自然與飽水狀態(tài)下砂巖壓縮破壞力學(xué)特性及聲發(fā)射特征

張 寅 ，李 哲 ，宋士康 ，趙 毅 ，李 皓

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 力學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.陜西正通煤業(yè)有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000)

煤炭開采轉(zhuǎn)入深部開采后，很多煤礦面臨更加復(fù)雜的水文地質(zhì)條件，復(fù)雜的頂板水成為影響煤礦安全生產(chǎn)的又一隱患。鄂爾多斯地區(qū)，許多礦井煤層頂板以砂巖為主，大量頂板水下滲，使頂板巖石長時(shí)間處于浸水甚至自然飽水狀態(tài)，對(duì)巖層的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)及其他物理特性有很大影響。大量的研究表明巖石在損傷破壞過程中產(chǎn)生的聲信號(hào)與巖石的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)、微觀組成結(jié)構(gòu)之間必定存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，而水的作用必將對(duì)上述聯(lián)系產(chǎn)生一定影響。

為探究浸水甚至飽水對(duì)巖石各項(xiàng)力學(xué)特性及巖石破壞過程中聲發(fā)射特征的影響，學(xué)者們做了大量研究工作[1-3]。滕騰等[4]通過不同變形加載速率下干燥和飽水巖樣的單軸壓縮試驗(yàn)，研究了砂巖抗壓強(qiáng)度、彈性模量、峰后應(yīng)變和聲發(fā)射特性的變形率效應(yīng)和水理效應(yīng)；張艷博等[5]通過對(duì)單軸壓縮下飽水花崗巖破裂過程中聲發(fā)射頻譜特征進(jìn)行研究，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石破壞前兆信息的快速有效識(shí)別；許江等[6]對(duì)飽和度分別為0%，50%和100%3 種不同含水狀態(tài)下砂巖剪切破壞過程中的聲發(fā)射特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，探討了聲發(fā)射信號(hào)隨時(shí)間的演化規(guī)律及其與砂巖裂紋的開裂、擴(kuò)展之間的關(guān)系；唐書恒等[7]為模擬研究煤儲(chǔ)層的壓裂特征，進(jìn)行了飽水煤巖的三軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，將煤巖壓裂過程分為迸裂型、破裂型和穩(wěn)定型；文圣勇等[8]對(duì)不同含水率紅砂巖進(jìn)行了單軸壓縮條件下的聲發(fā)射試驗(yàn)，結(jié)果表明含水率越高，砂巖聲發(fā)射累積數(shù)越少且時(shí)間越滯后；陳結(jié)等[9]對(duì)鹵水浸泡后巖鹽聲發(fā)射特征進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了巖鹽在鹵水、溫度、應(yīng)力共同作用下的損傷演化過程；童敏明等[10]在不同的應(yīng)力速率下對(duì)含水煤巖聲發(fā)射信號(hào)特征進(jìn)行了研究，表明含水率的不同對(duì)煤巖聲發(fā)射信號(hào)的強(qiáng)度具有一定的影響；夏冬等[11-12]對(duì)干燥及飽水巖石循環(huán)加卸載過程中的聲發(fā)射特征及能量機(jī)制進(jìn)行了試驗(yàn)研究；A.Torok 等[13]對(duì)比了飽水巖石和自然干燥巖石的密度、超聲波速度、有效孔隙率和單軸抗壓強(qiáng)度，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行了分析；D.P.Jansen 等[14]應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)研究了巖石破裂過程中隨時(shí)間變化的三維微裂紋分布，描述了巖石的損傷累積、裂紋成核以及宏觀裂紋擴(kuò)展的過程。

綜上研究成果可以發(fā)現(xiàn)，目前學(xué)者對(duì)巖石破壞特性及其破壞過程中伴隨的聲信號(hào)研究較多，但缺少從宏微觀角度入手對(duì)不同粒徑砂巖飽水前后力學(xué)特性及聲發(fā)射特征相關(guān)研究。因此，筆者以鄂爾多斯某礦工作面頂板不同粒徑砂巖為研究對(duì)象，通過對(duì)飽水與自然狀態(tài)下砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)，研究2 種狀態(tài)下不同粒徑砂巖破壞過程中力學(xué)特性和聲發(fā)射特征，以期為水文地質(zhì)條件復(fù)雜且圍巖以砂巖為主的礦山進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)提供參考。

