基于三維物理模擬的圍巖局部化損傷識別

基于三維物理模擬的圍巖局部化損傷識別

受外部負(fù)荷后，巖體產(chǎn)生局部變形，容易引起事故。西部地質(zhì)力學(xué)環(huán)境復(fù)雜,地下工程穿越斷層帶或者節(jié)理斷裂帶時(shí)易引起局部滑移和動力失穩(wěn)。在圍巖介質(zhì)破壞與失穩(wěn)前兆預(yù)測中,局部化損傷-破裂-失穩(wěn)源觀測是難題,在信號辨識中易忽略巖體局部化變形“可識別特征”信息及其內(nèi)在關(guān)聯(lián)特征。巖體局部能量瞬態(tài)釋放彈性波現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acousticemission,AE)。根據(jù)巖體存在凱塞效應(yīng)進(jìn)行巖體失穩(wěn)AE-壓力-位移耦合模式辨識和增大實(shí)驗(yàn)尺寸及規(guī)模可提高危險(xiǎn)源辨識精度。支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和子波變換等為局部化失穩(wěn)預(yù)測提供了有效手段。以寧夏寧東礦區(qū)圍巖局部化變形演化規(guī)律預(yù)測為目標(biāo),綜合地球物理特征、加載框架及其力學(xué)性能、結(jié)構(gòu)與缺陷以及相似模擬材料復(fù)合特性等,構(gòu)建了三維物理模擬裝置與AE、應(yīng)力-應(yīng)變、位移與變形等多元指標(biāo)實(shí)時(shí)測試系統(tǒng),完成了恒定與可變圍壓下的“動-靜”耦合加載實(shí)驗(yàn)和圍巖損傷“聲-光-電”指標(biāo)信息監(jiān)測,比較分析了模型實(shí)驗(yàn)中圍巖應(yīng)力-損傷-變形-破裂-失穩(wěn)的AE特征,為開采擾動區(qū)巖體局部化失穩(wěn)源辨識提供了依據(jù)。1裝置大型化及其內(nèi)部相關(guān)指標(biāo)的精密測量復(fù)雜環(huán)境下圍巖介質(zhì)“損傷-變形-失穩(wěn)”是多元力學(xué)/信息與控制下耦合作用的物理與力學(xué)過程。實(shí)驗(yàn)裝置大型化及其內(nèi)部相關(guān)指標(biāo)參數(shù)的精確測量是保證結(jié)果可靠的前提。寧東礦區(qū)歷史上發(fā)生過7級以上的地震6次。基于不同加載模式下的物理相似模擬和現(xiàn)場AE試驗(yàn),選擇不同加卸載模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn),定量刻畫失穩(wěn)破壞區(qū)煤巖介質(zhì)的孕裂和失穩(wěn)的進(jìn)程。23d建模與參數(shù)的確定2.1模型創(chuàng)建及現(xiàn)場工程施工以寧東礦區(qū)2號煤層開采中圍巖穩(wěn)定性控制為目標(biāo),分析圍巖變形的力學(xué)條件、演化規(guī)律、控制模式。開挖斷面寬4.80m、高4.20m。模型原型長24m、高21m,最大埋深380m;模型空間尺寸為4.42m×2.90m×2.50m,中部空間復(fù)合相似材料鋪裝尺寸2.50m×2.25m×2.00m;模型比例為1∶10。圖1分別描述了現(xiàn)場工程環(huán)境、模型試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)、巖層層位以及監(jiān)測系統(tǒng)布局。實(shí)驗(yàn)中將云母作為界面材料,鋼板與混凝土砌塊作為應(yīng)力傳遞結(jié)構(gòu)材料,石膏、粉煤灰和巴厘石等提高圍巖介質(zhì)的韌性。2.2加載和信號測試系統(tǒng)2.2.1非對稱“動-靜”態(tài)耦合主體加載框架利用三維實(shí)驗(yàn)裝置頂部和側(cè)幫油缸(單個油缸最大載荷30MPa)構(gòu)成的非對稱“動-靜”(態(tài))耦合主體加載框架(12.0m×8.8m×5.6m),通過伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行多級加載。