高溫后大理巖各向異性響應特征研究

梁 鵬，張艷博，田寶柱，姚旭龍，孫 林

(1. 華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

高溫后大理巖各向異性響應特征研究

梁 鵬1,2，張艷博1,2，田寶柱1,2，姚旭龍1,2，孫 林1,2

(1. 華北理工大學 礦業(yè)工程學院，河北 唐山 063009；2. 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室，河北 唐山 063009)

通過對含層理大理巖開展經(jīng)歷不同溫度后的縱波波速測試試驗，分析高溫作用后大理巖縱波波速的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上探討各向異性指數(shù)(平行與垂直層理方向波速比值)的變化趨勢，研究溫度對大理巖各向異性的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明：經(jīng)歷高溫后大理巖縱波波速下降，而且隨經(jīng)歷溫度的升高，大理巖縱波波速持續(xù)降低；大理巖縱波波速存在層理效應，主要表現(xiàn)為平行層理方向的波速大于垂直層理方向波速，各向異性指數(shù)為1.11～1.19；在30～200℃范圍內(nèi)，大理巖各向異性指數(shù)隨溫度呈現(xiàn)出兩邊低中間高的“倒U”形變化規(guī)律。研究成果在一定程度上反映了經(jīng)歷高溫后巖石各向異性的變化，為預測和評估高溫工程圍巖的長期穩(wěn)定性和安全性提供理論基礎(chǔ)。

高溫；大理巖；各向異性；縱波波速

近年來，由于淺部資源的枯竭，許多礦山陸續(xù)轉(zhuǎn)為深井開采，隨著開采深度的增加，地溫也不斷升高，特別是在上千米的深部采場，巖層溫度將達到攝氏幾十度甚至上百度。據(jù)統(tǒng)計，目前國內(nèi)外已有上百座礦山開采深度達到1000m以下，在數(shù)千米的深井中，溫度高達60～70℃，這種高溫環(huán)境下，巖石表現(xiàn)出與淺部截然不同的力學特性[1-2]。此外，地下巖石溫度是影響巖石力學特性的重要因素之一，處理高溫環(huán)境下或高溫后的巖石工程問題是巖石力學的新課題。

彈性波速測試法在巖體物理力學特性測定、施工前后工程巖體的評價等方面都取得了良好的效果[3]。在巖石工程中，縱波波速能夠表征巖石的力學性質(zhì)，波速的高低及變化過程被看成是巖石完整性及其內(nèi)部物理力學性質(zhì)變化的反映。關(guān)于溫度對巖石縱波波速的影響，學者們也開展了大量的研究。早期研究中，Somerton[4-5]發(fā)現(xiàn)露頭砂巖在常壓下經(jīng)過800℃高溫處理后，波速下降50%。Brann Johnson等[6]研究發(fā)現(xiàn)Sioux石英和Westely花崗巖在二者熱開裂閾值溫度和相變溫度之間，二者縱波波速分別下降了40%和80%。夏小和等[7]對100～800℃溫度的大理巖進行超聲波傳播特性的實驗研究，發(fā)現(xiàn)巖樣經(jīng)歷高溫作用后，波速會顯著下降。杜守繼等[8]分析了花崗巖經(jīng)歷不同高溫后的縱波波速，測試結(jié)果表明，經(jīng)歷高溫后花崗巖的縱波波速有不同程度地減少。閆治國等[9]對經(jīng)受不同高溫后熔結(jié)凝灰?guī)r、花崗巖及流紋狀凝灰角礫巖的波動特性進行了研究，結(jié)果表明，經(jīng)歷高溫后3種巖石的縱波波速均有不同程度地降低。蘇承東等[10]研究高孔隙度粗砂巖經(jīng)歷100～900℃高溫后波速隨溫度的變化規(guī)律，實驗發(fā)現(xiàn)粗砂巖溫度100℃時，波速變化不明顯，超過100℃，波速隨溫度大致成線性降低。

實際工程應用中，可以利用彈性波速確定巖體力學參數(shù)，評價工程地質(zhì)條件，而在上述研究中一般認為巖體為均質(zhì)體，忽視了彈性波在巖體中傳播特性的各向異性特征，導致巖體力學參數(shù)和工程地質(zhì)評價與實際工程存在誤差。因此，探究彈性波波速的各向異性，以及溫度對波速各向異性的影響顯得尤為重要。

基于此，本文以含層理大理巖為主要研究對象，開展大理巖經(jīng)歷不同溫度后的縱波波速測試實驗，研究高溫后大理巖的波速變化特性。在此基礎(chǔ)上，探討縱波波速的各向異性特征，以及溫度對縱波波速各向異性的影響規(guī)律。以期從波速的角度來豐富對巖石各向異性特征的認識，為預測和評估高溫工程圍巖的長期穩(wěn)定性和安全性，為火災后巖體工程結(jié)構(gòu)的損傷評估及加固提供科學依據(jù)。

