受載巖體破壞全過程聲波響應(yīng)特征及工程意義

李江華，廉玉廣，馬志超

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京 100013；2.煤炭科學(xué)研究總院煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013）

0 引 言

我國煤系地層地質(zhì)條件復(fù)雜，由于受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)疊加影響，地層中形成斷層、陷落柱、斷裂破碎帶等地質(zhì)構(gòu)造，通常這些地質(zhì)構(gòu)造不但會(huì)破壞地層的完整性，弱化巖體的強(qiáng)度，還會(huì)產(chǎn)生較大的構(gòu)造應(yīng)力［1-2］。 同時(shí)，煤層采掘引起圍巖應(yīng)力的重新分布，使圍巖產(chǎn)生變形、移動(dòng)和破壞，不同開采程度、不同位置的圍巖，所受應(yīng)力大小不一，礦井采掘過程中遇到這些構(gòu)造極易造成煤與瓦斯突出、頂板冒落、突水等災(zāi)害事故。

礦井災(zāi)害的孕育和發(fā)展過程，伴隨著巖體應(yīng)力的變化，將導(dǎo)致巖體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生新的裂隙，而構(gòu)造應(yīng)力和采動(dòng)應(yīng)力的產(chǎn)生及變化是引起巖體發(fā)生破壞的直接原因，從而改變圍巖的聲學(xué)特征［3-5］。 趙明階等［6］建立了單軸加載下巖石等效裂紋模型，推導(dǎo)出巖石超聲波波速與衰減系數(shù)隨應(yīng)力變化的關(guān)系；文獻(xiàn)［7-9］研究了巖石波速與損傷演化規(guī)律及巖石破壞波速變化的類型；文獻(xiàn)［10-12］采用聲波、聲發(fā)射一體化監(jiān)測裝置研究了花崗巖、碳酸鹽巖破裂過程中聲波與聲發(fā)射的變化特征；宋麗莉等［13］通過在室內(nèi)建立一套試驗(yàn)測量系統(tǒng)，檢測了小應(yīng)力擾動(dòng)下巖石的彈性波速；梁天成等［14］對巖石損傷過程中的聲發(fā)射和超聲波波速進(jìn)行了測量，用于判斷巖石的損傷狀態(tài)；劉向君等［15］在三軸和單軸加載過程中對低孔低滲砂巖的波速、幅度、頻譜特征進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［16-17］研究得出波速主要取決于巖石內(nèi)部裂隙孔隙的發(fā)育程度及加載條件下低孔低滲砂巖的聲波傳播特性。

巖體波速差異是礦井地震法勘探的物理前提，通過對巖石加載過程中波速變化規(guī)律進(jìn)行研究，有助于認(rèn)識(shí)采動(dòng)或地質(zhì)構(gòu)造引起的礦井災(zāi)害演變過程，對地震法勘探在礦井地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力集中區(qū)探測中的應(yīng)用及礦井災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報(bào)具有指導(dǎo)意義。 而以上研究僅對波速變化過程進(jìn)行描述，并未對其進(jìn)行詳細(xì)的階段劃分及指明具體的工程意義。 通過對晉城礦區(qū)不同區(qū)域、不同巖性的巖石進(jìn)行單軸加載，采集巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程中聲波脈沖信號(hào)，并開發(fā)脈沖信號(hào)初至?xí)r間智能處理Pickup程序模塊，對聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得巖石受載破壞全過程的聲波響應(yīng)特征和波速變化規(guī)律，提出不同響應(yīng)階段的工程意義。

1 波速測試試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

巖石受載破壞全過程波速變化測試系統(tǒng)主要包括加載系統(tǒng)和聲波測試系統(tǒng)2 部分（圖1）。 加載系統(tǒng)采用RMT-301 巖石與混凝土力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)，由多功能電液伺服試驗(yàn)機(jī)、數(shù)字控制數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、軸向和徑向引伸計(jì)及配套的載荷和位移傳感器等組成。 聲波測試系統(tǒng)采用HS-YS4A 型巖石聲波參數(shù)測試儀，由微控制主機(jī)、高壓激勵(lì)、信號(hào)采集及多分量壓電換能器等模塊組成，具有多通道、寬頻帶、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，且可測試縱波（P 波）、橫波（S波）波速及巖樣加載下的波速。

