布爾臺礦單軸加卸載下砂質(zhì)泥巖聲發(fā)射特征研究

曹金鐘， 楊志良， 王文杰

（1. 中煤大同能源有限責(zé)任公司 塔山煤礦，山西 大同 037001；2. 山西大同大學(xué) 煤炭工程學(xué)院，山西 大同 037003；3. 晉能控股煤業(yè)集團 晉華宮礦，山西 大同 037000）

0 引言

西部礦區(qū)煤炭儲量豐富，煤層賦存穩(wěn)定，煤系地層成巖年代較晚，基巖段以弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖為主。煤礦井下巷道開挖、工作面回采等過程導(dǎo)致應(yīng)力集中、轉(zhuǎn)移，從而使巷道圍巖受到加卸載力學(xué)作用。砂質(zhì)泥巖是回采巷道常見巖石，在天然狀態(tài)下膠結(jié)程度低，強度較低，多種煤礦事故的發(fā)生與砂質(zhì)泥巖在加卸載時的力學(xué)響應(yīng)密切相關(guān)，如工作面大面積來壓、巷道失穩(wěn)、潰水等。近年來，隨著西部礦區(qū)高強度開發(fā)，上述問題日益凸顯。因此，有必要對西部弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖在加卸載狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)開展深入研究，以揭示巷道圍巖損傷劣化、失穩(wěn)破壞及其失穩(wěn)前兆信息。

現(xiàn)有研究表明，巖石在加卸載作用下?lián)p傷不斷加劇，微觀上表現(xiàn)為巖石內(nèi)部裂紋的生成，能量以聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）、熱輻射等形式釋放，宏觀上表現(xiàn)為巖石變形破壞。AE作為一種監(jiān)測巖石內(nèi)部變形、損傷、破壞的有效手段，已廣泛用于工程實踐中[1-2]。學(xué)者圍繞巖石在單軸加卸載下的AE特征開展了大量研究。劉娟紅等[3]通過不同種類混凝土單軸加卸載和AE試驗，研究典型種類混凝土的能量耗散和釋放過程。李庶林等[4]運用G-P算法，研究了火成巖和變質(zhì)巖在單軸多級加卸載作用下AE的分形特征，得出關(guān)聯(lián)維數(shù)在等壓加卸載和加卸載循環(huán)應(yīng)力增加的情況分別呈突增和下降趨勢。王小瓊等[5]對鄂爾多斯盆地21塊不同類別巖芯開展單軸壓縮AE測試，分析不同應(yīng)力下AE的規(guī)律及巖性、加載模式和AE參數(shù)對Kaiser效應(yīng)點識別的影響，得出等級循環(huán)加載優(yōu)于分級循環(huán)加載和單次加載。周志華等[6]對比了混凝土在有無滲透水壓情況下的單軸加卸載試驗，發(fā)現(xiàn)在加卸載作用下無滲透水壓的混凝土強度強化，有滲透水壓的強度降低。李淼等[7]基于單軸加卸載試驗，研究了千枚巖的沖擊傾向性。林冠宇等[8]探討了單軸加卸載作用下花崗巖的AE特征，得到飽水狀態(tài)下花崗巖的RA （上升時間/幅值）小于自然狀態(tài)。徐速超等[9]研究了單軸循環(huán)荷載下矽卡巖的強度變化和AE特征。趙奎等[10]分析了單軸循環(huán)荷載下砂巖的次聲波信號特征，將其活動分為相對穩(wěn)定期、活躍期和破壞前兆期。楊小彬等[11]研究了單軸循環(huán)加卸載作用下花崗巖非均勻變形過程中的AE特征，得出非均勻變形演化與AE有較好的對應(yīng)規(guī)律。宋小飛等[12]通過單軸加卸載試驗研究了砂巖的能量演化規(guī)律，得到耗散能占比是粉砂巖＞粗砂巖＞細砂巖。周家文等[13]研究了脆性巖石在單軸循環(huán)加卸載下的力學(xué)及損傷特性。鄧朝福等[14]分析了鹽巖單軸加卸載過程的能量和AE特性，得出其變形曲線的回滯環(huán)面積較小。

