單軸壓縮下頁巖的聲發(fā)射特征研究

陳鈺婷，盧義玉，湯積仁，王相成

（1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶　400044；2.重慶大學(xué)復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶　400044）

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單軸壓縮下頁巖的聲發(fā)射特征研究

陳鈺婷1，2，盧義玉1，2，湯積仁1，2，王相成1，2

（1.重慶大學(xué)煤礦災(zāi)害動力學(xué)與控制國家重點實驗室，重慶400044；2.重慶大學(xué)復(fù)雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶400044）

摘要：隨著社會對能源需求的日益增長，頁巖氣作為一種新型清潔能源受到全球熱點關(guān)注。本文以四川盆地龍馬溪組頁巖為研究對象，通過對頁巖進行了單軸壓縮條件下聲發(fā)射試驗，并使用MATLAB對頁巖的累積能量進行統(tǒng)計分析，研究了頁巖的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征。研究結(jié)果表明：（1）通過單軸壓縮試驗，得到的頁巖峰值強度在125.34MPa～147.80MPa，彈性模量在4.09 GPa～6.73 GPa。（2）單軸壓縮下，頁巖的聲發(fā)射計數(shù)、累計能量與其應(yīng)力之間具有良好的關(guān)聯(lián)性。（3）頁巖的聲發(fā)射能量分布服從冪減定律p（E）～E－γ，γ的分布主要集中在0.5附近。

關(guān)鍵詞：巖石力學(xué)；頁巖；力學(xué)特性；聲發(fā)射

近年來，頁巖氣藏作為一種被認為可以代替常規(guī)天然氣的新能源受到了全球的熱點關(guān)注。了解天然巖石材料在壓縮下的破壞對于預(yù)測例如礦井、建筑等結(jié)構(gòu)的垮塌失穩(wěn)具有重要意義。在很大的尺度上，甚至地震也可以被視為地殼受壓縮應(yīng)力導(dǎo)致的破裂行為。認識這類相關(guān)失穩(wěn)機理和發(fā)現(xiàn)對于防治礦井事故的材料結(jié)構(gòu)準則是重要的。而由于聲發(fā)射技術(shù)能夠被用來研究巖石材料的裂紋發(fā)展和破壞過程，其在巖石破壞機制的研究中受到很大程度的認可［1］。所以，開展單軸壓縮下頁巖的聲發(fā)射特性研究具有重要意義。

目前，國內(nèi)外學(xué)者在頁巖力學(xué)特性方面已獲得了一定研究成果：彭光忠［2］對頁巖進行單軸壓縮試驗，試驗結(jié)果表明頁巖的強度極限值隨著結(jié)構(gòu)面夾角增加而變小；刁海燕［3］通過試驗研究得出泥頁巖的抗壓強度隨著圍壓的增大而增大，同時也隨著楊氏模量減小而減??；而關(guān)于巖石破壞過程的聲發(fā)射特征特性的試驗也有學(xué)者進行了一些研究，并獲得了一定研究成果：姚強嶺等［1］通過單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗，分析了干燥和含水條件下的砂巖聲發(fā)射特征的區(qū)別。Ganne等［4］通過對破壞前的巖石進行了聲發(fā)射試驗，分析得出了巖石破壞前其累積聲發(fā)射能量的4個階段。

可見，關(guān)于頁巖力學(xué)特性的研究多采用傳統(tǒng)試驗手段和數(shù)據(jù)分析方法，而鮮有關(guān)于頁巖的力學(xué)特性方面用聲發(fā)射手段并進行統(tǒng)計分析的研究。近年來，臨界科學(xué)研究表明［5］巖石的破裂行為具有臨界性。在所有這些外部作用情況下，突然改變的響應(yīng)物理量被稱為雪崩事件。在一些情況下，這些突然改變的響應(yīng)物理量又被稱為斷裂噪音［6，7］。這里的斷裂噪音并不是斷裂發(fā)出的聲音，而是指滿足一定條件的上述響應(yīng)物理量，即要求響應(yīng)物理量的大小應(yīng)該分布在較寬泛的數(shù)量級上。聲發(fā)射中的絕對能量正是一種破裂噪音，首先聲發(fā)射是一種雪崩事件，是材料受到外部力場作用做出的突然改變的響應(yīng)物理量，其次標準試驗試件的聲發(fā)射絕對能量大小分布跨越6～7個寬泛的數(shù)量級，滿足破裂噪音的定義。因此可以采用雪崩動力學(xué)和破裂噪音技術(shù)方法對巖石失穩(wěn)破壞中的聲發(fā)射現(xiàn)象進行分析，進而了解巖石破裂的非平衡過程。破斷噪音分析是一種臨界狀態(tài)分析，在臨界狀態(tài)下系統(tǒng)的響應(yīng)受到臨界指數(shù)r的表征。并且臨界指數(shù)具有一定程度的普遍性，這其中的理論證明可以由重整化群理論得知，重整化群計算顯示，在很長的標度下相似系統(tǒng)流向了相同的不動點［8］。可見獲得高精度的臨界指數(shù)r是極其重要的。因此，本文通過對頁巖在單軸壓縮下所進行的聲發(fā)射測試，研究了單軸壓縮下頁巖的力學(xué)特性和聲發(fā)射特征。