圖1 受載巖體波速測試系統(tǒng)Fig.1 Diagram of loaded rock wave velocity testing system

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)巖樣取自晉城礦區(qū)西區(qū)永安煤礦和北區(qū)趙莊二號(hào)井3 號(hào)煤層頂?shù)装?，室?nèi)加工制作成?50 mm×100 mm 的標(biāo)準(zhǔn)單軸壓縮巖石試件。 為滿足試驗(yàn)要求，選取表面無明顯裂紋、破損且尺寸和平整度誤差較小的試件。 巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線測試加載速率選取0.000 5 mm／s。 巖石聲波測試分為加載前和加載條件下2 部分縱波波速測試，采樣數(shù)量為4 000 個(gè)，采樣間隔為0.1 μs，加載時(shí)軸向位移每變化0.01 mm采集1 次數(shù)據(jù)。

根據(jù)聲波測試原理，在巖石試件上下端面涂抹黃油，將發(fā)射和接收換能器分別緊貼兩端面，形成對穿狀。 巖石試件高度與縱波初至?xí)r間的比值即波速，則有

式中：vp為縱波波速，m／s；l0為巖石試件長度，m；Δl為巖石受載作用下徑向位移，m；Δt為脈沖信號(hào)穿過巖石試件的時(shí)間，s；tp為巖石試件測試時(shí)的聲波脈沖信號(hào)初至?xí)r間，s；tp0為換能器原始（無巖石試件）聲波脈沖信號(hào)初至?xí)r間，s。

測試系統(tǒng)換能器間的原位波形特征和B41 巖石試件測試波形特征如圖2 所示。 根據(jù)測試結(jié)果可以看出，巖石試件測試時(shí)，聲波脈沖信號(hào)初至?xí)r間明顯增大。 由于巖石單軸壓縮過程中記錄的波列數(shù)據(jù)量大，為便于數(shù)據(jù)處理，基于Matlab 平臺(tái)開發(fā)了脈沖信號(hào)初至?xí)r間智能拾取的Pickup程序模塊，簡化了數(shù)據(jù)處理流程，減小了人為誤差，提高了求解速率和準(zhǔn)確性。

圖2 巖樣測試波形特征Fig.2 Waveform character of rock sample test

2 加載前后巖石波速變化特征

2.1 加載前波速變化特征

施加載荷前分別對西區(qū)28 個(gè)試件和北區(qū)41 個(gè)試件進(jìn)行波速測試，不同巖性波速測試統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1，不同巖性的波速對比如圖3 所示。 由此可以看出，西區(qū)與北區(qū)的奧灰?guī)r的波速差異較大，其他巖樣的波速相接近，分析主要是由于不同巖石的波速受巖石礦物質(zhì)組成成分、結(jié)構(gòu)、天然孔隙度及裂隙率的影響較大［18］。

圖3 西區(qū)和北區(qū)巖石波速對比Fig.3 Comparition of rock wave velocity indifferent districts

表1 西區(qū)和北區(qū)的巖石波速統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistical of rock wave velocity

2.2 巖石加載全過程波速變化規(guī)律

選取西區(qū)具有代表性的4 個(gè)不同巖樣（粗砂巖、中砂巖、泥巖及奧灰?guī)r）進(jìn)行加載過程波速變化規(guī)律分析，巖石應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線、波速-應(yīng)變曲線如圖4 所示。

圖4 西區(qū)巖樣全應(yīng)力-應(yīng)變過程波速變化Fig.4 Variation curves of western rock wave velocity during complete stress-strain process

