí)加載階段的最大值呈曲線上升趨勢(shì),說明應(yīng)力的水平對(duì)礦巖內(nèi)部裂隙具有較大的影響作用,加載應(yīng)力越靠近峰值強(qiáng)度,越容易產(chǎn)生大而劇烈的裂隙發(fā)育,聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)表現(xiàn)為最大值迅速增加且位于較高水平。

聲發(fā)射能量反映礦巖內(nèi)部活動(dòng)的劇烈程度,礦巖出現(xiàn)大的破壞往往伴隨著大能量事件。加載階段聲發(fā)射能量均值呈雙峰值變化,分級(jí)應(yīng)力水平較低時(shí),聲發(fā)射能量均值較小,在第二次加載階段聲發(fā)射能量均值達(dá)到前4次加載的峰值,在最后一加載至破壞階段又達(dá)到峰值。這說明,在分級(jí)加載作用下,內(nèi)部破壞的劇烈程度并不是隨著分級(jí)應(yīng)力增加而呈線性增加,而是大而劇烈的破壞交互出現(xiàn)。而在各承載階段聲發(fā)射能量均值呈波動(dòng)上升,這與加載階段聲發(fā)射能量均值變化有所不同,這是因?yàn)樵诔休d階段不產(chǎn)生新的大的損傷,分級(jí)應(yīng)力承載起始值越高,裂隙閉合越復(fù)雜,聲發(fā)射能量也相對(duì)較高。聲發(fā)射能量的最大值變化曲線更能說明上述規(guī)律。從聲發(fā)射能量的變化可以看出,巖石的破壞過程是內(nèi)部能量不斷積累和釋放的過程。當(dāng)內(nèi)部能量積累到一定程度超過礦巖局部強(qiáng)度時(shí),礦巖內(nèi)部會(huì)因?yàn)榱严兜臄U(kuò)展貫通而出現(xiàn)破壞,破壞是一個(gè)釋放能量的過程,當(dāng)一個(gè)大而劇烈的破壞完成后,能量又繼續(xù)在小微裂隙擴(kuò)展發(fā)育過程中繼續(xù)積累,直到完成下一個(gè)大而劇烈的破壞。

4 破壞前兆判別易失效原因分析

根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程的階段趨勢(shì),可以得出,精細(xì)化計(jì)算出屈服破壞階段是實(shí)驗(yàn)室尺度下精準(zhǔn)預(yù)測(cè)承載礦巖破壞的必要條件。國(guó)內(nèi)其他學(xué)者,對(duì)大量巖石做了能量演化全過程曲線,并且得到了較為一致的判別條件,即耗散應(yīng)變能處于穩(wěn)定波動(dòng)或快速下降區(qū)間,意味著巖石進(jìn)入屈服破壞階段,并通過識(shí)別該區(qū)域內(nèi)的其他敏感參數(shù)信號(hào),嘗試對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)警。

由于礦巖特殊的結(jié)構(gòu),可以明顯發(fā)現(xiàn),就注水卸壓狀態(tài)下,自然和飽水狀態(tài)下均能滿足條件,而干燥狀態(tài)下不滿足條件,即無法準(zhǔn)確拾取孕災(zāi)前兆信號(hào),最終無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦巖破壞,而實(shí)驗(yàn)室尺度下自然狀態(tài)礦巖為取樣后在空氣中吸附后的狀態(tài),而井下深部工作面附近的礦巖因孔隙-裂隙發(fā)育和自重或開采擾動(dòng)的影響,往往趨近于含水較低,因而預(yù)測(cè)和防治均有一定的困難,這對(duì)合理控制注水卸壓的參數(shù)影響較大。此外,根據(jù)分析結(jié)果,孔洞卸壓狀態(tài)而言,卸壓措施很好地增大了礦巖的沖擊傾向性,并在人為構(gòu)造弱面進(jìn)行快速釋放,需要注意快速釋放過程中形成的動(dòng)載及應(yīng)力動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中的大變形,因此合理確定鉆孔參數(shù)極其重要。

5 結(jié) 論

針對(duì)于沖擊地壓預(yù)測(cè)的難題,為了明確具體的卸壓機(jī)制,在室內(nèi)實(shí)驗(yàn)室,通過改變礦巖的含水程度模擬現(xiàn)場(chǎng)注水卸壓工程,并分析其對(duì)礦巖力學(xué)性質(zhì)的改變規(guī)律。得到了以下結(jié)論:

1)常規(guī)卸壓措施均滿足沖擊地壓的防治理念;梳理了現(xiàn)有預(yù)警手段的適用條件及預(yù)警最佳狀態(tài),解釋了預(yù)警失效的外部環(huán)境。

2)由于礦巖特殊的結(jié)構(gòu),就注水卸壓狀態(tài)下,自然和飽水狀態(tài)下均能滿足條件,而干燥狀態(tài)下不滿足條件,即無法準(zhǔn)確拾取孕災(zāi)前兆信號(hào),最終無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)礦巖破壞。

3)井下深部工作面附近的礦巖因孔隙-裂隙發(fā)育和自重或開采擾動(dòng)的影響,往往趨近于含水較低,因而預(yù)測(cè)和防治均有一定的困難,這對(duì)合理控制注水卸壓的參數(shù)影響較大。分析結(jié)果可為提高沖擊地壓的預(yù)警準(zhǔn)確性提供理論依據(jù)。