1 試驗(yàn)方法及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試樣制備

試樣取自鄂爾多斯某礦工作面頂板，根據(jù)鉆孔柱狀圖挑選粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖大塊巖樣加工成直徑為 50 mm，高為 100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣兩端面不平行度不大于 0.05 mm。在制備好的標(biāo)準(zhǔn)試樣中每種粒徑砂巖各挑選6 個(gè)質(zhì)地均勻、外觀完整試樣，平均分為2 組，A 組為處于自然條件下的試樣，B 組為進(jìn)行飽水處理的試樣。部分試樣照片如圖1 所示。

圖1 部分巖樣Fig.1 Some of the rock samples

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

力學(xué)和聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)是由加載系統(tǒng)、AE 監(jiān)測系統(tǒng)組成。加載系統(tǒng)采用TAW-2000 型剛性電液伺服壓力機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)最大負(fù)荷2 000 kN。聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)采用聲華科技多通道監(jiān)測儀器，采樣頻率設(shè)定為1 000 kHz，波形門檻值為40 dB，采樣點(diǎn)為1 024，如圖2所示。

圖2 力學(xué)和聲發(fā)射試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.2 Mechanical and acoustic emission test system

電鏡掃描試驗(yàn)采用QUANTA250 型掃描電子顯微鏡，最大放大倍數(shù)達(dá)30 000 倍，圖像處理器高達(dá)4 096×3 536 像素。

1.3 試驗(yàn)方法

試樣制備好后在室內(nèi)靜置一周，將B 組試樣放入容器，間隔2 h 注水1 次，5 次使試樣全部淹沒，每隔24 h 稱重一次，浸泡2 d 后，前后2 次質(zhì)量相差小于0.01 g 認(rèn)為試樣達(dá)到自然飽水狀態(tài)，自然狀態(tài)下粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖含水率分別為0.60%、0.64%、0.96%，飽水狀態(tài)下粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖含水率分別為2.0%、2.2%、2.3%。

采用TAW-2000 型剛性電液伺服巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，采用位移控制，軸向加載速率為0.002 mm/s。

給試樣編號(hào)，字母C、Z、X 分別表示粗粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖；字母A 表示自然條件試樣，B 表示飽水試樣；阿拉伯?dāng)?shù)字表示該小組的第幾個(gè)試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 水–巖作用對(duì)砂巖微觀結(jié)構(gòu)作用

以往研究表明，水–巖作用對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)的影響是一個(gè)從微細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化到宏觀物理力學(xué)特性劣化的過程[15-17]。當(dāng)巖石外部或內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到一定程度，就會(huì)發(fā)生微觀層面上晶界面移動(dòng)以及宏觀層面上礦物顆粒的分離、結(jié)構(gòu)面的滑移，這些過程都會(huì)伴隨著聲發(fā)射信號(hào)的產(chǎn)生，其信號(hào)特征與巖石破裂機(jī)制具有密切關(guān)系[18-21]。因此，觀察分析飽水與自然狀態(tài)下不同粒徑砂巖微觀結(jié)構(gòu)變化對(duì)研究2 種狀態(tài)下砂巖單軸破壞過程中的力學(xué)特性與聲發(fā)射特征具有一定意義，觀察結(jié)果如圖3 所示。

圖3 水–巖作用下不同粒徑砂巖SEM 照片(×200)Fig.3 SEM photos of sandstone with different grain sizes under water-rock interaction(×200)

從圖3 可以看出，與自然狀態(tài)相比，飽水狀態(tài)下砂巖微觀特征變化明顯。

(1) 自然狀態(tài)下粗粒砂巖(圖3a 左側(cè)圖)試樣微觀結(jié)構(gòu)表面平整，整體性較好，看不到空隙與孔洞；飽水條件下粗粒砂巖(圖3b 左側(cè)圖)可以看到有明顯的裂隙與孔洞，微觀顆粒輪廓明顯、棱角分明。

(2) 自然狀態(tài)下中粒砂巖(圖3a 中間圖)可以看到表面雖然存在少量原生孔隙與凸起，但整體平整度較好；飽水條件下中粒砂巖(圖3b 中間圖)表面整體依舊平整，但可以看到膠結(jié)物質(zhì)流失嚴(yán)重，表面出現(xiàn)許多小孔洞，微觀組成顆粒逐漸被孤立開來。

(3) 自然狀態(tài)下細(xì)粒砂巖(圖3a 右側(cè)圖)表面有少量原生孔隙，雖然整體不是很平整，但表面比較密實(shí)；飽水細(xì)粒砂巖(圖3b 右側(cè)圖)明顯可以看到有較多的孔洞與裂隙，顆粒間膠結(jié)物質(zhì)流失嚴(yán)重。