由此看出，巖石單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程經(jīng)歷壓密、彈性、塑性、破壞及殘余變形5 個(gè)階段，各階段均呈現(xiàn)巖石孔隙裂隙的演化特征［19］。 西區(qū)粗砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度σmax為77.3 MPa，中砂巖為74.5 MPa，泥巖38.2 MPa，奧灰?guī)r為58.1 MPa。 巖石單軸加載全過程波速規(guī)律：波速變化特征與應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線的變化趨勢基本相同，波速變化經(jīng)歷“上凹→線性增大→突降上升→臺(tái)階波動(dòng)→臺(tái)階突降”5 個(gè)階段，與巖石加載破壞過程中的階段劃分一致，各階段均有明顯的拐點(diǎn)。 粗砂巖、中砂巖、泥巖及奧灰?guī)r承載應(yīng)力分別為86.75%σmax、73.91%σmax、73.14%σmax和65.67%σmax時(shí)，波速發(fā)生突降，之后逐漸上升。 巖石破裂后，波速發(fā)生臺(tái)階式變化，殘余變形大幅度突變前，砂類巖波速仍呈增大的趨勢，且大于初始波速。 單軸加載全過程4 中巖石的波速變化范圍分別為3.91～7.62、3.46 ～7.06、4.67 ～10.04 和3.44～4.26 km／s，波速較初始值分別增大94.88%、104.05%、114.99%和23.84%。 巖石完全失去承載能力后，波速大幅度降低。

選取北區(qū)具有代表性的4 個(gè)不同巖樣進(jìn)行波速分析，繪制應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程曲線、波速-應(yīng)變曲線如圖5 所示。 由此看出，北區(qū)巖石物理力學(xué)參數(shù)較大，其中粗砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度σmax為161.6 MPa，中砂巖為124.4 MPa，泥巖為96.0 MPa，奧灰?guī)r為52.5 MPa。 單軸加載全過程的波速變化規(guī)律為：北區(qū)砂巖強(qiáng)度較高，呈脆性，不存在巖石破壞后變形和殘余變形階段，波速變化呈現(xiàn)“上凹→線性增大→突降上升→臺(tái)階突降”4 個(gè)階段；而強(qiáng)度較低的泥巖和奧灰?guī)r應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)^程，波速變化與西區(qū)5 個(gè)階段相同；巖石破裂前波速不斷增大，脆性巖石破裂后波速急劇下降，而具有殘余強(qiáng)度的巖石波速隨著應(yīng)變變化；脆性巖石破裂后波速大幅度減小，殘余變形階段波速均小于初始波速。 4 種巖樣對應(yīng)承載應(yīng)力分別為84.99%σmax、74.30%σmax、74.32%σmax和77.86%σmax時(shí)，波速發(fā)生突降，之后逐漸上升。 巖石破裂前，粗砂巖的波速由3.72 km／s 增大至4.40 km／s，增大約18.28%；中砂巖的波速由3.54 km／s 增大至4.03 km／s，增大約13.84%；泥巖波速由4.19 km／s 增大至4.57 km／s，增大約9.07%；奧灰?guī)r波速由3.17 km／s 增大至4.09 km／s，增大約29.02%；泥質(zhì)砂巖波速由3.29 km／s 增大至3.89 km／s，增大約18.24%。 巖石破裂至完全失去承載能力后，波速大幅度降低。

圖5 北區(qū)巖樣全應(yīng)力-應(yīng)變過程波速變化Fig.5 Variation curves of northern rock wave velocity during complete stress-strain process

根據(jù)西區(qū)和北區(qū)不同巖樣的測試結(jié)果，巖石波速變化規(guī)律整體趨勢為先增大后減小，西區(qū)巖石破裂和殘余變形階段持續(xù)時(shí)間較長，而北區(qū)巖石呈脆性，該階段維持時(shí)間較短，甚至缺失。 通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖樣進(jìn)入塑性變形階段波速均出現(xiàn)震蕩式降低，該震蕩點(diǎn)應(yīng)力為65.67%σmax～86.75%σmax，為巖體變形破壞過程中的擴(kuò)容點(diǎn)。 殘余變形過程中最后一個(gè)臺(tái)階式變形階段波速降幅最大。 北區(qū)不同巖性波速的增大比例在9.07%～29.02%，相對西區(qū)巖樣波速增大幅度較小。

