考慮浸泡水溫影響的泥質(zhì)粉砂巖破壞過程聲發(fā)射特征試驗研究

周曉山，呂　欣，劉祥鑫

(1.華北理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，河北 唐山 063009；2.華北理工大學(xué)現(xiàn)代技術(shù)教育中心，河北 唐山 063009；3.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

考慮浸泡水溫影響的泥質(zhì)粉砂巖破壞過程聲發(fā)射特征試驗研究

周曉山1，呂欣2，劉祥鑫3

(1.華北理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，河北 唐山 063009；2.華北理工大學(xué)現(xiàn)代技術(shù)教育中心，河北 唐山 063009；3.華北理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，河北 唐山 063009)

摘要：高地溫水工隧洞、深部礦山工程中溫度的變化對地下巖體的物理力學(xué)性質(zhì)具有重要影響，目前不同水溫浸泡下巖石破裂相關(guān)研究較少。本文將泥質(zhì)粉砂巖置于自然干燥以及28℃(常溫)、40℃、50℃、70℃、100℃共五種不同溫度的水中浸泡至飽和，然后開展單軸壓縮試驗，研究了泥質(zhì)粉砂巖的物理力學(xué)及聲發(fā)射特征。研究結(jié)果表明：溫度對泥質(zhì)粉砂巖含水的影響存在一個臨界轉(zhuǎn)換點(本研究為40℃)，當溫度在28～40℃時，巖石含水能力被“弱化”，當溫度大于40℃時，泥質(zhì)粉砂巖含水能力被“增強”。在28～100℃中，溫度對泥質(zhì)粉砂巖物理力學(xué)性質(zhì)起“增強”作用，表現(xiàn)為彈性模量增加，剛度提升。當水溫從28℃升高到40℃，聲發(fā)射時域活動性增強，水溫從40℃提高到100℃時，聲發(fā)射時域活動性減弱。聲發(fā)射能量b值和熵值曲線較好地體現(xiàn)了裂紋演化規(guī)律，水溫越高，在形成主裂紋過程中，伴生裂紋出現(xiàn)的概率越低。

關(guān)鍵詞：泥質(zhì)粉砂巖；含水；水溫；破壞特性；聲發(fā)射

巖石在水作用下變形破壞問題的本質(zhì)就是水巖耦合變形破裂問題[1-2]。在深井巖體工程中，由于地熱、水、地應(yīng)力或應(yīng)力擾動的存在，巖體將會受到溫度-流體-應(yīng)力耦合作用。研究此類問題的時候，除了考慮滲流應(yīng)力對巖石破裂的影響之外，水溫也應(yīng)是不可忽略的因素。

國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了含水巖石聲發(fā)射特征方面的研究。Andrew R.B.[3]對巖土體中水流的聲發(fā)射開展研究；Marcak H.[4]開展了巖石滲流與聲發(fā)射關(guān)系的研究；唐書恒等[5]通過模擬煤儲層的壓裂特征，進行飽水煤巖單軸壓縮聲發(fā)射實驗；秦虎等[6]通過自制的固-氣耦合細觀力學(xué)試驗裝置，開展不同含水率煤樣的單軸聲發(fā)射特征實驗；許江等[7]對不同含水狀態(tài)砂巖進行剪切聲發(fā)射實驗，探討聲發(fā)射信號隨時間演化規(guī)律以及與巖石裂紋擴展之間的聯(lián)系；童敏明等[8]從不同加載應(yīng)變速度下開展了含水煤巖聲發(fā)射頻譜特性分析；李俊平等[9]通過單軸壓縮力學(xué)實驗，進行在滲流和非滲流條件下巖石的聲發(fā)射實驗；張艷博等[10]等針對聲發(fā)射時頻域特征，開展了飽和含水與干燥巖石的力學(xué)及聲發(fā)射特征影響研究。

以上的研究重點都是針對巖石含水(靜水壓作用)狀態(tài)、考慮滲流或水壓致裂(動水壓作用)來開展研究。針對不同水溫浸泡對巖石破裂的影響卻少有研究。在實際的巖體工程中，水溫的變化對巖石破壞的影響卻普遍存在著。在俄羅斯千米平均地溫為30～40℃，個別達52℃，南非某金礦3000m 時地溫達70℃[11]。因此，開展不同水溫浸泡下巖石破裂的研究工作具有一定的現(xiàn)實意義。

