巖石與類巖石單軸壓縮過程中力學(xué)及聲發(fā)射特性對比研究

王創(chuàng)業(yè)， 李昕昊， 韓天宇， 劉城成

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院， 包頭 014010)

目前，隨著全世界能源的需求和礦產(chǎn)資源的開采需求，淺層資源逐年減少，國內(nèi)外礦山逐步進(jìn)入深層開采。因而開展系統(tǒng)的巖石破裂機理為深部開采的設(shè)計和施工起到了重要的理論和實際依據(jù)。然而由于巖石組成成分的復(fù)雜性，增加了研究的難度。采用類巖石材料能在一定程度上揭示巖石的破裂機理。黃彥華等[1]對類巖石材料試驗的尺寸效應(yīng)研究得出水泥石膏比與砂漿比對類巖石的力學(xué)性質(zhì)會產(chǎn)生較大的影響；Ko等[2]進(jìn)行了以石膏為類巖石材料的試驗，以研究單調(diào)和循環(huán)荷載下類巖石的裂紋擴(kuò)展特征，確定了類巖石亞臨界裂紋擴(kuò)展參數(shù)；申艷軍等[3]探究了各材料對類砂巖力學(xué)性質(zhì)的影響與最優(yōu)配比。然而，對類巖石材料僅分析其力學(xué)性質(zhì)并不能有效地分析其破裂機理。材料在受到外部荷載作用時，其中存儲的應(yīng)變能產(chǎn)生的彈性波快速釋放現(xiàn)象稱為聲發(fā)射(acoustic emission,AE[4])。其在一定程度上能夠反映巖石的破裂損傷程度。程鐵棟等[5]研究了巖石破壞全過程聲發(fā)射信號，為監(jiān)測巖體破裂過程提供了新的依據(jù)和方法；王創(chuàng)業(yè)等[6]基于聲發(fā)射頻譜特性分析，分析了石灰?guī)r破裂過程與聲發(fā)射頻域信號的關(guān)系；宋朝陽等[7]通過分析不同弱膠結(jié)性砂巖聲發(fā)射時頻域信號特征，提出了弱膠結(jié)砂巖的破壞前兆信息識別。

以上研究在一定程度上揭示了巖石或者類巖石在荷載作用下的力學(xué)特性或聲發(fā)射特性。但是上述研究只是針對于巖石或者類巖石單獨進(jìn)行研究，而通過研究可知[8]，類巖石在力學(xué)性質(zhì)、聲發(fā)射時域、頻域等性質(zhì)上是存在相似之處的。鑒于此，在巖石和類巖石兩類材料單軸壓縮聲發(fā)射試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)力-應(yīng)變、聲發(fā)射時域、頻域進(jìn)行綜合分析，探究巖石與類巖石兩類材料破裂過程中的異同之處，為聲發(fā)射技術(shù)運用于巖土工程和深部開采礦巖穩(wěn)定性監(jiān)測和理論提供可靠依據(jù)。

1 單軸壓縮聲發(fā)射試驗

1.1 試樣制備

研究所用石灰?guī)r和砂巖取自內(nèi)蒙古某露天礦區(qū)；類巖石材料，骨料選取20目石英砂，膠結(jié)材料選取425早強型水泥與3.0高強石膏粉，類巖石配比為骨料含量25%，水泥石膏比為9∶1，兩類試件均制成50 mm×100 mm標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件，將制成的類巖石試樣置于SHBY-40B標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕箱進(jìn)行養(yǎng)護(hù)14 d[9]。試件分為3組，石灰?guī)rShy-1、Shy-2、Shy-3，砂巖 Sy-1、Sy-2、Sy-3，類巖石Lys-1、Lys-2、Lys-3。

1.2 試驗內(nèi)容及方案

巖石加載系統(tǒng)采用長春科新試驗有限公司生產(chǎn)的SAW-2000微機控制電液伺服巖石壓力試驗機。聲發(fā)射設(shè)備為北京軟島時代科技有限公司制造的DS5全波形聲發(fā)射檢測系統(tǒng)。