3 巖石波速變化響應(yīng)機(jī)制及工程意義

3.1 全應(yīng)力-應(yīng)變過程波速響應(yīng)機(jī)制

根據(jù)以上波速測試結(jié)果及波速變化規(guī)律，將受載巖體全應(yīng)力-應(yīng)變過程波速響應(yīng)劃分為5 個(gè)階段：

1）壓密階段。 載荷作用下巖樣內(nèi)部原有的孔隙和微觀裂隙逐漸彌合，增大了礦物質(zhì)顆粒的接觸程度和密實(shí)度，提高了聲波在巖石中傳播時(shí)質(zhì)點(diǎn)的速率，表明波速與孔隙度成反比。 該階段波速變化呈下凹型，波速和變化速率均增大，波速與應(yīng)變呈非線性關(guān)系。

2）彈性變形階段。 隨著應(yīng)力的增大，試件呈線彈性變形，巖體礦物質(zhì)顆粒變得更加致密，該階段孔隙裂隙已完全閉合。 波速持續(xù)增大，與應(yīng)變呈線性正相關(guān)，與壓密階段存在明顯的分界點(diǎn)。

3）塑性變形階段。 曲線偏離線性，出現(xiàn)塑性變形。 從波速拐點(diǎn)開始，曲線呈上凸?fàn)?，?yīng)變增大速率減小，試件內(nèi)部開始出現(xiàn)平行于最大主應(yīng)力方向的微裂隙。 波速拐點(diǎn)至最高點(diǎn)段試件中不斷產(chǎn)生微破裂，并且粒間出現(xiàn)滑移，試件破壞前發(fā)生明顯的非彈性變形，出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象。 巖石試件進(jìn)入塑性階段后波速有明顯的突變降低效應(yīng)，巖樣周邊存在的裂紋或節(jié)理發(fā)生破裂，應(yīng)力出現(xiàn)震蕩時(shí)，波速降幅更明顯，但在塑性階段隨著應(yīng)變的增大，波速總體呈非線性增大，比彈性階段波速增大速率減小，主要由于該階段巖石內(nèi)部原生裂隙逐步發(fā)生微擴(kuò)展。

4）破裂階段。 隨著應(yīng)力的增大，裂隙數(shù)量增多，表征著巖石的破壞已經(jīng)開始，卸載后變形不能完全恢復(fù)。 隨著應(yīng)變繼續(xù)增大，巖石承載力降低，表現(xiàn)出應(yīng)變軟化特征，此階段巖石的微裂隙逐漸貫通，直到波速最高點(diǎn)形成宏觀破裂面，試件破壞，應(yīng)力達(dá)到峰值σmax，為巖石單軸抗壓強(qiáng)度。 巖石試件破裂的瞬間，應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)生突變下降，應(yīng)力減小，波速也出現(xiàn)臺(tái)階降低效應(yīng)，降低幅度相對較大，之后隨著應(yīng)力-應(yīng)變曲線的波動(dòng)而波動(dòng)。

5）殘余變形階段。 巖石殘余強(qiáng)度不再降低，變形卻不斷增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線震蕩過程中，波速隨應(yīng)變發(fā)生類似的變化特征，甚至該階段出現(xiàn)波速大于試件破裂前的峰值的現(xiàn)象。 分析是由于部分新裂隙被重新壓實(shí)彌合，但在殘余變形的最后階段，試件裂隙增大，巖樣失去強(qiáng)度，應(yīng)力-應(yīng)變發(fā)生突變時(shí)，波速瞬間降低。