在高溫條件下巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和常溫相比有著較明顯的區(qū)別，地下空間由于特殊“三高”環(huán)境對巖體的物理力學(xué)性質(zhì)有著重要的影響[12]。這種耦合作用的本質(zhì)都是巖石微觀顆粒及其顆粒間連接特征的改變，而這正是巖體力學(xué)響應(yīng)機制的基礎(chǔ)。本文選擇受水影響較大的泥質(zhì)粉砂巖試樣展開研究，分別進行自然干燥、28℃(常溫)、40℃、50℃、70℃和100℃含水飽和處理，開展單軸壓縮試驗。研究這六種含水情況對巖石物理力學(xué)及聲發(fā)射特征，以期對深部巖體工程中遭受與水同時作用的巖石破壞問題提供一定的工程參考價值。

1實驗方案

1.1巖石試件處理

本文的浸泡時間統(tǒng)一設(shè)置為2h，處理方式為：干燥 → 稱重1 → 浸泡→ 稱重2。根據(jù)實際地下工程中的高溫條件，試驗設(shè)計的溫度范圍從28～100℃共5個溫度梯度(28℃，40℃，50℃，70℃，100℃)。巖石含水后情況如表1所示。將巖石試件尺寸加工為50mm×50mm×100mm，并對兩端進行仔細研磨，使上下表面平等度符合試驗要求。控制方式統(tǒng)一選擇位移控制，加載速率選擇0.15mm/min。

表1　巖石試件含水處理情況表

1.2實驗設(shè)備

試驗在長春朝陽試驗機廠研發(fā)的TAW-3000巖石力學(xué)試驗系統(tǒng)上完成，聲發(fā)射采用美國聲學(xué)物理公司PAC產(chǎn)的PCI-2型多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。

2.3試驗方案

本實驗采用位移控制方式加載，為排除接觸噪聲對聲發(fā)射監(jiān)測的影響，先預(yù)加載至1kN，隨后以0.18mm/min加載至破壞，自動記錄實驗過程中的力學(xué)數(shù)據(jù)。試驗中聲發(fā)射測試系統(tǒng)的門檻值設(shè)置為40dB，波形采樣率設(shè)置為1MSPS，預(yù)觸發(fā)為256，波形數(shù)據(jù)長度為2K；聲發(fā)射探頭選擇R6α型諧振式高靈敏度傳感器，其工作頻率為35k～100kHz，為使其探頭與試件之間緊密結(jié)合，在探頭與試件之間涂抹了一層凡士林。

2實驗結(jié)果分析

2.1巖石宏-微觀物理力學(xué)性質(zhì)與溫度變化規(guī)律研究

圖1為不同水溫浸泡下的泥質(zhì)粉砂巖彈性模量、含水率變化情況。泥質(zhì)粉砂巖是典型的多孔介質(zhì)地質(zhì)體，孔隙提高了巖石與水接觸面積，水對巖石的五個作用(弱結(jié)合水的連接作用、潤滑作用、水楔作用，自由水的孔隙壓力作用、溶蝕及潛蝕作用)。選擇自然干燥、28℃、40℃和100℃四種代表性較強的情況展開討論。

含水率：28℃水>100℃水>40℃水；彈性模量：100℃水>40℃水>28℃水。

圖1不同水溫浸泡下泥質(zhì)粉砂巖物理力學(xué)參數(shù)曲線圖

根據(jù)以上討論，對于泥質(zhì)粉砂巖的含水能力存在一個溫度轉(zhuǎn)換點(40℃)：①在一定的溫度范圍內(nèi)(本試驗的溫度為28～40℃左右)，溫度在水巖作用中起著“弱化”作用，降低了泥質(zhì)粉砂巖的水理性質(zhì)，表現(xiàn)為含水率的降低以及軟化系數(shù)的提高，抗壓強度和彈性模量提高；②當溫度繼續(xù)升高超過40℃時，溫度在水巖作用中起“催化”作用，泥質(zhì)粉砂巖的水理性質(zhì)提高，表現(xiàn)為含水率的提高，軟化系數(shù)降低，抗壓強度和彈性模量的降低；③當溫度升高超過70℃時，溫度作用已經(jīng)微乎其微了，表現(xiàn)為泥質(zhì)粉砂巖水理性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)變化不明顯。