1　試驗概況

1.1試樣的采集與制備

試驗所用巖樣為取自四川盆地的志留系龍馬溪組頁巖，作為富含有機質(zhì)的烴源巖，其能較好地代表南方龍馬溪組頁巖氣儲層特征［9］。通過X衍射測試的全巖分析得出其礦物組分，結(jié)果（見表1）。

表1　試件礦物組分Tab.1 Specimen mineraogical

本次試驗試樣均取自同一巖塊，以減小試樣之間的個體差異，取心方向為與層理面方向夾角呈90°方向，試樣加工嚴格按照國際巖石力學(xué)試驗規(guī)程的要求進行，保證試樣兩端光滑、平行（平行度小于0.01 mm）且與中軸垂直（角度偏差不大于0.05°），試樣尺寸為Φ25 mm×50 mm。巖樣呈黑褐色，層理明顯。

1.2試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要包括頁巖加載系統(tǒng)和聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。其中，頁巖加載系統(tǒng)所采用的設(shè)備為島津試驗機；聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用設(shè)備為美國物理聲學(xué)公司生產(chǎn)的聲發(fā)射監(jiān)測儀，本次聲發(fā)射檢測設(shè)置的采集頻率為20 kHz～400 kHz，間隔時間為10s，門檻值為45 dB，系統(tǒng)參數(shù)（見表2）。為保證實驗效果，實驗采用2個探頭進行檢測，前放增益為40 dB，與前置放大器一致，每一通道對應(yīng)一個獨立的前置放大器和傳感器，其參數(shù)（見表3）。

表2　DISP聲發(fā)射系統(tǒng)參數(shù)Tab.2 The parameters of DISP acoustic emission system

表3　傳感器參數(shù)Tab.3 The parameters of sensor

1.3試驗方法

本文單軸壓縮試驗，在室溫條件進行，以0.1 mm/min的加載速度施加荷載，直到試樣破壞為止，試驗中同時監(jiān)測全過程的聲發(fā)射信號，并同步結(jié)束加載和聲發(fā)射信號的檢測，最后記錄數(shù)據(jù)及觀察試件。具體試驗步驟如下：

（1）連接探頭和聲發(fā)射檢測儀器，選擇硬件參數(shù)設(shè)置，將設(shè)置文本框中的通道與此次測試的傳感器相對應(yīng)，并選擇絕對能量等需要測試的參數(shù)，具體參數(shù)設(shè)置參照表2。

（2）選擇數(shù)據(jù)采集，檢測各個聲發(fā)射探頭與對應(yīng)的通道是否暢通。

（3）確定聲發(fā)射探頭數(shù)據(jù)采集無誤，再把打磨好的試件平穩(wěn)放在加載臺上，將聲發(fā)射探頭的檢測面抹上黃油并緊貼在試件表面，并用橡皮筋固定。

（4）再次選擇數(shù)據(jù)采集，輕輕敲擊頁巖試件，觀察顯示器上各個通道的數(shù)據(jù)采集情況，以此來檢驗探頭和試件的黏合效果。若信號采集效果不好，檢查連接情況并重復(fù)前面的步驟，直至所有通道全部正常工作。

（5）保證信號采集無誤后，同步啟動島津與聲發(fā)射檢測儀器，直至試件破裂。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1頁巖的強度及變形特征

2.1.1強度變化分析不同試件的頁巖峰值強度對比圖（見圖1），由圖1可以看出：頁巖單軸抗壓峰值強度在125.34MPa～147.80MPa范圍內(nèi)，平均值為136.00MPa。

圖1　頁巖的峰值強度對比圖Fig.1 Comparison of peak strength of shale

2.1.2變形特征變化分析不同試件的頁巖彈性模量對比圖（見圖2），由圖2可知：頁巖彈性模量在4.09 GPa～6.73 GPa范圍內(nèi)，平均值為5.74 GPa。

圖2　頁巖的彈性模量對比圖Fig.2 Comparison of elastic modulus of shale

2.2超臨界二氧化碳作用下頁巖的聲發(fā)射特征

由于試件內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不同，其聲發(fā)射特征參數(shù)會隨之存在差異，而通常使用的聲發(fā)射特征參數(shù)有：幅度、聲發(fā)射計數(shù)、時間差、聲發(fā)射能量等。