3.2 巖石波速變化特征的工程意義

根據(jù)上述試驗(yàn)分析結(jié)果，巖石受載作用下進(jìn)入塑性階段前，即擴(kuò)容發(fā)生前，巖體波速不斷增大，而發(fā)生擴(kuò)容時(shí)波速出現(xiàn)震蕩降低點(diǎn)，進(jìn)入塑性階段甚至破壞階段波速仍呈增大趨勢。 根據(jù)上述試驗(yàn)得出不同巖性擴(kuò)容點(diǎn)的應(yīng)力基本為65.67%σmax～86.75%σmax，處于巖體破裂前。 可通過對巖體進(jìn)行波速監(jiān)測，將擴(kuò)容現(xiàn)象引起的波速異常變化作為巖石破壞前兆信息，從而對煤巖體的破壞進(jìn)行預(yù)警［20］。 當(dāng)工作面受頂板或底板強(qiáng)含水層的影響，可采用微震監(jiān)測或其他手段對頂?shù)装鍘r體的波速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲取不同位置巖體波速變化異常跳躍點(diǎn)，并對頂?shù)装迤茐牧严稁нM(jìn)行預(yù)計(jì)，在裂隙導(dǎo)通含水層前將起到水害預(yù)警預(yù)報(bào)的作用，可避免水害事故的發(fā)生。

根據(jù)巖石受載全應(yīng)力-應(yīng)變過程的波速變化規(guī)律，巖石破裂前波速整體趨勢逐漸增大，波速與應(yīng)力呈正相關(guān)，若采煤工作面圍巖存在高應(yīng)力集中區(qū)，則表現(xiàn)為高速異常區(qū)。 巖石破裂后波速大于原巖波速，殘余變形階段巖體基本失去抗壓強(qiáng)度，波速呈現(xiàn)臺(tái)階式下降。 若采煤工作面圍巖存在構(gòu)造發(fā)育區(qū)，且相應(yīng)波速為高速異常，表明破碎帶巖體仍具有一定的承載能力，若波速已大幅度降低，則表明巖體基本喪失承載能力。 波速的測定及波速全應(yīng)力-應(yīng)變過程的異常變化規(guī)律可為工作面地質(zhì)構(gòu)造槽波地震探測中P 波、S 波及槽波的綜合分析提供理論依據(jù)，同時(shí)對其他地震法的探測應(yīng)用具有指導(dǎo)作用。

4 結(jié) 論

1）通過巖石力學(xué)加載系統(tǒng)和聲波測試系統(tǒng)對晉城礦區(qū)不同區(qū)域的巖石單軸加載全過程聲波信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，利用自開發(fā)的脈沖信號(hào)初至?xí)r間智能拾取Pickup程序模塊對聲波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 不同區(qū)域巖石力學(xué)特征和波速變化特征差異較大，北區(qū)巖石加載破壞全過程中波速的增大比例在9.07%～29.02%，西區(qū)波速的增大比例在23.84%～114.99%，脆性巖石受載破壞過程中波速增大幅度較小。

2）巖石加載過程中，波速變化規(guī)律整體趨勢為先增大后減小，巖石完全失去承載能力后，波速大幅度降低。 將具有完整應(yīng)力-應(yīng)變曲線的巖石波速變化規(guī)律劃分為“上凹→線性增大→突降上升→臺(tái)階波動(dòng)→臺(tái)階突降”5 個(gè)不同的階段。 北區(qū)的巖石抗壓強(qiáng)度大，巖性整體呈脆性，尤其砂巖破裂后波速變化缺失臺(tái)階波動(dòng)階段。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，巖樣承受應(yīng)力為65.67%σmax～86.75%σmax時(shí)，波速出現(xiàn)震蕩降低點(diǎn)，為巖體變形破壞過程中的擴(kuò)容點(diǎn)。

3）巖石受載全應(yīng)力-應(yīng)變過程波速響應(yīng)機(jī)制各階段的波速變化特征明顯，具有不同的工程意義。通過對巖體的波速變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握波速變化規(guī)律，獲取巖石破壞前兆信息，可為地質(zhì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，防止災(zāi)害事故的發(fā)生。