不同耦合狀態(tài)下破碎礦體的波速影響因素研究

陸 華，馬肖彤，馬占武，何妍亭

（北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021）

破碎礦體不是單一連續(xù)的介質(zhì)，在不同礦體中存在著孔隙、裂隙、氣體及液體等，因此在實際工程中，應將礦石作為耦合體進行研究，大量存在于破碎礦體中的液飽和礦石為地質(zhì)礦物中的一種主要耦合形式的礦體，必須考慮液體對礦石的物理參數(shù)和彈性波特性的影響。國內(nèi)外眾多學者對礦體波速的影響關系進行了研究。

Tosaya等[1]就以不同孔隙率和黏土含量的破碎礦物樣品為研究對象，研究了縱波波速與其的相互關系。Khaksar等[2]研究了礦體的橫波、縱波速度與孔隙度之間的相關關系。劉新榮等人[3]對總結(jié)了前人研究成果，得到了含水率與礦石強度之間的關系，無論是抗壓強度還是抗拉強度均與含水率呈負相關關系。還有學者研究得到有些礦石的強度與實驗條件相關，如在物理變化條件下礦石的強度一般可以恢復，而在化學過程中時礦石的強度的一般是不可逆的[3-6]。張玲[7]等研究了泥巖孔隙度與縱橫波速度等參數(shù)的變化規(guī)律。一些學者開展了礦藏工程方面的地質(zhì)力學問題研究[8-12]，取得了一些成果。

因此本文利用RSM-SY5超聲波測試儀對耦合前后的破碎礦體進行聲波測試，探討不同耦合狀態(tài)（氣固、水固）下的礦體的聲波影響因素，為在井下能源開采、可燃氣體抽放等工程領域提供一定的參考依據(jù)。

1 地質(zhì)礦物試樣的選取和制作

本次試驗采用孔隙率較大的破碎礦物，礦物樣本取自某開挖工程的施工現(xiàn)場，由于礦石自身的離散型，我們對大塊紅破碎礦體樣本后，用取芯鉆機在外觀較相對完整均質(zhì)的地方取芯，直徑50mm，經(jīng)切割、端面打磨制成長度L=100mm，直徑的標準試件，根據(jù)實驗規(guī)定[13]測定礦物樣品的孔隙率，考慮到礦石自身的離散型較大，因此我們將外形完整，孔隙率相近的礦石作為一組進行耦合試樣的制作，分別制成氣固體礦石、流固體礦石，并在加工前測試試件的縱波波速。為得到較為準確的飽水狀態(tài)下的砂巖試件，我們對礦石進行了反復的飽水和曬干實驗，直至前后重量差不超過0.05g為止，流固耦合加工方法與水固相同，只是耦合介質(zhì)為流體，由于流固礦石達到飽和狀態(tài)的時間比水飽和狀態(tài)要長，約需一個月，為了保證礦石的飽和狀態(tài)，在試件加工完成后，我們將樣品浸泡在耦合介質(zhì)中直至進行SHPB撞擊試驗的時候。

2 實驗方法簡介

采用RSM-SY5超聲波測試儀，對耦合破碎礦體進行聲波測試，其工作原理為用人工測試手段從礦物結(jié)構(gòu)及多孔礦物介質(zhì)中激發(fā)限制頻率的彈性波，彈性波呈現(xiàn)出的波形信號通過礦物介質(zhì)傳播，超聲波測試儀將進行測試，將得出測試結(jié)果進行記錄，分析破碎礦體超聲速度、損傷情況、破壞程度之間的關系，進而確定礦體的動態(tài)損傷程度。