2.2.2實(shí)驗(yàn)臺及測試方法已有學(xué)者采用多種方法從不同角度對局部變形現(xiàn)象進(jìn)行了理論與實(shí)(試)驗(yàn)研究。但對復(fù)合材料試件的測量區(qū)域較小,也沒實(shí)現(xiàn)變形局部化的全程實(shí)時(shí)觀測。巖體局部化裂紋孕育、演化、失穩(wěn)誘發(fā)災(zāi)害,實(shí)質(zhì)上是圍巖局部結(jié)構(gòu)承受復(fù)雜環(huán)境作用的過程。監(jiān)測指標(biāo)涉及空區(qū)邊界巖體破裂和滑移、垂直或沿單個節(jié)理或裂隙面的移動、邊界點(diǎn)上兩點(diǎn)間相對位移、滲流、剪切帶正應(yīng)力和剪應(yīng)力、聲發(fā)射(反映破裂程度)等指標(biāo),簡單概括地描述其內(nèi)涵為P(t)=(σ/ε,AE,D)Ρ(t)=(σ/ε,AE,D)式中,P(t)為空區(qū)巖體在應(yīng)力與滲流耦合作用下穩(wěn)定性概率函數(shù);σ/ε為應(yīng)力-應(yīng)變指標(biāo);AE為特征參數(shù),主要包括聲發(fā)射的大事件、總事件和能率;D為變形指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)臺包括八大測試系統(tǒng):①通過伺服控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取加載過程中的垂直和側(cè)向水平載荷;②利用埋入式壓力傳感器,測試模擬范圍內(nèi)地層內(nèi)部應(yīng)力傳播與遷移及演化規(guī)律;③利用數(shù)字化智能聲發(fā)射裝置,測試在不同加載與采放模式下頂煤與頂板圍巖內(nèi)部損傷、破裂與變形程度以及能量變化規(guī)律與特征;④利用光學(xué)鉆孔窺視系統(tǒng)及檢測裝置,驗(yàn)證開挖過程中深部巖層損傷與破壞特征及定量描述,輔以CT檢測系統(tǒng)進(jìn)行圍巖局部弱化特征及區(qū)域(局部化應(yīng)變剪切帶)預(yù)測;⑤選用圍巖破碎范圍聲學(xué)檢測裝置進(jìn)行圍巖內(nèi)外承載結(jié)構(gòu)松動與擴(kuò)展范圍以及相關(guān)缺陷進(jìn)行檢測,為圍巖穩(wěn)定性控制范圍提供定量依據(jù);⑥通過多路應(yīng)力-應(yīng)變信號采集系統(tǒng),分析不同開挖模式下圍巖應(yīng)力-應(yīng)變分布與支護(hù)載荷分布及演化規(guī)律;⑦利用光學(xué)全站儀實(shí)施巖層移動的非接觸式遠(yuǎn)程觀測;⑧通過深層位可變角-拉線式多點(diǎn)位移監(jiān)測裝置,剖析深部巖層的層裂-離層演化特征。3設(shè)備的模型材料制備和監(jiān)控系統(tǒng)的配置根據(jù)設(shè)計(jì)布置測試儀器,包括應(yīng)力-應(yīng)變傳感測試系統(tǒng)、動載荷傳感測試系統(tǒng)、聲發(fā)射裝置及傳感器、鉆孔光學(xué)窺視系統(tǒng)、圍巖松動范圍測試系統(tǒng)。3.1應(yīng)力傳遞結(jié)構(gòu)的測量完成了混凝土砌塊強(qiáng)度及其相關(guān)指標(biāo)的檢測和預(yù)制應(yīng)力傳遞結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度與抗剪強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)測試。混凝土砌塊具有較高的韌性,在一定程度上代表巖體沉積環(huán)境與特性。3.2電壓響應(yīng)傳感器的放置在擬開挖井筒的底板中沿井筒法向與徑向鋪設(shè)應(yīng)力-應(yīng)變傳感器,用以考察不同埋深(層位)應(yīng)力分布特征及規(guī)律。