試驗開始前，設(shè)定聲發(fā)射系統(tǒng)波形門限10 mV，撞擊鑒別2 000 μs，撞擊鎖閉時間2 000 μs，峰值鑒別時間500 μs，采樣頻率為3 MHz，設(shè)定后通過AST測試(auto sensor test)檢測各通道暢通無誤，隨后以0.1 mm/min的加載速率進(jìn)行加載，直至試樣發(fā)生破壞停止加載。

2 試驗結(jié)果與分析

試樣力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 試樣力學(xué)參數(shù)Table 1 Rock mechanical parameters

將上述試件進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗，監(jiān)測試驗過程中試件力學(xué)性質(zhì)及聲發(fā)射參數(shù)特征等。限于篇幅，下文選用Shy-3、Sy-1、Lys-3進(jìn)行分析。

2.1 軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線比較

圖1為3種試樣的軸向應(yīng)力-應(yīng)變(σ-ε)曲線。

圖1 試樣軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.1 Axial stress-strain curve of sample

由圖1與表1知，單軸抗壓強度由大到小為Shy-3>Sy-1>Lys-3最小；彈性模量則相反；而終值應(yīng)變由大到小則依次為：Lys-3>Sy-1>Shy-3。Shy-3軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率為三種試樣中最高，到達(dá)峰值應(yīng)力后巖石破壞并伴隨明顯響聲，應(yīng)力瞬間跌落，屬于典型脆性破壞；Sy-1在臨近峰值應(yīng)力時斜率變緩，在達(dá)到峰值應(yīng)力后，試樣發(fā)生破壞，應(yīng)力值瞬間下降，為脆性破壞；Lys-3在加載過程中軸向應(yīng)力-應(yīng)變曲線斜率最小，在達(dá)到峰值應(yīng)力后應(yīng)力呈現(xiàn)出緩慢下降趨勢且繼續(xù)產(chǎn)生應(yīng)變，Lys-3與Sy-1的最大應(yīng)變值相近，大約為Shy-3的2倍，為塑性破壞。Shy-3在應(yīng)力達(dá)到80 MPa左右時，曲線出現(xiàn)輕微跌落的現(xiàn)象，此時應(yīng)變持續(xù)增加，這是由于Shy-3在荷載階段出現(xiàn)小規(guī)模表層顆粒彈射導(dǎo)致而成。3種試樣的破壞形態(tài)如圖2所示。

圖2 試樣破壞形態(tài)Fig.2 Specimen failure pattern

利用橡皮筋固定試樣可以最大程度的保留巖石破裂形態(tài)，由圖 2可知，Shy-3破壞后表面形成多條與平面幾乎成垂直角度且貫穿試樣的裂縫，屬于劈裂破壞； Sy-1與Lys-3破裂后均形成一條與試件軸方向趨于45°的主裂縫，兩者同屬于單斜面剪切破壞，但Sy-1較Lys-3破壞嚴(yán)重，試樣出現(xiàn)碎塊脫落，且中間位置形成鼓包。

2.2 聲發(fā)射時域參數(shù)分析

聲發(fā)射時域參數(shù)主要包括：事件率、累積事件、能率、累積能量等[10]。上述參數(shù)能夠直觀反饋對巖石破裂信息。

2.2.1 階段劃分選取

確定巖石變形階段的方法主要有：裂紋體積應(yīng)變法、軸向應(yīng)變法、軸向剛度法等，而荷載巖石的力學(xué)性質(zhì)與其內(nèi)部微裂縫的發(fā)育和貫通情況密切相關(guān)，使得裂紋體積應(yīng)變法在巖石力學(xué)工程中應(yīng)用較為廣泛[11]。