1 試驗過程

1.1 試樣的選取與制備

選取山東萊州地區(qū)典型大理巖為研究對象，考慮其各向異性的特點，在實驗室制備平行層理巖樣。所有試件均取自同一巖塊，將巖塊制成50mm×50mm×100mm的標準長方體試樣，典型巖樣照片如圖1所示。

圖1 典型巖樣照片

1.2 試驗設(shè)備

試驗加溫設(shè)備采用上海一恒科技生產(chǎn)的BPG-9140A液晶微電腦控制精密鼓風干燥箱。箱內(nèi)最高溫度可達250℃，溫度分辨率0.1℃，溫度均勻度小于8℃。該設(shè)備可以實現(xiàn)對箱內(nèi)溫度的自動測量、程序設(shè)定、指示及精確控制。

利用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的波速測試功能，可以對巖石進行波速測試[11-12]，試驗采用設(shè)備為美國物理聲學公司PAC生產(chǎn)的PCI-2型多通道聲發(fā)射監(jiān)測儀。聲發(fā)射儀測速原理：通過在試樣表面安放2個傳感器，一端發(fā)射脈沖信號，另一端接收信號，由聲發(fā)射測試系統(tǒng)記錄時差Δt，并利用已有的試件長度(高度)，即可計算試件的縱波波速。

1.3 試驗方法

本次試驗主要研究在溫度不斷變化的條件下，巖樣縱波波速的變化特性。試驗方案依據(jù)目前人們對地殼分層和地殼溫度環(huán)境條件的認識來設(shè)計。按照表1[13-14]，以地震多發(fā)人類工程活動和資源開發(fā)能夠涉及的中上地殼溫度環(huán)境條件為參考，設(shè)計試驗方案。為了比較完整地研究溫度與波速的相關(guān)性，選取30個巖樣并分成6組，每組5個巖樣，開展大理巖經(jīng)歷30，50，75，100，150和200℃后的縱波波速測試試驗。

表1 地殼不同深度溫度和壓力水平

首先對每一組試件均以4℃/min的升溫速度升到設(shè)定溫度后，再恒溫4h，保證試件內(nèi)外溫度達到一致，然后在干燥箱內(nèi)冷卻到常溫，制成經(jīng)歷不同溫度后的大理巖試樣。隨后采用聲發(fā)射儀開展大理巖縱波波速測試試驗，聲發(fā)射傳感器為R6型諧振式高靈敏度傳感器，其工作頻率為35～100kHz，傳感器與試樣之間涂上凡士林，增強二者耦合性，減少信號的衰減。為了探討縱波波速的各向異性，本次實驗選用4個聲發(fā)射傳感器，均勻?qū)ΨQ分布在試樣4個面上，將各個傳感器依次作為脈沖波發(fā)射端，其余傳感器作為接收端，根據(jù)傳播時差和傳播距離即可算出各個方向上的縱波波速，傳感器布置及不同方向上波速的傳播路徑見圖2。

圖2 波速測試傳感器布置

2 經(jīng)歷不同溫度后大理巖縱波波速變化特征

本文主要從總體平均波速，平行于層理方向波速和垂直于層理方向波速3個方面，探討溫度對大理巖縱波波速的影響?？傮w平均波速v總為任意2個傳感器之間測得所有波速的平均值。平行層理波速vbp為試樣兩端沿著層理方向上2個傳感器所測得波速；垂直層理波速vbv為試樣垂直于層理方向上2個傳感器所測得波速。根據(jù)上述波速計算方法，探討溫度對大理巖縱波波速的影響規(guī)律。

2.1 總體平均波速變化特征

大理巖總體波速隨溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 總體平均波速與溫度的關(guān)系

從圖3中可以看出，隨著經(jīng)歷溫度的升高，大理巖總體平均波速逐漸降低，整體變化趨勢可以分為3個階段：

(1)溫度為30℃時，大理巖縱波總體平均波速為5436.848m/s，溫度達到50℃時，波速降低幅度為3.7%。

(2)溫度超過50℃，經(jīng)過75℃，達到100℃，直線斜率絕對值逐漸增加，縱波波速迅速下降，總體平均縱波波速為3955.807m/s，以30℃為基準，降低的幅度達到27%。

(3)溫度超過100℃，直到200℃，縱波波速持續(xù)降低，同樣以30℃為基準，降低幅度達到32%，但直線斜率絕對值變小，縱波波速呈現(xiàn)出緩慢降低的趨勢。

上述情況表明，溫度對花崗巖縱波波速具有非常明顯的影響，表現(xiàn)為經(jīng)歷高溫后縱波波速下降，而且隨經(jīng)歷溫度的升高，縱波波速呈持續(xù)降低趨勢。