通過上述觀察可以發(fā)現(xiàn)，自然狀態(tài)下砂巖試樣微觀結(jié)構(gòu)整體性較好，表面平整光滑；飽水狀態(tài)下各種粒徑砂巖由于內(nèi)部膠結(jié)物質(zhì)有所流失導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)變得松散，結(jié)構(gòu)整體性下降，表面也變得凹凸不平。

2.2 飽水與自然狀態(tài)下砂巖力學(xué)特性

統(tǒng)計(jì)所有試樣單軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果，見表1，選取各小組1 號(hào)試樣繪制其單軸壓縮應(yīng)力–應(yīng)變曲線，如圖4所示。

表1 自然和飽水狀態(tài)下不同粒徑砂巖單軸壓縮力學(xué)參數(shù)Table 1 Uniaxial compression mechanical parameters of sandstone with different grain sizes under natural and saturated conditions

圖4 部分試樣應(yīng)力–應(yīng)變曲線Fig.4 Stress-strain curves of some samples

從圖3 和表1 可以看出，不同粒徑砂巖在進(jìn)行單軸壓縮時(shí)飽水對(duì)抗壓強(qiáng)度有明顯的軟化作用。粗粒砂巖在自然狀態(tài)下變化幅度為9.36%，飽水后抗壓強(qiáng)度變化幅度為6.8%，平均軟化系數(shù)為0.66；中粒砂巖在自然狀態(tài)下變化幅度為15.4%，飽水后抗壓強(qiáng)度變化幅度為16.3%，平均軟化系數(shù)為0.59；細(xì)粒砂巖在自然狀態(tài)下變化幅度為6.0%，飽水后單軸抗壓強(qiáng)度變化幅度為11.5%，平均軟化系數(shù)為0.49。

可見飽水后不同粒徑砂巖的抗壓強(qiáng)度都有所降低，軟化系數(shù)為0.49～0.66，且軟化系數(shù)遞減次序與砂巖粒徑遞減次序有一定的一致性，表明砂巖粒徑越小，單軸抗壓能力受飽水影響越明顯。

彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度。飽水后所有砂巖的彈性模量都有不同程度的降低，粗粒砂巖、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖的彈性模量分別降低19.6%、32.7%和33.7%。飽水后砂巖彈性模量變化與粒徑變化順序呈負(fù)相關(guān)，即粒徑越小的砂巖飽水后彈性模量變化越明顯。

泊松比是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)，飽水后不同粒徑砂巖的泊松比發(fā)生不同程度的增加，粗粒砂巖、中粒砂巖和細(xì)粒砂巖分別增加了9.6%、10.4%和19.5%。說明飽水后砂巖橫向變形比軸向變形更加敏感，同時(shí)，泊松比變化率與砂巖粒徑變化呈負(fù)相關(guān)，即隨著砂巖粒徑越小，飽水后泊松比變化越大。

綜上所述，飽水對(duì)3 種粒徑砂巖的抗壓強(qiáng)度、彈性模量及泊松比均有不同程度的影響，且影響程度與砂巖粒徑變化趨勢具有一定的規(guī)律性，由此可見，地下水是影響井下煤巖巷道穩(wěn)定性的重要因素之一，因此，在進(jìn)行井下巷道圍巖穩(wěn)定性評(píng)價(jià)及支護(hù)設(shè)計(jì)的時(shí)候，特別是圍巖以砂巖為主的巷道，應(yīng)當(dāng)充分考慮水對(duì)巷道圍巖力學(xué)及變形參數(shù)的影響。

2.3 飽水與自然狀態(tài)下砂巖聲發(fā)射特征

不同粒徑砂巖飽水后其聲發(fā)射特征也將發(fā)生一定的變化。選取聲發(fā)射能量值為參數(shù)，分析不同粒徑砂巖飽水與自然狀態(tài)下聲發(fā)射信號(hào)與巖石變形破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系。在確?？梢苑从吃囼?yàn)規(guī)律的前提下，選取同條件下具有代表性的試樣進(jìn)行分析。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，繪制不同粒徑砂巖飽水與自然條件下巖樣的全應(yīng)力?應(yīng)變?聲發(fā)射能量關(guān)系曲線，如圖5 所示。為更好地說明飽水對(duì)砂巖聲發(fā)射特征的影響，將應(yīng)力?應(yīng)變?聲發(fā)射能量曲線劃分為4 個(gè)階段來分析其主要特征，圖5 上從左到右依次為初始?jí)好茈A段、彈性變形階段、損傷演化階段和失穩(wěn)破裂階段。統(tǒng)計(jì)各代表試樣不同階段聲發(fā)射總能量，見表2。