結(jié)合裂紋體積應(yīng)變法可將巖石加載過程分為五個階段：裂紋閉合壓密階段(Ⅰ階段)、線彈性變形階段(Ⅱ階段)、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段(Ⅲ階段)、裂紋不穩(wěn)定擴(kuò)展階段(Ⅳ階段)、峰后破壞階段(Ⅴ階段)。具體劃分結(jié)果見圖 3。

2.2.2 聲發(fā)射事件率對比分析

聲發(fā)射事件率是指單位時間內(nèi)聲發(fā)射事件發(fā)生的次數(shù)，而累積事件數(shù)是單位時間內(nèi)聲發(fā)射事件的累加。通過圖 3分析Shy-3、Sy-1、Lys-3聲發(fā)射事件率、累積事件數(shù)與時間-應(yīng)力曲線的關(guān)系，可以直接反映巖石內(nèi)部缺陷的活躍度。

圖3 聲發(fā)射事件率、累積事件數(shù)、應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.3 AE event rate, cumulative event number and time-stress relationship curve

分析圖3可知，Lys-3與其他兩種試樣在聲發(fā)射事件率分布情況呈現(xiàn)較大差異，累積事件數(shù)表現(xiàn)為不同增長速率。以下對三種試樣的演化特征進(jìn)行具體分析。

由圖 3(a)可知，Shy-3總體呈現(xiàn)為前期聲發(fā)射事件率主要分布于低水平內(nèi)(1～20個/s)高水平事件率(50～100個/s)較為離散，隨著荷載的加大，事件率出現(xiàn)緩慢增大的趨勢。Shy-3由于巖樣內(nèi)部較為復(fù)雜存在較多原生大孔隙，使其在Ⅰ、Ⅱ階段中產(chǎn)生突發(fā)性破壞而產(chǎn)生高事件率。由圖 3(b)可知Sy-1總體呈現(xiàn)為前期低事件率后期高事件率的“指數(shù)”型。隨著應(yīng)力的逐漸增大，進(jìn)入Ⅲ階段，Sy-1內(nèi)部發(fā)生質(zhì)的變化，從原生孔隙發(fā)展為微裂縫的萌生、融會貫通，聲發(fā)射事件活躍，事件率發(fā)生陡增。由圖 3(c)可知Lys-3事件率曲線的整體變化趨勢呈現(xiàn)為先下降后上升的“U”形特征，通過試驗分析得出，Lys-3內(nèi)部存在大量的孔隙，在Ⅰ階段內(nèi)部空隙大量閉合而產(chǎn)生較高事件率，隨著空隙壓密結(jié)束事件率降低，直至在達(dá)到峰值應(yīng)力95%前，內(nèi)部各裂隙不穩(wěn)定擴(kuò)展，使得事件率快速上升。Shy-3在Ⅲ階段事件率突增隨后恢復(fù)正?，F(xiàn)象與圖1所示應(yīng)力出現(xiàn)小幅度跌落現(xiàn)象相關(guān)。

由圖 3累積事件數(shù)可知，Shy-3與Sy-1在荷載作用下均呈現(xiàn)線性上升趨勢，而Lys-3在試驗中期會出現(xiàn)相對平緩上升趨勢，這與Ⅱ、Ⅲ階段事件率下降相吻合。三類試樣破壞時累積事件數(shù)終值由大到小依次為：Shy-3>Sy-1>Lys-3，表明在荷載作用下，聲發(fā)射的響應(yīng)程度，Shy-3產(chǎn)生的內(nèi)部缺陷最多，Lys-3最少。

試驗發(fā)現(xiàn)，在臨近達(dá)到峰值應(yīng)力前(Ⅳ階段)，Sy-1與Shy-3聲發(fā)射事件率會出現(xiàn)突然的降低和低事件率的缺失現(xiàn)象，將這種現(xiàn)象稱為“聲發(fā)射相對平靜期”且視為破裂前兆識別信息[12]，而由于Lys-3內(nèi)部成分較為單一，分布均勻度較好，僅在峰值前聲發(fā)射事件率激增而沒出現(xiàn)“聲發(fā)射相對平靜期”現(xiàn)象。但需要指出的是，Shy-3的“聲發(fā)射相對平靜期”現(xiàn)象相對不明顯，且出現(xiàn)兩次缺失現(xiàn)象。這與Shy-3結(jié)構(gòu)較脆硬，內(nèi)部裂隙為突發(fā)性破壞為主相關(guān)。