2.2巖石聲發(fā)射與溫度變化規(guī)律研究

根據(jù)以上分析，在下面分析中，選擇自然干燥、28℃、40℃和100℃四種代表性較強的情況展開進行分析論述。

2.2.1巖石聲發(fā)射基礎(chǔ)參數(shù)分析

圖2為不同水溫泥質(zhì)粉砂巖試件載荷、聲發(fā)射-時間曲線圖。浸泡與否對巖石聲發(fā)射時域產(chǎn)生較大的影響。受巖石含水軟化影響，巖石破裂時能量釋放率要低于自然干燥巖石試件，但巖石聲發(fā)射活動明顯增強，整個破裂過程巖石聲發(fā)射較豐富。在初期階段，干燥狀態(tài)的巖石只出現(xiàn)少量的信號，含水巖石聲發(fā)射極為豐富；進入彈性階段，自然飽和巖石的聲發(fā)射能量值比干燥巖石試件要大得多；進入塑性變形階段后，自然干燥巖石試件幾乎不產(chǎn)生聲發(fā)射，而自然飽和巖石試件則出現(xiàn)大量的聲發(fā)射信號，在破裂前也存在聲發(fā)射的平靜期(圖2(a)中A區(qū))；在巖石峰值載荷處，自然干燥巖石試件的聲發(fā)射能量出現(xiàn)最大值，而自然飽和巖石試件的能量峰值則出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

相較于40℃含水試件，100℃含水試件的聲發(fā)射能量值變化較小。臨近塑性變形階段，聲發(fā)射活動較前兩階段劇烈。當巖石進入破裂后期，100℃含水巖石試件出現(xiàn)多次大破裂，在聲發(fā)射絕對能量曲線出現(xiàn)多處數(shù)值高點。在能量釋放方面，可分為以下兩個階段：①水溫從28℃提升到40℃時，由于巖石含水率降低，聲發(fā)射活動性降低，水的軟化性降低，造成最后破裂時聲發(fā)射絕對能量值階次從106提高至107；②水溫從40℃提高至100℃，含水率較40℃提高，巖石出現(xiàn)軟化，臨近破裂時聲發(fā)射絕對能量值從7.8×107降低至5×107。

2.2.2巖石聲發(fā)射能量b值及熵值分析

聲發(fā)射b值反映了巖石破裂過程中微裂紋空間分布情況，分析b值有助于認識巖石破壞機制，可進一步提出合理的巖石破壞前兆判據(jù)。b值隨加載過程的進行，可對巖石內(nèi)部在不同加載階段所承受的不同應(yīng)力和內(nèi)部平均強度的變化，同時也反映了巖石內(nèi)部微裂紋尺度的變化情況[14]。b值的計算可用年Gutenberg 與Richter在研究地震量提出的關(guān)于地震震級與頻度之間的統(tǒng)計關(guān)系式，即G-R關(guān)系式求解(式(1))。

logN(M)=a-bM

(1)

式中：N為震級為ΔM中的聲發(fā)射次數(shù)；M為震級；a、b為常數(shù)，其中b是聲發(fā)射相對震級分布的函數(shù)，因此，b值也是裂紋擴展尺度的函數(shù)。

聲發(fā)射熵值是一個宏觀物理量，可描述巖石破裂時微裂紋的尺度大小，反映了巖石破裂時能量耗散。分析巖石加載過程中的熵值，可有效地得到巖石加載破壞時的規(guī)律[15]。熵值和b值都是從地震學(xué)中引入，都反映了巖石破裂規(guī)律，兩者可通過如式(2)所示求解得到。

(2)

式中：H(t)表示聲發(fā)射能量熵值；k′=log(e·loge)≈0.072。

如圖3所示，在加載前、中期聲發(fā)射數(shù)量較少，導(dǎo)致聲發(fā)射能量b值和熵值對該區(qū)域不敏感，到了穩(wěn)定擴展階段，聲發(fā)射數(shù)稍有增加，聲發(fā)射能量b值和熵值稍有增加，但巖石仍安全穩(wěn)定；當巖石處于非穩(wěn)定擴展階段，巖石內(nèi)部已出現(xiàn)大量新裂紋，聲發(fā)射數(shù)大量增加，裂紋繼續(xù)擴展，直至形成較大的破裂面，聲發(fā)射b值和熵值大量出現(xiàn)。

