紅慶河煤礦弱膠結砂巖單軸加載條件下聲發射特征研究

紀洪廣 陳 波 孫利輝 宋朝陽 郭玉超 賈懷曉

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.內蒙古伊泰廣聯煤化有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

紅慶河煤礦弱膠結砂巖單軸加載條件下聲發射特征研究

紀洪廣1,2陳 波1,2孫利輝1,2宋朝陽1,2郭玉超1,2賈懷曉3

(1.北京科技大學土木與環境工程學院，北京 100083；2.金屬礦山高效開采與安全教育部重點實驗室，北京 100083；3.內蒙古伊泰廣聯煤化有限責任公司，內蒙古 鄂爾多斯 017000)

對紅慶河煤礦弱膠結砂巖在單軸加載條件下破壞過程中的聲發射特征進行研究，根據試驗過程中所采集的力學參數和聲發射信號參數,得到了全過程應力-應變、應力-時間-累計計數率、應力-時間-絕對能量率以及峰值前、后的應力-應變-累計計數率、應力-時間-絕對能量率曲線。據所得應力-應變曲線將該類砂巖破壞分為2種形式：一種為傳統4階段巖石破壞形式，另一種為5階段破壞形式。5階段破壞模式在應變軟化階段后出現了應力不變,應變繼續增大的膠結延性階段。對比2種破壞模式的聲發射特征，峰值后的聲發射現象較峰值前的均有量級的變化,抗壓強度相近時，彈性模量小的試樣產生更多的聲發射現象，但產生的絕對能量屬于同一量級。累計計數率能夠作為判斷試樣是否發生完全破壞的參數。

弱膠結砂巖 單軸加載 聲發射 破壞模式 膠結延性階段

1 研究現狀

隨著國家戰略資源往西部地區的轉移,由該地區特有的沉積環境而形成的具有特殊巖性(常具有典型的弱膠結、易風化、塑性變形大、各向異性強、強度低等力學特性)的巖石也將逐步成為科研工作者研究的重點[1]。對于砂巖的研究,國內外學者做了大量的工作,主要分為以下幾類：

(1)水對砂巖的影響。文獻[2-5]研究了不同加載條件下砂巖在干濕循環加載過程中的強度特征，指出在干濕循環的過程中，砂巖的強度均有不同程度的降低。文獻[6]研究了三軸加載條件下飽水度對砂巖力學特性的影響，指出砂巖模量隨圍壓增加而增加，且二者近似成直線關系，砂巖模量與強度隨飽水度增加而降低。

(3)溫度對砂巖的影響。文獻 [9]研究了負溫條件 下紅砂巖強度特性及變形規律，指出在凍結條件下紅砂巖軸向抗壓強度與圍壓、彈性模量與圍壓均呈線性關系，巖石破壞形式與圍壓大小相關。文獻[10]研究了高溫后節理砂巖強度及變形破壞特性，節理砂巖的峰值和彈性模量在400 ℃內先降低后升高，超過400 ℃后降低，節理砂巖經歷高溫后，巖石的破壞模式由脆性破壞向延性破壞轉變。

材料受外力或內力作用產生變形或斷裂,以彈性波形式釋放出應力-應變的現象稱為聲發射[11]。巖石作為一種材料,對于其在加載破壞過程中的檢測一直是個研究重點,而聲發射作為一種無損檢測被廣泛應用于廣大科研工作者的實踐中。紀洪廣、王宏偉等[12]研究了花崗巖在單軸受壓條件下的聲發射信號,分析了不同階段的聲發射信號頻率特性,發現聲發射信號優勢頻率主要集中在巖石破裂前塑形破壞和主破裂階段。汪泓、楊天鴻等[13]研究了以陜西小紀汗煤礦砂巖為例的弱膠結砂巖在單軸壓縮下的聲發射特征及破壞形式,將該煤礦砂巖的聲發射特征曲線歸納為崩裂型和破裂型2種。試件破壞形式可分為X型共軛破壞和單斜面剪切破壞2種。前者對應崩裂型曲線,試件強度較大;后者對應破裂型曲線,試件強度較小。李術才、許新驥等[14]研究了砂巖在單軸壓縮條件下破壞全過程電阻率與聲發射響應特征及損傷演化,發現電阻率和聲發射的響應信息有很強的規律性和互補性,同時推導出基于電阻率表征的巖樣損傷變量的解析表達，并提出巖樣損傷破壞狀態的判別標準和破壞前兆特征。