2.2.3 聲發(fā)射能率對比分析

試樣受載破裂過程實質(zhì)上是能量吸收和釋放的過程，而聲發(fā)射能率是單位時間內(nèi)聲發(fā)射所釋放的能量。Shy-3、Sy-1與Lys-3能率、累積能量和應(yīng)力隨時間變化關(guān)系見圖4。

圖4 聲發(fā)射能率、累積能量、應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.4 AE energy rate, cumulative energy, stress and time curve

根據(jù)聲發(fā)射能率數(shù)量級的不同，將三種試件能量釋放過程可分為兩個階段(圖 4)，將聲發(fā)射能率較高階段定義為“活躍期”，將能率較低階段定義為“緩慢釋放期”。

由圖4通過試驗分析得出，“緩慢釋放期”主要是以吸收壓縮能為主，產(chǎn)生較低能量，累積能量增長緩慢，呈現(xiàn)近水平狀；“活躍期”出現(xiàn)在荷載后期，此時試樣裂隙大量發(fā)育，當(dāng)主破裂發(fā)育貫通整個試樣時，緩慢期所吸收壓縮能大量釋放，使得累積能量呈現(xiàn)爆發(fā)式上升，斜率近似于垂直。因此根據(jù)聲發(fā)射能率分布情況可大致將試樣分為兩類。第一類為Shy-3和Sy-1，在試樣荷載破裂過程中，聲發(fā)射能率的釋放可分為兩階段“緩慢釋放期”和“活躍期”。Shy-3較Sy-1“活躍期”更長，原因為Shy-3更符合脆性巖石特征，內(nèi)部顆粒復(fù)雜，在荷載至900 s左右時，試樣內(nèi)部持續(xù)發(fā)生小破壞而導(dǎo)致“活躍期”更長；Sy-1為細(xì)砂巖，內(nèi)部顆粒單一且均勻性較好，“活躍期”則相對出現(xiàn)較晚。第二類為Lys-3，在破裂過程中可將聲發(fā)射能率分為活躍期Ⅰ、緩慢釋放期、活躍期Ⅱ。而Lys-3前期出現(xiàn)“活躍期Ⅰ”的主要原因是Lys-3是由水泥、石膏膠結(jié)石英砂而成，在試樣制備的過程中，內(nèi)部不可避免出現(xiàn)大量氣泡，在Lys-3與壓力機緊密接觸后，內(nèi)部微裂紋在荷載的作用下出現(xiàn)閉合和滑移，而這一階段會釋放大量能量，當(dāng)大部分裂紋閉合后，Lys-3開始以吸收壓縮能為主，能量緩慢下降并趨于穩(wěn)定發(fā)展。在荷載后期，Lys-3內(nèi)部裂隙大量發(fā)育且貫穿，釋放大量能量，為“活躍期Ⅱ”。

Sy-1的累積能量曲線呈直線緩慢上升趨勢，Shy-3在“活躍期”和Lys-3“活躍期Ⅱ”累積能量曲線出現(xiàn)多次臺階式增長的特征，這與臨近峰值應(yīng)力前Shy-3出現(xiàn)表面小顆粒彈射和Lys-3出現(xiàn)小規(guī)模表面脫落相關(guān)。

為比較三種試樣在“活躍期”與“緩慢釋放期”階段內(nèi)釋放能量的差異性，以各階段峰值能率為依據(jù)，分析三種試樣所釋放的峰值能率，結(jié)果如表2所示。