圖5 不同粒徑砂巖飽水與自然條件下全應(yīng)力–應(yīng)變–聲發(fā)射能量關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of total stress-strain-AE energy of sandstone with different grain sizes under saturated and natural conditions

表2 代表試樣壓縮破壞各階段聲發(fā)射總能量Table 2 Total AE energy in each stage of compression failure of samples

1) 初始?jí)好茈A段

在該階段，所有試樣都有少量的聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，此階段巖樣內(nèi)部各處所受應(yīng)力水平較低，聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生主要是巖樣內(nèi)部的原生裂隙在外力作用下發(fā)生壓密閉合，裂隙在閉合過程中2 個(gè)互相接觸的裂隙面發(fā)生輕微咬合破壞，因而，各試樣AE 能量值都處于較低的水平。

2) 彈性變形階段

該階段隨著試樣所受應(yīng)力的增加，各試樣內(nèi)部顆粒間的摩擦咬合加劇，較上一階段各試樣聲發(fā)射總能量值都出現(xiàn)增高，其中自然狀態(tài)下的粗粒砂巖增幅最大為292%，其他試樣較上一階段的增幅在43%～144%。飽水后各試樣聲發(fā)射總能量發(fā)生不同程度的減少，粗粒砂巖為67.4%，中粒砂巖為32.4%，細(xì)粒砂巖為29.3%。該階段巖石主要以彈性變形為主，幾乎不發(fā)生塑性破壞，所以聲發(fā)射信號(hào)較為平穩(wěn)。

3) 損傷演化階段

該階段試樣變形破壞加劇，試樣開始發(fā)生塑性破壞，聲發(fā)射能量單值與聲發(fā)射能量總值較上一階段都發(fā)生明顯增加。所有試樣該階段聲發(fā)射總能量較上一階段增幅在101%～149%。說明在該階段各巖樣內(nèi)開始萌生新裂紋同時(shí)原有裂紋開始發(fā)育、貫通，更多的微觀顆粒發(fā)生摩擦甚至破裂。該階段飽水試樣聲發(fā)射總能量較自然狀態(tài)發(fā)生明顯下降，粗粒砂巖最為明顯降幅為73.5%，中粒砂巖為36.0%，細(xì)粒砂巖為62.0%。說明在水的軟化作用下，不同粒徑飽水砂巖強(qiáng)度降低，裂隙的萌生和發(fā)育更加容易。

4) 失穩(wěn)破裂階段

該階段聲發(fā)射能量出現(xiàn)峰值后迅速回落，試樣最終破壞過程完成。飽水后聲發(fā)射能量值較自然狀態(tài)依舊出現(xiàn)不同程度的減少，粗粒砂巖為30.7%，中粒砂巖為29.5%，細(xì)粒砂巖為38.3%。較上一階段各試樣聲發(fā)射總能量減少幅度在9.1%～66.5%。該階段后半段由于試樣破壞后變形較大，試樣不再受力，因此，聲發(fā)射能量幾乎歸零。

綜上分析，全部試樣在變形破壞的各個(gè)過程中都有聲發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生，且各階段聲發(fā)射能量曲線變化趨勢與試樣各階段受力破壞程度具有較高的一致性，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射能量的最高值均出現(xiàn)在應(yīng)力–應(yīng)變曲線峰值附近。以上分析表明，砂巖在載荷作用下的損傷破壞程度可以用聲發(fā)射能量值來近似表征。不同粒徑砂巖試樣在飽水狀態(tài)下壓縮破壞各階段產(chǎn)生的聲發(fā)射總能量值較自然狀態(tài)都有不同程度的降低，結(jié)合微觀電鏡掃描結(jié)果，可以認(rèn)為主要原因是試樣飽水后膠結(jié)物質(zhì)流失，微觀結(jié)構(gòu)變得松散，大顆粒礦物受到軟化導(dǎo)致試樣在破壞過程中的微裂隙壓密、微裂紋萌生和巖石內(nèi)部摩擦滑移等事件減少，從而導(dǎo)致聲發(fā)射總能量減少。

3 聲發(fā)射能量表征巖石脆性研究

目前，關(guān)于巖石脆性的表述有多種不同說法。國外部分學(xué)者將脆性定義為材料塑性的流失[22-23]；J.G.Ramsey[24]認(rèn)為巖石黏聚力破壞即為巖石脆性破壞；L.Obert 等[25]通過對(duì)鑄鐵和巖石進(jìn)行研究，認(rèn)為試樣達(dá)到屈服強(qiáng)度附近破壞的特性即脆性。地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域?qū)W者將材料破裂或破壞前沒有或極少出現(xiàn)塑性變形的特性視為脆性。筆者發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有脆性含義缺乏考慮試樣破壞時(shí)微觀破裂機(jī)制及相關(guān)特征。