2.2 平行和垂直層理方向波速變化特征

經(jīng)過不同溫度后大理巖平行、垂直于層理方向縱波波速隨溫度的變化情況見圖4。深入分析圖4中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，大理巖縱波平行、垂直于層理方向波速以及二者和溫度的關(guān)系存在著明顯的差異性。

圖4 平行、垂直于層理方向波速與溫度的關(guān)系

從變化趨勢上來看，平行和垂直于層理方向波速均隨著經(jīng)歷溫度的升高而降低，呈現(xiàn)出和總體平均波速近似相同的變化趨勢。整個過程可以分為3個階段：

(1)溫度低于50℃時，兩個方向上的波速緩慢降低。

(2)從50℃到100℃，兩個方向上的波速急速下降。

(3)從100℃到200℃，兩個方向上的波速又呈現(xiàn)出緩慢降低的趨勢。

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，隨著大理巖經(jīng)歷溫度的增加，大理巖縱波波速呈現(xiàn)非線性變化趨勢，總體平均波速、平行層理和垂直層理的波速變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為經(jīng)歷高溫后縱波波速下降，而且隨經(jīng)歷溫度的升高，縱波波速呈持續(xù)降低的趨勢。

高溫后大理巖縱波波速下降的原因概括如下[15]：一方面高溫處理后，大理巖內(nèi)部失水，失水導致巖石內(nèi)部孔隙率增大，孔隙率越大，對波傳播的阻礙作用越大，波速就越小；另一方面巖石往往不是完全彈性的，當波在巖石中傳播時，就會有一部分機械能轉(zhuǎn)化為熱能，在這種轉(zhuǎn)變過程中的各種機制統(tǒng)稱為內(nèi)摩擦[16]。

大理巖經(jīng)歷高溫后，由于各種礦物成分受熱后產(chǎn)生不同程度地膨脹，導致礦物顆粒邊界裂紋出現(xiàn)、發(fā)展和貫通，原生裂縫的擴展和產(chǎn)生的新裂縫使得聲波在巖石中傳播時傳播路徑錯綜復雜，聲波會產(chǎn)生多次反射、折射作用。波傳播過程會產(chǎn)生內(nèi)摩擦效應，耗散部分能量，波的傳播能力減弱，導致波速降低。

從波速數(shù)值來看，經(jīng)歷不同溫度后，大理巖平行于層理方向波速值均大于垂直于層理方向波速，即縱波波速具有明顯的層理特性。上述情況表明，層理對于大理巖的縱波波速有較大影響，由于層理的存在，使大理巖波速各向異性更明顯，沿著層理方向波速較大。利用上述規(guī)律，可以綜合利用聲波資料進行巖體力學性能評價，對層理角度及發(fā)展方向進行預測。從2條曲線斜率來看，在低于100℃時，平行和垂直于層理方向波速變化曲線的斜率絕對值近似相同；100℃到200℃時，兩個方向上波速變化曲線明顯不同，平行于層理方向波速變化曲線的斜率絕對值較大，表明由于層理的存在和傳播路徑的差異，溫度對兩個方向上的波速影響程度和結(jié)果不盡相同，即溫度對波速的各向異性有一定影響。

3 溫度對大理巖波速各向異性的影響

為了定量評價溫度對大理巖各向異性的影響，定義各向異性指數(shù)σ，σ為平行于層理方向波速與垂直于層理方向波速的比值，σ值越大表明大理巖各向異性越明顯，反之，則越弱[17]。計算公式如下：

(1)

式中，σ為各向異性指數(shù)；vbp為平行于層理方向波速；vbv為垂直層理方向波速。

圖5為大理巖各向異性指數(shù)σ隨溫度變化曲線。從圖中可以看出，經(jīng)歷不同溫度后大理巖各向異性指數(shù)在1.11～1.19之間，其值均大于1，說明平行于層理方向波速大于垂直于層理方向，這和第2.2小節(jié)部分內(nèi)容分析一致。由于波速各向異性探討的是平行和垂直層理方向波速的相對大小，所以波速各向異性的發(fā)育程度就可由各向異性指數(shù)σ相對于1的偏離程度來加以體現(xiàn)。從圖中可以看出，隨著經(jīng)歷溫度的增加，各向異性指數(shù)曲線近似呈兩邊低中間高的“倒U”形變化規(guī)律。這表明隨著溫度的增加，大理巖縱波波速各向異性指數(shù)σ先呈上升趨勢，后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折性變化，呈逐漸降低趨勢，意味著隨著溫度的升高，大理巖各向異性先增加后減小。波速各向異性指數(shù)與溫度關(guān)系曲線的擬合公式為σ=8×10-10T4-3×10-7T3+3×10-5T2+0.0002T+1.1093，R2=0.99，相關(guān)系數(shù)較高。