3.3局部化變形特征為減少開挖擾動影響,在模擬裝置頂蓋上打5個鉆孔,利用?22mm的鋼管預(yù)制在不同深度或?qū)游?用以深部圍巖損傷可視化光學(xué)窺視,分析不同開挖時(shí)序的圍巖局部化變形特征。3.4預(yù)測器和誤差結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)備和開挖采用云母作為界面材料,預(yù)制斷層,其間充填流沙、巴厘石和云母,增加其強(qiáng)度與流動性。采用全斷面快速掘進(jìn)與分步開挖相結(jié)合方式。4不同加載模式下的ae功能4.1當(dāng)圍壓和垂直壓力為12mpa時(shí)，ae功能(1)斷層前破壞特征cm。加載時(shí)間為2008-05-09,連續(xù)監(jiān)測時(shí)間17:57:24—18:02:53。圖2(a)~(c)反映了AE特征參數(shù)(事件數(shù)和能率)與時(shí)間演化的關(guān)系。此時(shí)已開挖70cm(即將進(jìn)入斷層區(qū)域),且先前已經(jīng)過多次加、卸載,內(nèi)部初始裂紋早已完成其張開與閉合等。圖2(a)~(c)表明,加載中AE事件數(shù)量多,但以小事件為主,幅度多在45dB附近,加載到122.76s時(shí)達(dá)到最大幅度57.8dB。每秒內(nèi)最大振鈴數(shù)672次,最大能率為87,持續(xù)時(shí)間最大達(dá)到157895.4μs。在開挖遇到斷層之前的破壞以能量小、數(shù)量多、持續(xù)時(shí)間長的小范圍破裂為主,偶有大事件發(fā)生。圖2(c)為總事件和總能量的累加規(guī)律,說明本次加載階段,AE事件數(shù)持續(xù)平穩(wěn)增加,實(shí)驗(yàn)體內(nèi)裂隙和破裂范圍也在穩(wěn)步擴(kuò)展。(2)ae事件累積量隨時(shí)間的變化cm。加載時(shí)間2008-05-10T08:30,帶壓開挖85cm;連續(xù)監(jiān)測時(shí)間為08:40:02—08:47:08。圖2(d)~(f)分別反映了本次加載階段AE事件數(shù)、能率以及二者的累積量隨到達(dá)時(shí)間的變化。從圖2(d)~(f)中可看出,本次加載階段AE事件在數(shù)量和強(qiáng)度上都較上一階段有所下降,事件數(shù)大幅減小,能率也迅速降低。加載到285.34s時(shí),有振鈴計(jì)數(shù)最大79次,能率最高8,這表明實(shí)驗(yàn)體在開挖過后內(nèi)部比較穩(wěn)定,沒有發(fā)生大的破壞。圖2(f)中總事件曲線有幾個階梯狀區(qū)段,尤其是在監(jiān)測初期10s內(nèi),上升最為明顯。這反映了在開挖擾動的初始階段巖體內(nèi)的裂隙在短時(shí)間大量增加,稍后就趨于緩和,并不會立即發(fā)生失穩(wěn)。能量曲線的增長遠(yuǎn)小于總事件的增長速度,并且越來越平緩,這說明巖體內(nèi)部裂隙能量釋放小,仍然在小范圍擴(kuò)展中。4.2ae事件的發(fā)生加載時(shí)間為2008-05-11。卸壓后,左右圍壓為2MPa,豎向載荷為0。連續(xù)監(jiān)測時(shí)間10:10:12—11:32:51。開挖完成并卸壓9h后,左右圍壓小(2MPa)。從圖3(a)~(c)可以看出,在加載開始的前半段,約2500s的時(shí)間內(nèi),AE事件少,在加載2569s之后,AE迅速增多,這一點(diǎn)在圖3(c)中表現(xiàn)的也非常明顯,2569s后斜率突然增大。所以巖體在卸壓一段時(shí)間以后,會有一個相對穩(wěn)定期。在此期間巖體內(nèi)部裂紋破壞擴(kuò)展活動很少,但是一旦有外部擾動,可能引發(fā)大范圍內(nèi)破壞,成為工程失穩(wěn)的危險(xiǎn)源。