關(guān)于脆性的衡量方法超過20 種[26]，而關(guān)于巖石脆性的表述主要是從巖石成分和巖石宏觀力學(xué)性質(zhì)入手。目前公認(rèn)的巖石力學(xué)參數(shù)簡易計(jì)算公式定義的巖石脆性指數(shù)[27]如下式：

式中：E為彈性模量，104MPa；μ為泊松比，無量綱；BI為脆性指數(shù)，%

將表1 數(shù)據(jù)代入式(1)對(duì)不同粒徑飽水與自然狀態(tài)下砂巖脆性指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果和各小組試樣單軸壓縮破壞聲發(fā)射能量峰值均值見表3。

表3 所有試樣脆性指數(shù)及聲發(fā)射能量峰值Table 3 Brittleness indexes and the peak value of AE energy of all samples

用2 種狀態(tài)不同粒徑砂巖單軸破壞時(shí)脆性指數(shù)與各試樣聲發(fā)射能量峰值進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖6 所示，擬合度為0.96。由圖6 可知，砂巖脆性指數(shù)隨著試樣單軸壓縮破壞聲發(fā)射峰值的增大而增大，兩者之間滿足如下函數(shù)關(guān)系：

圖6 聲發(fā)射能量峰值與脆性關(guān)系Fig.6 Relationship between the peak value of AE energy and brittleness

通過擬合，式(2)中系數(shù)B1=1.11×10?7，B2=?0.000 559，截距C=63.45。

由圖6 可見，巖石脆性隨著單軸壓縮破壞聲發(fā)射能量峰值的增加而增加，兩者大體呈正相關(guān)形態(tài)。筆者認(rèn)為，上述6 種砂巖試樣可以很好地涵蓋自然界中存在的砂巖狀態(tài)，通過擬合得出的公式(2)成功地將砂巖單軸壓縮破壞的宏觀力學(xué)特性與微觀聲發(fā)射特征聯(lián)系起來，彌補(bǔ)了之前各領(lǐng)域?qū)W者脆性定義缺乏考慮試樣破壞時(shí)微觀破裂機(jī)制及相關(guān)特征的不足，同時(shí)得到了一種全新的巖石脆性衡量方法，即通過砂巖壓縮破壞過程中聲發(fā)射能量峰值評(píng)估砂巖脆性，也為巖石脆性研究提供了新的思路。

4 結(jié)論

a.粗、中、細(xì)粒砂巖的平均軟化系數(shù)分別為0.66、0.59、0.49。較自然狀態(tài)，飽水后粗、中和細(xì)粒砂巖的彈性模量分別降低19.6%、32.7%和33.7%，泊松比分別增加了9.6%、10.4%和19.5%。說明飽水后對(duì)不同粒徑巖石的影響程度與砂巖粒徑變化趨勢具有一定的規(guī)律性。

b.飽水后不同粒徑砂巖力學(xué)特性及聲發(fā)射特征變化是巖石在水分子的作用下微觀變化在宏觀層面的體現(xiàn)。在水分子作用下，砂巖原有微觀結(jié)構(gòu)受到影響，其是導(dǎo)致巖石抗壓強(qiáng)度降低、變形能力增強(qiáng)及聲發(fā)射能量減弱的內(nèi)在原因。

c.聲發(fā)射事件幾乎伴隨試樣破壞的整個(gè)過程，在試樣破壞的不同階段，聲發(fā)射能量值呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律。各階段聲發(fā)射能量曲線變化趨勢與試樣各階段受力破壞程度具有較高的一致性；聲發(fā)射能量的最大值均出現(xiàn)在應(yīng)力–應(yīng)變曲線峰值附近，表明巖石在載荷作用下的損傷破壞程度可以用聲發(fā)射能量值來近似表征。飽水后各種粒徑砂巖各階段聲發(fā)射總能量較自然狀態(tài)都出現(xiàn)不同程度的降低。

d.通過對(duì)所有砂巖試樣單軸破壞聲發(fā)射能量峰值與巖石脆性指數(shù)進(jìn)行擬合，得到砂巖單軸破壞聲發(fā)射能量與脆性指數(shù)的關(guān)系，為巖石脆性研究提供新的思路。