頁巖在單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變與聲發(fā)射計數(shù)的關(guān)系曲線（見圖3）。頁巖的聲發(fā)射特征可以分為以下4個階段：（1）初始壓密階段，加載初期只有十分少的聲發(fā)射信號產(chǎn)生；（2）彈性變形階段，聲發(fā)射信號開始產(chǎn)生，并緩慢上升；（3）裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段，聲發(fā)射信號增長的幅度加大；（4）裂紋不穩(wěn)定發(fā)展至破壞階段，聲發(fā)射信號急劇上升，隨著裂紋的繼續(xù)擴展，直至頁巖試件失穩(wěn)破壞。由圖3可看出：頁巖的應(yīng)力值與聲發(fā)射計數(shù)之間存在良好的相關(guān)性，它們同一時間達到最大值。

圖3　頁巖的應(yīng)力-聲發(fā)射計數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Corresponding relation of AE counts with variation of stresses

頁巖在單軸壓縮下的應(yīng)力-應(yīng)變與累計能量的典型關(guān)系曲線（見圖4），幾個頁巖試件的累計能量發(fā)展規(guī)律類似。從圖4可以看出：頁巖的累計能量與應(yīng)力值之間同樣具有較好的關(guān)聯(lián)性。另外，相較于應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從頁巖聲發(fā)射的累計能量曲線上能更直觀地觀察到裂紋的發(fā)展歷程，當累計能量開始出現(xiàn)增長時意味著試件內(nèi)部的裂紋開始萌生，而后裂紋進入穩(wěn)定發(fā)展階段，當累計能量出現(xiàn)急劇增大的趨勢時，裂紋開始不穩(wěn)定發(fā)展，內(nèi)部裂紋的貫通，預(yù)示著試件的破裂。

圖4　頁巖的應(yīng)力-累計能量關(guān)系曲線Fig.4 Corresponding relation of AE energy with variation of stresses

通過MATLAB軟件處理頁巖的聲發(fā)射絕對能量的數(shù)據(jù)，獲得頁巖的聲發(fā)射能量概率密度分布情況。采用對數(shù)坐標畫圖（見圖5）。

圖5　能量概率密度分布圖Fig.5 The plot of Energy probability density distribution

在大量尺寸不一且跨越多個數(shù)量級的聲發(fā)射事件能量信號中，每一個聲發(fā)射能量樣本值｛Xi｝都是獨立的。根據(jù)Saljea E K.H.等學(xué)者研究表明［10］，脆性材料斷裂破壞的能量規(guī)律滿足冪衰減定律。由圖5可以看出：（1）整個過程的能量分布符合線性關(guān)系，說明頁巖的聲發(fā)射能量分布服從冪函數(shù)p（E）～E－γ；（2）頁巖的絕對能量值跨越多個數(shù)量級，其概率密度貫穿整條冪函數(shù)曲線，利用函數(shù)能夠獲得很好擬合效果（R=0.991 5），各個頁巖試件擬合所得γ的分布較穩(wěn)定，主要集中在0.5附近，表明不同頁巖試件的聲發(fā)射能量分布規(guī)律具有很強的一致性。

3　結(jié)論

（1）通過單軸壓縮試驗，得到的頁巖峰值強度在125.34MPa～147.80MPa，平均值為136.00MPa；彈性模量在4.09 GPa～6.73 GPa，平均值為5.74 GPa。

（2）單軸壓縮下，頁巖的聲發(fā)射活動主要包括以下各階段：初始壓密階段、彈性變形階段、裂紋穩(wěn)定發(fā)展階段以及裂紋不穩(wěn)定發(fā)展至破裂階段。

（3）單軸壓縮下，頁巖的聲發(fā)射計數(shù)、累計能量與其應(yīng)力之間具有良好的關(guān)聯(lián)性。

（4）頁巖的聲發(fā)射能量分布服從冪減定律p（E）～E－γ，使用方程y＝aE－γ能夠獲得很好擬合效果，γ的分布主要集中在0.5附近。

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Experimental study on the AE characteristics of the shale under uniaxial compression

CHEN Yuting1，2，LU Yiyu1，2，TANG Jiren1，2，WANG Xiangcheng1，2
（1.Coal Mine Disaster Dynamics and Control State Key Lab，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2.State and Local Joint Engineering Laboratory of Mining Complex Coal Seam Gas Pumping，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract:To study the AE characteristics of the shale，the acoustic emission（AE）test under uniaxial compression were conducted for the silurian shale from Sichuan basin Longmaxi. The results showed that，（1）by uniaxial compression test，the peak strength of shale is 125.34MPa～147.80MPa，the elastic modulus is between 4.09 GPa～6.73 GPa.（2）Under uniaxial compression，the acoustic emission count，cumulative energy and the stress of shale have good correlation.（3）The shale AE energy distribution conforms to the power law distribution，namely，P（E）～E-γ，γ mainly concentrated in 0.5.

Key words：rock mechanics；shale；mechanical properties；acoustic emission

中圖分類號：TE132.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）06-0061-04

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.06.015

*收稿日期：2016-05-07修回日期：2016-05-13

作者簡介：陳鈺婷，女（1989-），碩士研究生，郵箱：cyt0027@163.com。