3 破碎礦體波速影響因素分析研究

3.1 孔隙率（礦物密度）對縱波波速的影響研究

本文對氣固狀態(tài)下不同孔隙率和密度的紅砂巖進行了超聲波檢測，部分試件結(jié)果如下：

圖1和圖2分別為孔隙率和密度與波速的關系圖。

圖1 孔隙率與波速關系圖

圖2 密度與波速關系圖

從破碎礦體孔隙率與波速關系圖可以看出，破碎礦體的縱波速度主要受孔隙率的影響，孔隙率增大聲波波速值增加，呈正比例關系，但從圖1中我們可以發(fā)現(xiàn)零星的離散點，導致這一情況發(fā)生的根本原因為所測試的破碎礦體樣本的內(nèi)部存在大的裂隙，文獻14通過實驗分析得出破碎礦體內(nèi)部受風化情況與裂隙程度有一定關聯(lián)，受孔隙率的影響較少，礦物密度與縱波波速呈正比例關系，從圖1可以分析出，孔隙率大于百分之九時，縱波波速出現(xiàn)下降趨勢。

從密度與波速關系圖可以看出，礦物密度與縱波波速呈正相關性。

從圖2可以得出，礦石密度越大，縱波波速越高，當?shù)V石密度小于1.85g/cm3時，破碎礦體的縱波波速呈集聚下降趨勢，測試的礦物樣品孔隙率達到百分之八以上，當?shù)V石密度超過1.85g/cm3時，破碎礦體的縱波波速趨于平緩，從實驗結(jié)果分析得出大孔隙破碎礦物的孔隙超出極限值時，破碎礦體的縱波波速受孔隙、裂隙的影響較大，破碎礦內(nèi)部損傷嚴重。

3.2 耦合介質(zhì)對礦石波速的影響研究

非均勻性是礦石主要特征，大量的細微裂隙與孔隙存在礦體之中，在工程施工中，耦合介質(zhì)多賦存在礦層之中，多為多孔飽和的流體混合物。礦石在堆浸飽和狀態(tài)下，礦井水浸入微裂隙與孔隙中，破碎礦體的力學特征被改變。此次研究通過破碎礦體在不同介質(zhì)環(huán)境下，超聲波波速的變化對比情況來分析礦物力學性質(zhì)所受影響。礦石的超聲波波速比對可用下式計算：

式中VaP為氣固狀態(tài)下破碎礦體縱波波速，Vp為水或油耦合后破碎礦體試件的縱波速度。表1為不同孔隙率破碎礦體分別在不同飽和介質(zhì)中的縱波波速。

表1 耦合前后破碎礦物縱波波速的對比

由上表可以看出，水對破碎礦體縱波波速的影響不是很大，部分試件波速稍有下降，但幅度不大，并且本次試驗中波速升降與孔隙率的變化無明顯的規(guī)律性。

而對于油固介質(zhì)狀態(tài)的礦體，從試驗數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，油對試樣縱波波速的影響是比較大的，最大增幅為46.3%，平均增幅為33%。

出現(xiàn)這種情況主要與波的傳播有關，彈性波在礦體中傳播時，遇到裂隙，則視填充物而異。若裂隙中充填物為孔隙，則彈性波不能通過，而是繞過裂隙斷點傳播。在裂隙充水的情況下，彈性波有5%可以通過，若充填物為其他液體或固體物質(zhì)，則彈性波可部分或完全通過。因此對于油固介質(zhì)飽和的破碎礦體而言，彈性波基本處于連續(xù)傳播狀態(tài)，因此波速大于氣固和水固狀態(tài)下的礦體，并且隨著孔隙率的增大其增幅也呈增大的趨勢。

4 結(jié)論

利用超聲波儀對試件做了測試，研究了孔隙率和密度、耦合介質(zhì)對破碎礦體試樣的影響分析，結(jié)果如下：

（1）孔隙率與縱波波速呈負相關關系，但是當孔隙率大于9%，波速下降較為明顯。同時縱波波速與密度呈正相關關系。

（2）油性介質(zhì)的可壓縮性造成對礦體波速的影響遠大于水對礦體波速的影響，油固耦合紅砂巖的縱波波速與孔隙率基本呈正相關關系。