由此可見聲發射應用于巖石破壞過程中的檢測已有很強的實用性和更寬廣的應用空間。

2 試 驗

2.1 試驗裝置

本試驗采用的是長春市朝陽儀器有限GAW-2000型微機控制電液伺服剛性試驗機；采用西德300 kN壓力傳感器和日本進口7V07程序控制記錄儀進行數據記錄；采用沈陽計算機技術研究所生產的AE21C聲發射檢測儀。GAW-2000型微機控制電液伺服剛性試驗機可以通過控制位移和荷載2種加載方式對試樣進行加載,本試驗采用的加載方式為控制位移的加載方式,加載速率為6 mm/min。本試驗聲發射采用了單通道采集的方式,采用15γ探頭,設置門檻值為30 dB。

2.2 試件采樣與制備

本試驗采用試樣為內蒙古鄂爾多斯東勝煤田乃馬岱井田紅慶河煤礦-390 m處砂巖試樣。根據相關鉆孔資料和地質報告，該處砂巖的地層年代屬于白堊系下統志丹群伊金霍洛組。巖性為深紫色、灰紫色,成分以石英、長石為主，暗色巖屑,夾薄層細砂巖，泥質膠結。

按照國際巖石力學試驗建議的IRTM方法將試件打磨成φ50 mm×100 mm的標準試件。同時采用凡士林作為聲發射探頭與巖石試件的耦合劑,以減少人為和外界對加載過程中聲發射采集的影響，使試件和傳感器之間構建一個良好的聲波傳播路徑。

曾經的我為自己是一名光榮的人民教師而驕傲自豪，曾經的我站在講臺上是那樣從容與自信，曾經的我懷著一顆熾熱的心去對待每一名學生，曾經的我對教書懷有一種激情、一種熱愛、一份耐心，曾經的我相信自己能成為學生喜愛的好老師。

3 試驗結果與分析

3.1 強度特征結果分析

本試驗采用3組10塊砂巖試件進行了單軸加載條件下的聲發射試驗。對采集到的力學參數、聲發射信號參數進行了分析。主要的力學參數見表1。

表1 主要力學參數

根據試驗數據做出各個試樣的全過程應力-應變曲線如圖1和圖2，發現在試驗的全過程中該類砂巖的強度與其他砂巖單軸抗壓強度相比普遍偏低[9-10,15-17],天然狀態下的單軸抗壓強度最大值為15.40 MPa,最小值為8.36 MPa,均值為12.84 MPa。根據規范[18]中軟巖的定義,該類巖石屬于軟巖。

圖1 以s3為代表的應力-應變曲線

圖2 以s4為代表的應力-應變曲線

根據全過程的應力應變曲線將該類砂巖的破壞模式分為2種：一種是以s3、s2、s5、s6、s7為代表的5階段破壞模式如圖3；一種是以s4、s1、s9、s10、s11為代表的4階段破壞模式如圖4。由圖3，5階段的破壞模式分成孔隙壓密階段(OA段)、彈性變形—微破裂穩定發展階段(ABC段)、非穩定破裂發展階段(CD段)、應變軟化階段(DE段)、膠結延性階段(EF段)。由圖4，4階段的破壞模式分為孔隙壓密階段(OA段)、彈性變形—微破裂穩定發展階段(ABC段)、非穩定破裂發展階段(CD段)、應變軟化階段(DE段)[19]。為此本研究單獨選出試樣s3、s4的聲發射數據加以分析。