圖5 各向異性指數(shù)σ和溫度T的關(guān)系

文獻[18]指出，由于巖石中礦物顆粒大小、礦物熱膨脹率和礦物熱彈性性質(zhì)存在差異，溫度作用后導致礦物顆粒的熱膨脹性不同，進而產(chǎn)生顆粒間或顆粒內(nèi)部的拉或壓應力及結(jié)構(gòu)熱應力。對于大理巖而言，在較低的溫度區(qū)間內(nèi)，礦物顆粒受溫度作用后可能產(chǎn)生微膨脹，微膨脹產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)熱應力在一定程度上能夠促使大理巖內(nèi)部微小裂隙閉合，裂隙間距變小，大理巖密實程度提高，其力學性質(zhì)得到強化，層理發(fā)揮的作用得到增強。層理作用增強，致使對兩個方向上波速的差異性增強，表現(xiàn)為縱波波速在平行和垂直于層理方向上各向異性越明顯。當溫度急速升高，由于礦物顆粒熱膨脹特性存在差異，致使熱膨脹效應不均衡，隨著溫度的進一步升高，這種不均衡的熱膨脹效應加劇，產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)熱應力達到或超過大理巖的極限強度，在熱應力作用下大理巖內(nèi)可能出現(xiàn)更多的微裂紋，同時微裂紋也可能閉合形成大裂紋，宏觀上就表現(xiàn)為大理巖力學性質(zhì)的劣化。在溫度較高階段，溫度對大理巖的力學性能具有減弱作用，層理產(chǎn)生的作用隨之減弱，這使兩個方向上波速差異程度減小，波速的層理效應隨之降低。

4 結(jié) 論

(1)大理巖總體平均波速、平行層理和垂直層理方向的波速變化規(guī)律基本一致，表現(xiàn)為經(jīng)歷高溫后縱波波速下降，隨經(jīng)歷溫度的升高，縱波波速呈持續(xù)降低的趨勢。

(2)大理巖縱波波速存在層理效應，層理對平行于層理方向波速影響較小，對垂直于層理方向波速影響較大。

(3)大理巖各向異性特征主要表現(xiàn)為：在所有溫度水平，平行層理方向的波速均大于垂直層理方向，約為垂直層理方向波速的1.11～1.19倍。

(4)大理巖各向異性指數(shù)隨溫度呈現(xiàn)出兩邊低中間高的“倒U”形變化規(guī)律，意味著隨著溫度的升高，大理巖各向異性增加，溫度繼續(xù)增加，大理巖各向異性會減小。

基于地震多發(fā)、人類工程活動和資源開發(fā)能夠涉及的中上地殼溫度環(huán)境條件，發(fā)現(xiàn)隨溫度升高，大理巖各向異性程度增加，但超過某一溫度值，大理巖各向異性程度降低，實驗結(jié)果可以為分析人類工程活動中不同溫度環(huán)境條件下大理巖各向異性問題提供一定的參考。

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[責任編輯：王興庫]

Anisotropy Response Characters of Marble After High Temperature

LIANG Peng1，2，ZHANG Yan-bo1，2，TIAN Bao-zhu1，2，YAO Xu-long1，2，SUN Lin1，2

(1.College of Mining Engineering,North China University of Science & Technology,Tangshan 063009,China;2.Hebei Province Key Laboratory of Mine Development and Safety Technology,Tangshan 063009,China)

Longitudinal wave velocity test after different temperature of marble with bedding were done，the transformation law of marble longitudinal wave velocity variation after high temperature，anisotropy index( wave velocity specific value in parallel and vertical direction of bedding) were discussed based on it.The influence law that temperature to marble were studied.The results showed that marble longitudinal wave velocity decreased after high temperature，and with temperature increased，marble longitudinal wave velocity decreased continue，bedding effect appeared for marble longitudinal wave velocity，the wave velocity along parallel direction was larger than along vertical direction，anisotropy index was 1.11-1.29，during temperature scope 30～200℃，marble anisotropy index appeared ‘reverse U’ change law with temperature changed.The results reflected rock anisotropy variation after high temperature in some degree，it provided theory base for surrounding rock stability and safety of high temperature project.

high temperature；marble；anisotropy；longitudinal wave velocity

2016-08-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.004

國家自然科學基金項目(51374088，51574102)；河北省高等學?？茖W技術(shù)研究項目(QN2016124，QN2016125)；華北理工大學青年科學基金項目(Z201501，Z201315)

梁 鵬(1987-)，男，河南南陽人，助教，從事采礦工程與巖土工程方面的研究工作。

梁 鵬，張艷博，田寶柱，等.高溫后大理巖各向異性響應特征研究[J].煤礦開采，2017，22(2)：15-18，4.

TD

A

1006-6225(2017)02-0016-04