上述研究主要對巖石在單軸加卸載過程的力學(xué)響應(yīng)進行了分析，缺乏對西部廣泛分布的弱膠結(jié)砂質(zhì)泥巖在加卸載狀態(tài)下力學(xué)響應(yīng)的研究。本文以國家能源集團神東布爾臺煤礦鉆孔BK209中砂質(zhì)泥巖為研究對象，開展單軸加卸載實時AE監(jiān)測試驗，探討砂質(zhì)泥巖強度變化及AE特征，揭示不同應(yīng)力路徑下巖石損傷、劣化和破壞失穩(wěn)機制。

1 試驗方案

1.1 試驗樣品制備

試驗巖芯取自布爾臺煤礦三盤區(qū)北部補勘工程BK209鉆孔，基于國際巖石力學(xué)學(xué)會（The International Society for Rock Mechanics，ISRM）標準，巖芯經(jīng)過鉆取、切割、打磨，加工成標準試樣（φ25 mm×50 mm），如圖1所示。試樣基本參數(shù)及巖層特征見表1。

圖1 加工試樣Fig. 1 Test samples

表1 試樣基本參數(shù)及巖層特征Table 1 Sample parameters and strata characteristics

1.2 試驗系統(tǒng)

試驗采用WDW-100E微機控制電子式萬能試驗機加載系統(tǒng)及PCI-II型AE監(jiān)測系統(tǒng)（圖2）。萬能試驗機最大軸向荷載為100 kN，精度為±0.5%，計算機對萬能試驗機實現(xiàn)精準控制。AE監(jiān)測系統(tǒng)最大采樣頻率為40 MHz，AD轉(zhuǎn)換率為18位，頻帶范圍為1～3 000 kHz，AE數(shù)據(jù)由系統(tǒng)軟件采集、存儲，前置放大器增益設(shè)為40 dB，閾值設(shè)為45 dB，采樣率為1 000 kHz。利用耦合劑和膠帶將2個傳感器對稱放置于試件中部，使兩者充分接觸且不脫落。

圖2 試驗系統(tǒng)Fig. 2 Test system

1.3 試驗方案

采用單軸分級加卸載試驗方案，同步進行AE監(jiān)測，研究不同加卸載路徑下砂質(zhì)泥巖的AE特征。砂質(zhì)泥巖取自侏羅系安定組J2a，其單軸抗壓強度為18.33～23.90 MPa[15]，破壞載荷為9～12 kN。本試驗設(shè)計了3種加卸載路徑，如圖3所示。加卸載路徑I采用位移控制，加卸載速率為0.1 mm/min，先加載至設(shè)定值3 kN，然后以同等速率卸載至1 kN，最后加載至峰值，荷載路徑為0 →3 kN→1 kN→峰值。加卸載路徑II采用荷載控制，先以0.03 kN/s速率加載至3 kN，然后以0.25 kN/s速率卸載至1 kN，接著以0.03 kN/s速率加載至8 kN，再以0.25 kN/s速率卸載至1 kN，最后加載至峰值，荷載路徑為0→3 kN→1 kN→8 kN→1 kN→峰值。加卸載路徑III采用荷載控制，先以0.1 kN/s速率加載至3 kN，然后以0.25 kN/s速率卸載至1 kN，最后以0.1 kN/s速率加載至峰值，荷載路徑為0→3 kN→1kN→峰值。

圖3 加卸載路徑Fig. 3 Loading and unloading schemes

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 不同加卸載路徑下力學(xué)特征

不同加卸載路徑下砂質(zhì)泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系如圖4所示?？煽闯錾百|(zhì)泥巖按加卸載路徑I，II，III進行加卸載時，其平均應(yīng)力峰值強度分別為13.46，18.02，10.82 MPa，離散系數(shù)分別為2.78%，27.85%，23.80%；加卸載路徑II下平均應(yīng)力峰值強度較加卸載路徑I，III分別大4.56，7.20 MPa，增幅分別達34%，66%。3種加卸載路徑下應(yīng)力達到峰值前變形特征大致相同，應(yīng)力達到峰值后變形特征有所不同。加卸載路徑I下試樣應(yīng)力達到峰值后跌落較快，表現(xiàn)出脆性特征；加卸載路徑II下試樣應(yīng)力達到峰值后跌落有限，有一定殘余強度；加卸載路徑III下試樣應(yīng)力達到峰值后分級跌落，表現(xiàn)出一定延性特征。砂質(zhì)泥巖單軸加卸載彈性模量見表2。可看出在第1次加載階段（0→3 kN），當(dāng)應(yīng)力加載至峰值的0.45，0.29，0.55倍時，平均彈性模量分別為1.66，0.92，0.99 GPa，當(dāng)應(yīng)力卸載至峰值的0.15，0.10，0.18倍時，平均彈性模量分別為2.65，1.50，1.56 GPa，與第1次加載階段彈性模量相比，卸載階段彈性模量分別增加了59.6%，63.0%，36.5%。說明加卸載路徑越短，卸載階段彈性模量增加越多，主要是因為在加載過程中新生裂隙接觸面因剪切滑移產(chǎn)生碎屑，卸載路徑短，受到拉應(yīng)力脫落的碎屑充分充填到附近空隙，裂隙面之間的摩擦能力變強。