圖3 5階段破壞模式全過程應力-應變圖

3.2 聲發射分析3.2.1 5階段破壞模式的聲發射特征分析

根據試驗采集數據分別做出s3試樣的應力-時間-累計計數率曲線圖、應力-時間-絕對能量率曲線、峰值前后的應力-時間-累計計數率曲線、峰值前

圖4 4階段破壞模式全過程應力-應變圖

后的應力-時間-絕對能量率曲線如圖5～圖10所示。發現在加載初期，由于試件內部顆粒之間存在著孔隙和膠結力，且試件的強度值較低，顆粒之間的孔隙開始減小，顆粒之間的原始狀態開始被打破，在這“打破”的過程中，產生了較多的聲發射現象，累計計數率出現了一個4.04×104的突變值(圖7)。隨著顆粒孔隙的壓實，顆粒之間開始共同承載，在到達峰值前的加載過程中產生較為穩定的累計計數率，數量級在102～103內。在峰值后的應變軟化階段，當應力由峰值降到A點，累計計數率開始呈現上升趨勢,即對應A′點(如圖8)，在到達膠結延性階段前達到最大值9.41×103，在此階段內，試樣雖然已經達到了最大抗壓強度值，但隨著加載的繼續，試樣并不立即破壞，其內部仍存在顆粒之間的膠結力、摩擦力和分子力。應變繼續增加，應力減小，試樣內部之間的損傷更多，反映在聲發射參數特征上為產生更多的累計計數率。在圖8中AB階段，巖石試樣本應在應變軟化階段后破壞,而在此階段由于該砂巖屬于易風化、易水解、弱膠結、強度低的弱膠結砂巖,故呈現出應變繼續增長而應力不變的現象,而且該階段內的累計計數率較大且均勻分布，數量級為103～104。臨近破壞點B點時,累計計數率有個1.34×105的突變值，與其前后的值不屬于同一量級。該類巖石在峰值后繼續加載時，應力快速下降到一定程度后由于顆粒之間的摩擦,以及該類砂巖顆粒組成成分所存在的特殊性,又形成了顆粒之間短暫的弱膠結狀態,應變繼續增加，應力不變,一直伴隨著較多的聲發射事件數(量級為104～105)。隨著荷載的增加,在達到破壞這種短暫弱膠結狀態的極限之前,累計計數率有緩慢上升的趨勢，在達到破壞點B時，發生值的突變。試件破壞后，聲發射的累計計數率開始急劇減少。可以將累計計數率作為判斷試樣破壞的前兆參數。從絕對能量率上看，試樣在初始加載時，與累計計數率同步產生一個突變值，且突變值較峰值前的其他突變值較大，數值為1.31×106(圖9)。由孔隙壓密階段到彈性變形—微破裂穩定發展階段和由非穩定破裂發展階段到應變軟化階段過程中，絕對能量率均有突變，突變值的量級為105，絕大部分數值的量級為101～103。對于峰值后的膠結延性段，絕對能量率的量級集中在103～105，試件破壞時無征兆地產生了值為7.42×107的突變(圖10)。在絕對能量率上，試樣總體表現平穩，破壞時產生突變，在此不能作為一個預判試件破壞的前兆參數。

圖5 s3應力-時間-累計計數率圖

圖6 s3應力-時間-絕對能量率圖

圖7 s3峰值前應力-時間-累計計數率圖

圖8 s3峰值后應力-時間-累計計數率圖

圖9 s3峰值前應力-時間-絕對能量率圖

圖10 s3峰值前應力-時間-絕對能量率圖

3.2.2 4階段破壞模式的聲發射分析

根據試驗采集數據分別做出s4試樣的應力-時間-累計計數率曲線圖、應力-時間-絕對能量率曲線、峰值后的應力-時間-累計計數率曲線、峰值后的應力-時間-絕對能量圖，如圖11～圖14。