4.3ae振鈴分析加載時(shí)間為2008-05-12;左右圍壓為10MPa,垂直壓力為14MPa。監(jiān)測時(shí)間范圍14:00:49—14:05:47。圖3(d)~(f)是本次加載過程的AE振鈴計(jì)數(shù)和持續(xù)時(shí)間變化規(guī)律。圖3(d)顯示AE事件前一段時(shí)間較密集,后一時(shí)段則較稀疏,總體上呈現(xiàn)先升后降趨勢,與前期加載階段相比很平靜。圖3(e)中,AE持續(xù)時(shí)間短,能量釋放快。綜合圖3(d)、(e)對比分析,本階段巖體內(nèi)的裂紋活動可稱為嘈雜期,在一段密集的小的破裂活動中夾雜著少量裂紋的緩慢擴(kuò)展。圖3(f)中總事件數(shù)增長緩慢,而持續(xù)時(shí)間呈階梯狀,這也說明了監(jiān)測過程中有前文提到的裂紋緩慢擴(kuò)展過程即能量的緩慢釋放。5從ae事件的表現(xiàn)看加載時(shí)間為2008-05-12,左右圍壓為10MPa,垂直壓力為16MPa,連續(xù)監(jiān)測時(shí)間為14:06:03—14:56:14,14:28:04汶川特大地震發(fā)生。圖4(a)、(b)描述了地震作用下AE規(guī)律。從AE數(shù)和持續(xù)時(shí)間隨時(shí)間的變化關(guān)系來看,AE活動比較頻繁。監(jiān)測開始約1700s以前AE數(shù)較均勻,持續(xù)時(shí)間一直在振蕩中;1700s后的AE事件增多,持續(xù)時(shí)間加長。14:28:04,汶川特大地震爆發(fā),距監(jiān)測開始1321s,持續(xù)約300s,即監(jiān)測時(shí)間1621s。從圖4(c)可知,在地震結(jié)束后(監(jiān)測歷時(shí)1621s),AE持續(xù)時(shí)間顯著增加,反映出地震荷載作用以后,巖體內(nèi)出現(xiàn)大量裂紋的持續(xù)擴(kuò)展,其內(nèi)部破壞范圍在不斷擴(kuò)大。通過第40次和第41次加載過程中的AE特征參數(shù)對比,統(tǒng)計(jì)每分鐘內(nèi)事件數(shù)和持續(xù)時(shí)間的變化,如圖4(d)所示,在地震來臨前的20多分鐘內(nèi),AE事件在一定范圍內(nèi)振蕩。地震來臨后經(jīng)過一段時(shí)間的沉寂(約350s)才開始出現(xiàn)大規(guī)模的持續(xù)-長時(shí)(間)的AE事件。由此可見,當(dāng)AE經(jīng)過“振蕩-沉寂期”后,預(yù)示著巖體內(nèi)部很可能會出現(xiàn)大量長時(shí)(間)持久性破壞,這為動力學(xué)失穩(wěn)致災(zāi)提供了前兆信息。另外,在不同開挖范圍內(nèi),擾動區(qū)域內(nèi)巖體的徑向和切向應(yīng)力明顯增大,局部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外,還采用光學(xué)窺視、數(shù)值模擬、支持向量機(jī)、子波變換等信號辨識方法,有效解決了聲發(fā)射噪聲過濾等問題,對實(shí)驗(yàn)中圍巖應(yīng)力-損傷-變形-破裂-失穩(wěn)源等進(jìn)行分析,為開采擾動區(qū)危險(xiǎn)源辨識提供了依據(jù)。6實(shí)驗(yàn)裝置效果(1)增大實(shí)驗(yàn)尺寸及規(guī)模可提高失穩(wěn)與危險(xiǎn)源辨識精度。系統(tǒng)分析了地球物理特征、加載框架及其性能、巖體損傷與變形指標(biāo)與定量識別、圍巖結(jié)構(gòu)與缺陷、復(fù)合巖體模擬材料特性等因素,構(gòu)建了大型三維物理模擬裝置與“聲-光-電”物理力學(xué)指標(biāo)信息測試系統(tǒng)并成功開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn),為復(fù)雜環(huán)境下井下力學(xué)/信息與控制等信息源動態(tài)預(yù)測