表2 試樣各階段峰值能率Table 2 Peak energy rate at each stage of the sample

分析表 2可知，3種試樣在各階段內(nèi)峰值能率呈現(xiàn)較大不同，“緩慢釋放期”由大到小依次為：Shy-3>Sy-1>Lys-3；“活躍期Ⅱ(活躍期)”：Shy-3>Sy-1>Lys-3；在累積能量最大值方面：Shy-3>Sy-1>Lys-3，從此可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)越致密，越堅硬的巖石，在整個荷載過程中所釋放的能量也越大。

2.3 聲發(fā)射頻域參數(shù)分析

由于聲發(fā)射信號的多樣性和不確定性，單一地從時域方面很難反映信號的全部特點。而通過聲發(fā)射采集的波形信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換獲取的頻域參數(shù)能更加全面地反映出試樣內(nèi)部破裂的本質(zhì)信息[13]。

DS5聲發(fā)射采集系統(tǒng)為全波形采集，每個小波形文件由1 024個電壓值組成，通過對信號去噪處理后進(jìn)行快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)，得到與信號時間相對應(yīng)的頻率參數(shù)[14]，圖 5為主頻頻率、軸向應(yīng)力隨時間演化圖。

圖5 聲發(fā)射主頻、應(yīng)力隨時間演化特征Fig.5 AE requency, stress evolution characteristics over time

由圖5分析可知，Shy-3、Sy-1和Lys-3在進(jìn)行受載破壞全過程中，聲發(fā)射信號主頻值主要分布于0～250 kHz，按照頻率從低到高進(jìn)行排序，依次將主頻值分為低頻、中頻、高頻3個區(qū)間，分別對應(yīng)為0～75、75～125、125～250 kHz，下文不再贅述。Shy-3與Sy-1在低頻區(qū)間均存在2條貫穿頻帶(#1、#2)，而Lys-3僅存在1條貫穿頻帶(#1)，中頻區(qū)間僅Shy-3存在一條頻帶(#3)在高頻區(qū)間Shy-3存在2條(#4、#5)、Sy-1存在3條(#3、#4、#5)相對密集貫穿頻帶，Lys-3僅僅只有一條貫穿頻帶(#3)。3種試樣之間頻帶范圍各不相同，詳細(xì)內(nèi)容請如表3所示。

表3 試樣各頻帶范圍及頻帶占比Table 3 Sample of each frequency band range and frequency band accounted

試驗表明，聲發(fā)射信號主頻值的分布特征與時間應(yīng)力存在緊密聯(lián)系。聲發(fā)射高頻值所對應(yīng)試樣微裂紋與小孔隙的萌生和發(fā)展，低頻值所對應(yīng)大裂紋和孔隙的壓密過程[15]。以此通過主頻信號對試樣破裂過程進(jìn)行描述。由圖 5(a)與表 3得出，Shy-3試樣主頻頻帶跨度最小的為#5頻帶，16 kHz，跨度最大為#3頻帶，47 kHz。主頻信號主要集中于低頻區(qū)間(0～75 kHz)，占比92%。在第Ⅰ階段，隨著試樣在荷載作用下原生裂紋與孔隙壓密，所對應(yīng)的#1、#2低頻帶產(chǎn)生大量信號，由于新裂隙的萌生和發(fā)育極少，所對應(yīng)的#4、#5高頻帶只有少量信號；當(dāng)進(jìn)入Ⅱ階段，試樣原生裂縫壓密基本完成，低頻值信號趨于穩(wěn)定，而隨著荷載增加，試樣萌生新的裂紋，所對應(yīng)的高頻帶信號增多；從第Ⅲ階段開始，大約在臨近1 000 s時，Shy-3在中頻區(qū)間出現(xiàn)大量信號并逐漸形成#3主頻帶；且伴隨著新裂紋的萌生、裂紋的持續(xù)壓密以及大裂紋的出現(xiàn)，#1、#2、#4、#5頻帶也出現(xiàn)信號增多趨勢。這是因為Shy-3質(zhì)地較硬，強度較高，在受載中期時發(fā)生小規(guī)模碎石崩出而導(dǎo)致聲發(fā)射信號出現(xiàn)復(fù)雜離散化。