圖2　不同水溫泥質(zhì)粉砂巖力學(xué)、聲發(fā)射絕對能量-時間曲線圖

圖3　部分水溫浸泡泥質(zhì)粉砂巖聲發(fā)射能量b值及熵值

結(jié)合圖3、圖4，不同水溫的泥質(zhì)粉砂巖最終都發(fā)生壓剪或張剪破壞，但受不同水溫的影響，泥質(zhì)粉砂巖破裂過程的規(guī)律性存在一定的差異。28℃含水試件出現(xiàn)多條主裂紋，并且主裂紋附近出現(xiàn)了眾多的伴生裂紋，裂紋擴展較復(fù)雜，這種復(fù)雜性增加了b值和熵值曲線的上下跳動的劇烈程度，規(guī)律性相對不明顯，熵值的規(guī)律性強于b值；40℃含水試件在形成一條貫穿整個試件的張裂紋之外，由于破裂降低了端面的平等度，巖石出現(xiàn)局部應(yīng)力集中，在該部位出現(xiàn)張拉破壞，試件的中部出現(xiàn)一條垂直于加載方向的裂紋。且沒有出現(xiàn)明顯的伴生裂紋，b值和熵值曲線的跳動較小，規(guī)律性相對28℃含水更強；100℃含水試件最終破裂只形成了一條主裂紋，沒有明顯的伴生裂紋，在整個加載過程聲發(fā)射能量b值和熵值曲線的規(guī)律性較好，特別是熵值，幾乎沒有出現(xiàn)明顯的跳動情況。

由以上分析知，b值和熵值曲線變化較好地體現(xiàn)了裂紋的演化情況。受浸泡水溫的影響，不同水溫的泥質(zhì)粉砂巖裂紋擴展存在一定的區(qū)別。在28～100℃中，隨著溫度的升高，主裂紋形成過程的伴生裂紋越來越少。

圖4部分水溫浸泡巖石試件破裂形態(tài)圖

3結(jié)論

1)水溫對泥質(zhì)粉砂巖含水性的影響存在一個臨界轉(zhuǎn)換點(本研究為40℃)。當溫度低于40℃時，溫度對水理性質(zhì)起著“弱化”作用；當溫度高于40℃時，溫度對水理起著“催化”作用；

2)水溫對泥質(zhì)粉砂巖破裂的聲發(fā)射活動性存在一個影響節(jié)點(本研究為40℃)。當水溫從28℃提高至40℃，泥質(zhì)粉砂巖的聲發(fā)射活動性逐漸增強，在臨近破裂時聲發(fā)射能量值提高了一個數(shù)量級。當水溫在40～100℃時，巖石破裂時的能量耗散量降低，聲發(fā)射活動性減弱；

3)聲發(fā)射絕對能量b值和熵值曲線較好地反映了泥質(zhì)粉砂巖的裂紋演化情況。泥質(zhì)粉砂巖最終呈壓剪或張剪破裂，受浸泡水溫影響(本研究28～100℃之間)，溫度的升高降低了伴生裂紋出現(xiàn)的概率。

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Experimental study on failure process characteristic of considered about the water-temperature of argillaceous siltstone

ZHOU Xiao-shan1，LV Xin2，LIU Xiang-xin3

(1．Continue Education College，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Modern Technology and Education Cetre，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；3.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China)

Abstract:The change of water-temperature has an important effect on physical and mechanical properties of the rock mass underground of high temperature hydraulic tunnel and deep mining engineering.At present different water-temperature has got a less study on rock burst.This paper put research of uniaxial compression test on natural drying and five different temperatures(28℃，40℃，50℃，70℃，100℃) by argillaceous siltstone.The results show that the influence of temperature on the argillaceous siltstone water have a critical point(this study of 40℃).When the water-temperature in the range of 28℃ to 40℃，the containing-water ability of rock is “weaken”.While the water-temperature is greater than 40℃，the containing-water ability of rock is “enhance”.In 28～100℃，the water-temperature plays a role of “enhance” of rock physical and mechanical properties.When the water temperature rise from 28℃ to 40℃，the time-domain activity of AE increased，and the time-domain activity of AE weaken while the water temperature increased from 40℃ to 100℃.The curve of b-value and entropy can get a well reflect to the crack evolution law.In the process of formation of the main crack，the probability of accompanying-crack decreased.

Key words：argillaceous siltstone；moisture；water-temperature；failure characteristic；acoustic emission

收稿日期：2015-11-30

基金項目：河北省教育廳自然科學(xué)類項目資助(編號：QN2014067)

作者簡介：周曉山(1981- )，男，江西上饒人，碩士，講師，主要從事巖石力學(xué)與礦業(yè)經(jīng)濟領(lǐng)域的教學(xué)與研究工作。

中圖分類號：TU454

文獻標識碼：A

文章編號：1004-4051(2016)05-0141-05