基于声发射-红外联合监测的巷道岩爆模拟实验研究

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岩爆是高地应力环境下地下工程开挖过程中常见的一种动力失稳灾害,其具体表现为围岩突发猛烈弹射或抛掷到开挖空间,直接威胁施工人员、设备的安全,已成为世界性的地下工程难题之一。由于岩爆发生机制较为复杂且影响因素众多,岩爆的预测与预警技术尚不能完全满足工程实践要求。因此,开展岩爆灾害的影响因素及其对应的物理效应实验研究,获取不同条件下岩爆过程声发射-红外辐射特征、规律与机制,为岩爆预警与防控奠定实验和理论基础。本文以地下深部矿山巷道岩爆为工程背景与研究主题,以室内模拟实验为主要研究手段,紧紧围绕岩爆三个影响因素(水平应力、开挖速率及地下水),采用声发射、红外监测技术,通过细致、系统的开展不同侧压、不同加载速率、不同含水条件下巷道岩爆模拟实验,分析了三种影响因素下岩爆破坏特征及作用机制,并着重对岩爆过程声发射、红外辐射的演化规律及其机理进行深入研究,在此基础上提出了岩爆灾害声发射-红外监测技术,以期为地下工程中岩爆预测预警提供理论及实验基础,对于理解岩爆发生机理,进行岩爆预测预报具有重要意义。本论文的研究内容及主要成果如下:(1)侧压对巷道岩爆的宏观破坏、声发射和红外特征影响研究设计开展了三种不同侧压(4.44MPa、8.88MPa、13.32MPa)下花岗岩巷道岩爆模拟实验,对比研究了三种侧压下岩爆宏观破坏、声发射及红外辐射特征。研究结果表明:①巷道岩爆过程存在“平静期-颗粒弹射-片状剥离-剧烈岩爆”四阶段特征,侧压增大,岩爆出现颗粒弹射时的应力增大,颗粒弹射、片状剥离阶段变短,岩爆进程加快,岩爆突发性、破坏性增强。②侧压增加,声发射低频高幅值信号密集度增速加快,而高频低幅值信号密集度降速加快,这表明侧压增大,岩爆声发射参数的前兆特征更明显。③侧压影响岩爆过程红外辐射效应。一是侧压增大,岩爆区与非岩爆区温度差值增大,二者温度差别明显,更有利于识别岩爆危险区域。二是侧压增大,岩爆过程剪性破坏增强,碎屑间摩擦增大,导致剧烈岩爆阶段升温碎屑比例上升,且其升温幅度增加。(2)加载速率对巷道岩爆的宏观破坏、声发射和红外特征影响研究设计开展了三种不同加载速率(0.3mm/min、0.4mm/min和0.5mm/min)下花岗岩巷道岩爆模拟实验,探讨了加载速率对岩爆过程的影响。研究结果表明:①加载速率增大,岩爆出现颗粒弹射时的应力降低,岩爆过程各阶段时间变短,岩爆发展迅速、冲击性增强,增大了岩爆监测的难度。②随着加载速率的增大,岩爆声发射活动趋于强烈,能量调整加剧,低频高幅值信号密集度在岩爆片状剥离阶段表现出突增特征,可作为岩爆的重要前兆信息。③加载速率对岩爆过程红外辐射特征影响主要表现在两个方面:一是随着加载速率的增大,整个岩爆过程岩样受到的机械功减小,岩爆区温升幅度变小。二是加载速率增大,岩爆过程张性破坏增强,碎屑间摩擦程度减弱,导致剧烈岩爆阶段升温碎屑比例下降,且升温幅度降低。(3)水对巷道岩爆的宏观破坏、声发射和红外特征影响研究设计开展了自然和饱水条件下巷道岩爆模拟实验,获得了水对巷道岩爆的宏观破坏、声发射和红外辐射影响规律:①相比自然条件,饱水条件下岩爆呈现出破坏范围增大但动力破坏程度降低的特点。②相比自然条件,饱水条件下岩爆声发射事件率明显升高,但声发射能量显著降低;与自然条件下岩爆高频低幅值信号密集度逐渐减小的特征不同,饱水条件下其在颗粒弹射阶段存在先增大后减小的特征,可作为饱水条件下岩爆声发射重要前兆信息。③饱水花岗岩岩爆孕育过程温度上升幅度大于自然岩石,水增强了岩爆孕育过程围岩升温效应;另一方面,当岩爆发生时,弹射和脱落岩块的降温效应要强于自然岩石,水起到了对岩爆碎屑降温的作用。上述两种效应表明,对于饱水岩石发生岩爆的红外辐射监测效果会更好。(4)从岩爆时空强三维度,构建了巷道岩爆声发射-红外辐射联合监测技术模式采用“实验规律-机理分析-应用实践”的研究思路,基于岩爆实验获得的声发射、红外规律,提出了基于岩爆时空强架构的声发射-红外联合监测思路,阐述了岩爆时间、空间和强度监测指标及其前兆表现形式。在此基础上,建立了声-热多指标相结合的巷道岩爆声发射-红外联合监测技术模式,并对其实际应用的可行性进行了讨论。实验结果进一步揭示了不同因素对岩爆过程的影响机制,同时对促进声发射、红外应用于巷道岩爆灾害的监测预警提供实验基础。
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