圖5(b)表 3與可知，Sy-1試樣主頻帶跨度范圍均為25 kHz，且主頻信號主要集中于高頻區(qū)間(125～250 kHz)，占比63%。Ⅰ階段，Sy-1以低頻信號為主，代表原生裂隙與孔隙壓密，而微裂紋的萌生所對應(yīng)的高頻區(qū)間只出現(xiàn)為數(shù)不多信號；第Ⅱ階段至Ⅴ階段，隨著內(nèi)部新裂縫的孕育與發(fā)展，Sy-1信號增多，頻帶分布廣且趨于復(fù)雜，說明破壞模式趨于復(fù)雜，相比而言，Shy-3破壞更加復(fù)雜。

由圖 5(c)與表 3可知，Lys-3試樣主頻帶跨度范圍除#3頻帶為50 kHz，其余均為25 kHz。主頻信號較為均勻，低頻區(qū)間(0～75 kHz)46%、高頻區(qū)間(125～250 kHz)54%。在Lys-3聲發(fā)射主頻信號特征，與其他兩種試樣有較大的不同，在最初的Ⅰ階段，Lys-3同時出現(xiàn)了低頻(#1)、高頻(#3)兩條頻帶，且觀察整個荷載過程，上述2條頻帶始終出現(xiàn)，這是因為Lys-3屬于人工制作而成，故存在大量的微小孔隙、裂縫，且質(zhì)地較軟，導(dǎo)致原生裂縫壓密和新生裂隙萌生同時進(jìn)行，由此推斷出Lys-3的破裂是由內(nèi)部孔隙、大裂紋的壓密膨脹與新裂縫的產(chǎn)生共同影響。

3 結(jié)論

通過對三種試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗與聲發(fā)射試驗研究發(fā)現(xiàn)，類巖石與巖石在荷載過程中力學(xué)與聲發(fā)射特性呈現(xiàn)出不同，且砂巖與石灰?guī)r在荷載過程中聲發(fā)射特性也有所區(qū)別。

(1)單軸抗壓強度為石灰?guī)r>砂巖>類巖石。在達(dá)到峰值應(yīng)力后，石灰?guī)r和砂巖瞬間破壞，而類巖石則保持一定殘余強度，前者為脆性破壞，后者為塑性破壞。

(2)石灰?guī)r總體事件率偏低，但在臨近破壞前出現(xiàn)事件率突增現(xiàn)象；砂巖整體呈現(xiàn)為前期事件率低后期事件率高的“指數(shù)”型；類巖石事件率表現(xiàn)為荷載前期產(chǎn)生大量聲發(fā)射事件，伴隨進(jìn)入中期階段，事件率下降并趨于穩(wěn)定，臨近峰值應(yīng)力前事件率緩慢上升，變化趨勢類似“U”形。巖石在到達(dá)峰值應(yīng)力前出現(xiàn)低事件率的缺失現(xiàn)象，類巖石不明顯。

(3)聲發(fā)射能率演化特征方面，僅類巖石存在兩個“活躍期(Ⅰ、Ⅱ)”與“緩慢釋放期”，其他試樣只存在“緩慢釋放期”“活躍期”。石灰?guī)r與類巖石在臨近破壞前出現(xiàn)相似能率跳躍式增長特征。

(4)聲發(fā)射頻域方面，巖石Ⅰ階段以低頻信號為主，為巖石原生裂隙與孔隙壓密。Ⅱ階段以后，信號增多，頻帶分布廣且趨于復(fù)雜，說明巖石破壞形式趨于復(fù)雜，相比而言，石灰?guī)r破壞更為復(fù)雜。類巖石在整個荷載階段，出現(xiàn)高、低頻信號共存，證實類巖石破裂由原生裂隙壓密與新生裂隙共同影響。