表2 砂質(zhì)泥巖單軸加卸載彈性模量Table 2 Elastic modulus of sandy mudstone during uniaxial loading and unloading

圖4 不同加卸載路徑下砂質(zhì)泥巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig. 4 The stress-strain relationship of sandy mudstone different loading and unloading paths

2.2 不同加卸載路徑下AE特征

砂質(zhì)泥巖不同路徑加載階段AE振鈴計數(shù)與應(yīng)力關(guān)系如圖5所示?？煽闯錾百|(zhì)泥巖第1次加載過程中，加卸載路徑I下AE振鈴計數(shù)先增大至局部峰值，然后呈對稱式衰減；加卸載路徑II下AE振鈴計數(shù)先突增至局部峰值，然后漸進式衰減，呈左偏峰型；加卸載路徑III下AE振鈴計數(shù)先突增至局部峰值，然后減小，接著增大，結(jié)束階段又減小，中間波動較大。砂質(zhì)泥巖第2次加載過程中，在加卸載路徑I，III下，當(dāng)未超過第1次加載階段的上限應(yīng)力時，AE振鈴計數(shù)較少，當(dāng)首次超過上限應(yīng)力時，AE振鈴計數(shù)呈漸增趨勢，當(dāng)應(yīng)力增至臨近峰值，達到砂質(zhì)泥巖屈服極限時，AE振鈴計數(shù)陡增，出現(xiàn)Kaiser點；加卸載路徑II比加卸載路徑I，III多1個加載階段，雖然在該階段內(nèi)AE振鈴計數(shù)較少，但第2次加載階段產(chǎn)生的AE振鈴計數(shù)仍多于第1次加載階段，第3次加載至峰值時，AE振鈴計數(shù)大大增加。加卸載路徑I，II，III最后1次加載至峰值的過程，路徑I下AE振鈴計數(shù)先均勻持續(xù)發(fā)生，接著漸進式增加；路徑II，III下AE振鈴計數(shù)均先均勻持續(xù)發(fā)生，臨近峰值應(yīng)力時呈跳躍式增長?？傮w而言，路徑III產(chǎn)生的AE振鈴計數(shù)多于其他路徑。

圖5 砂質(zhì)泥巖不同路徑加載階段AE振鈴計數(shù)與應(yīng)力關(guān)系Fig. 5 The relationship between AE ringing counts and stress of sandy mudstone under different loading stages

不同加卸載路徑對AE振鈴計數(shù)和應(yīng)力的影響如圖6所示。可看出砂質(zhì)泥巖累計AE振鈴計數(shù)在4 000次以下，與砂性巖石累計振鈴計數(shù)2.178×105～59.017×105次[16]相比較低，這是因為砂質(zhì)泥巖顆粒較小、結(jié)構(gòu)致密，導(dǎo)致由摩擦和破壞引起的AE不明顯。AE振鈴計數(shù)多集中在加載階段，卸載階段基本無振鈴計數(shù)。第1次加載階段，由于應(yīng)力較低，砂質(zhì)泥巖處于裂隙壓密階段，未有新裂紋產(chǎn)生，AE振鈴計數(shù)較少，AE處于相對平靜期；在卸載階段，由于微裂紋在卸載作用下回彈張開，基本無振鈴計數(shù)，AE處于“間歇期”；隨著應(yīng)力增大和加卸載次數(shù)增多，砂質(zhì)泥巖內(nèi)部產(chǎn)生新裂紋，損傷增加，AE振鈴計數(shù)相對增加，AE處于波動期；最后1次加載至峰值過程中，砂質(zhì)泥巖處于破壞階段，裂紋加速擴展，損傷加劇，AE振鈴計數(shù)激增，AE進入活躍期。