圖11 s4應力-時間-累計計數率圖

圖12 s4應力-時間-絕對能量率圖

圖13 s4峰值后應力-時間-累計計數率

圖14 s4峰值后應力-時間-絕對能量率圖

以s4為代表的試樣具有典型的巖石力學破壞特征。加載初期，由于試件強度較低，在較小的壓力下就會產生很強的聲發射現象，產生了3.87×103的突變值(圖11)，隨著孔隙壓密，顆粒間開始共同承載后，累計計數率在峰值前的曲線近似為一條直線，數量級為101～102。在峰值階段和峰后的應變軟化階段內,隨著加載的繼續，試樣內部產生較多損傷，聲發射現象較峰前有量級的增強，累計計數率近似為緩慢增長的曲線，數量級為102～103。試樣完全破壞前，累計計數率有個短暫的快速增長期，破壞時產生了突變值6.49×104(圖13)，可以作為試樣完全破壞的前兆參數。絕對能量率在加載初期，與累計計數率同步產生了量級的突變，突變值為1.83×104(圖12)，在全程曲線上基本成一條直線(除試樣破壞點的急劇突變階段)，絕對能量率在峰值前的數量級為101～103，峰值后的數量級為103～105，完全破壞時，試樣產生突變值9.67×107(圖14)。較之前期的數值，破壞時產生的能率突變的量級遠大于其他值，且在峰值階段和應變軟化階段，能量計數率在突變之前沒有明顯的征兆，在此不能用作試樣完全破壞的前兆。

3.2.3 4階段與5階段聲發射特征對比

4階段和5階段破壞模式中聲發射的累計計數率在峰后的數量級和突變值在量級上為峰值前的10倍，絕對能量率在峰后的數量級為峰值后的100倍。說明在峰后階段，試件在發生損傷的基礎上，承受較大荷載時較峰前產生更多的聲發射現象。其中5階段的破壞模式中累計計數率和突變值的量級為4階段破壞模式的10倍，絕對能量率的量級二者一樣。在所選的2種模式的代表中，s3的彈性模量較s4的彈性模量要低，但強度二者相差不大(表1)，說明強度相近時，在試樣的壓縮破壞過程中所產生的絕對能量二者差別不大，破壞時的突變值也屬于同一量級；彈性模量較低者在受力時產生更多的撞擊數，且5階段中膠結延性段的累計計數率能夠更好地預測試樣是否快要破壞。

4 結 論

(1)紅慶河煤礦弱膠結砂巖在單軸加載試驗中，根據全程應力-應變曲線分成了傳統的5階段破壞模式和4階段破壞模式。5階段破壞模式下的膠結延性階段累計計數率曲線較4階段軟化階段能更好地預測試樣是否快要破壞。

(2)由于該類巖石的強度低、弱膠結的特點,在單軸加載條件下,形成了不同于傳統砂巖的破壞形式。在峰值應力過后，應力降低到一定程度時仍然具有一定承載力并且能夠承載一段時間,而不是立即破壞。峰后的累計計數率和絕對能量率較之峰前的均有量級的變化。強度相近的巖石其絕對能量也相近，彈性模量較低者，更容易產生聲發射現象。

(3)運用聲發射累計計數率可以判斷該類砂巖是否快要達到極限強度,在即將破壞之時,聲發射檢測到的事件數急聚增多而在某一時刻發生突變,試樣破壞。

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(責任編輯 石海林)

Research on the Acoustic Emission of Weakly Consolidated Sandstoneunder Uniaxial Compression in Hongqinghe Coal Mine

Ji Hongguang1,2Chen Bo1,2Sun Lihui1,2Song Zhaoyang1,2Guo Yuchao1,2Jia Huaixiao3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalengineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryforHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMinesofMinistryofEducation，Beijing100083，China;3.InnerMongoliaGuanglianYitaiCoalLimitedLiabilityCompany，Erdos017000，China)

By means of investigation on acoustic characteristics during the failure process of weakly consolidated sandstone under uniaxial compression in Hongqinghe coal mine，and according to the mechanical parameters and acoustic emission signal collected from the tests，the curves of stress-strain，stress-time-cumulative count rate，stress-time-absolute energy rate，and the stress-strain-the cumulative count rate，stress-time-absolute energy rate before and after the peak value are drawn.According to the stress-strain curves，the rock failure is divided into two types：one is the traditional four stages of rock failure mode；the other is the five stages of failure modes.The ductility stage with stable stress and increasing strain appears at five-stage failure mode after the strain softens.Compared with the acoustic emission characteristics between the two failure modes，the acoustic emission changes a lot after the peak.Under the same compressive strength，samples with less elastic modulus produce more acoustic emission phenomena，but its absolute energy produced are the same.Cumulative count rate can be used to judge whether the samples are completely destructed.

Weakly consolidated sandstone，Uniaxial loading，Acoustic emission，Destruction form，Cementation ductile phase

2015-06-04

紀洪廣(1963—),男，教授，博士,博士研究生導師。

TD315

A

1001-1250(2015)-10-056-06