加卸載路徑I下砂質(zhì)泥巖應(yīng)力臨近峰值時，AE振鈴計數(shù)出現(xiàn)漸進式增加，約在應(yīng)力峰值的0.8倍處AE信號增加相對明顯，可作為預(yù)警前兆點，振鈴計數(shù)最大值出現(xiàn)在應(yīng)力峰值后；而加卸載路徑II，III下砂質(zhì)泥巖應(yīng)力臨近峰值時，AE信號相對平靜，無明顯前兆信息，其振鈴計數(shù)最大值均出現(xiàn)在應(yīng)力峰值處（圖6（h）中，由于試樣33非均勻性較強，振鈴計數(shù)最大值提前于應(yīng)力峰值出現(xiàn)）。加卸載路徑I，II，III下砂質(zhì)泥巖AE振鈴計數(shù)的激增分別呈集群式、單峰陡增、集群式，其平均AE累計振鈴計數(shù)分別為3 048，3 327，3 896次，從加載到破壞的平均時間分別為719.4，553.6，91.5 s，平均AE振鈴計數(shù)分別為4，6，42 次/s。由此可見，加卸載路徑III對AE影響較大，加卸載路徑I對AE影響較小，究其原因是在加卸載荷載作用下裂紋以持續(xù)閉合、張開的方式發(fā)展，由于加載速率提高，裂紋來不及閉合就注入新的能量，加上加卸載路徑III下砂質(zhì)泥巖峰值強度較低，大大降低了裂紋擴展過程所克服的阻力，在較低應(yīng)力作用下裂紋出現(xiàn)擴展，加劇內(nèi)部損傷，釋放更多能量，振鈴計數(shù)增加；由加卸載路徑I，II的平均AE振鈴計數(shù)可知，加載控制模式未導(dǎo)致砂質(zhì)泥巖破壞進程產(chǎn)生較大改變，對AE的影響有限。

圖6 不同加卸載路徑對AE振鈴計數(shù)和應(yīng)力的影響Fig. 6 Influence of different loading and unloading paths on AE ringing counts and stress

3 結(jié)論

（1） 卸載階段彈性模量大于加載階段彈性模量，且加卸載路徑越短，卸載階段彈性模量增加越大。主要是因為在加載壓縮的過程中新生裂隙接觸面因剪切滑移產(chǎn)生碎屑，卸載路徑短，受到拉應(yīng)力脫落的碎屑充分充填到附近空隙，裂隙面之間的摩擦能力變強。

（2） 不同加載階段AE振鈴計數(shù)隨加載路徑變化而呈現(xiàn)不同的演化特征。第1次加載階段，路徑I下AE振鈴計數(shù)呈先增后減的對稱變化；路徑II下AE振鈴計數(shù)呈左偏峰變化；路徑III下AE振鈴計數(shù)先突增至局部峰值，然后減小，接著再增加，結(jié)束階段又減小，中間波動較大。最后1次加載至峰值的過程中，路徑I下AE振鈴計數(shù)先均勻持續(xù)發(fā)生，接著漸進式增加；路徑II，III下AE振鈴計數(shù)均先均勻持續(xù)發(fā)生，臨近峰值應(yīng)力呈跳躍式增加。

（3） 砂質(zhì)泥巖AE振鈴計數(shù)主要集中在加載階段，卸載階段基本無振鈴計數(shù)。主要原因是在卸載階段，裂隙處于張開狀態(tài)，砂質(zhì)泥巖顆粒較小，由摩擦和破壞引起的AE不明顯。

（4） 加載速率對單位時間內(nèi)AE振鈴計數(shù)的敏感度大于加載控制模式。砂質(zhì)泥巖分別沿路徑I，II，III加載時，其振鈴計數(shù)平均分別為4，6，42 次/s。加載速率的提高加快了巖石內(nèi)部裂紋擴展速率，加速了巖石內(nèi)部主裂紋的形成及貫通，加劇了巖石內(nèi)部的損傷，能量在較短時間內(nèi)釋放，單位時間內(nèi)AE振鈴計數(shù)變大。