單軸壓縮下頁巖的聲發射特征研究

陳鈺婷，盧義玉，湯積仁，王相成

（1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶　400044；2.重慶大學復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室，重慶　400044）

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單軸壓縮下頁巖的聲發射特征研究

陳鈺婷1，2，盧義玉1，2，湯積仁1，2，王相成1，2

（1.重慶大學煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶400044；2.重慶大學復雜煤氣層瓦斯抽采國家地方聯合工程實驗室，重慶400044）

摘要：隨著社會對能源需求的日益增長，頁巖氣作為一種新型清潔能源受到全球熱點關注。本文以四川盆地龍馬溪組頁巖為研究對象，通過對頁巖進行了單軸壓縮條件下聲發射試驗，并使用MATLAB對頁巖的累積能量進行統計分析，研究了頁巖的力學特性和聲發射特征。研究結果表明：（1）通過單軸壓縮試驗，得到的頁巖峰值強度在125.34MPa～147.80MPa，彈性模量在4.09 GPa～6.73 GPa。（2）單軸壓縮下，頁巖的聲發射計數、累計能量與其應力之間具有良好的關聯性。（3）頁巖的聲發射能量分布服從冪減定律p（E）～E－γ，γ的分布主要集中在0.5附近。

關鍵詞：巖石力學；頁巖；力學特性；聲發射

近年來，頁巖氣藏作為一種被認為可以代替常規天然氣的新能源受到了全球的熱點關注。了解天然巖石材料在壓縮下的破壞對于預測例如礦井、建筑等結構的垮塌失穩具有重要意義。在很大的尺度上，甚至地震也可以被視為地殼受壓縮應力導致的破裂行為。認識這類相關失穩機理和發現對于防治礦井事故的材料結構準則是重要的。而由于聲發射技術能夠被用來研究巖石材料的裂紋發展和破壞過程，其在巖石破壞機制的研究中受到很大程度的認可［1］。所以，開展單軸壓縮下頁巖的聲發射特性研究具有重要意義。

目前，國內外學者在頁巖力學特性方面已獲得了一定研究成果：彭光忠［2］對頁巖進行單軸壓縮試驗，試驗結果表明頁巖的強度極限值隨著結構面夾角增加而變小；刁海燕［3］通過試驗研究得出泥頁巖的抗壓強度隨著圍壓的增大而增大，同時也隨著楊氏模量減小而減小；而關于巖石破壞過程的聲發射特征特性的試驗也有學者進行了一些研究，并獲得了一定研究成果：姚強嶺等［1］通過單軸壓縮條件下的聲發射試驗，分析了干燥和含水條件下的砂巖聲發射特征的區別。Ganne等［4］通過對破壞前的巖石進行了聲發射試驗，分析得出了巖石破壞前其累積聲發射能量的4個階段。

可見，關于頁巖力學特性的研究多采用傳統試驗手段和數據分析方法，而鮮有關于頁巖的力學特性方面用聲發射手段并進行統計分析的研究。近年來，臨界科學研究表明［5］巖石的破裂行為具有臨界性。在所有這些外部作用情況下，突然改變的響應物理量被稱為雪崩事件。在一些情況下，這些突然改變的響應物理量又被稱為斷裂噪音［6，7］。這里的斷裂噪音并不是斷裂發出的聲音，而是指滿足一定條件的上述響應物理量，即要求響應物理量的大小應該分布在較寬泛的數量級上。聲發射中的絕對能量正是一種破裂噪音，首先聲發射是一種雪崩事件，是材料受到外部力場作用做出的突然改變的響應物理量，其次標準試驗試件的聲發射絕對能量大小分布跨越6～7個寬泛的數量級，滿足破裂噪音的定義。因此可以采用雪崩動力學和破裂噪音技術方法對巖石失穩破壞中的聲發射現象進行分析，進而了解巖石破裂的非平衡過程。破斷噪音分析是一種臨界狀態分析，在臨界狀態下系統的響應受到臨界指數r的表征。并且臨界指數具有一定程度的普遍性，這其中的理論證明可以由重整化群理論得知，重整化群計算顯示，在很長的標度下相似系統流向了相同的不動點［8］。可見獲得高精度的臨界指數r是極其重要的。因此，本文通過對頁巖在單軸壓縮下所進行的聲發射測試，研究了單軸壓縮下頁巖的力學特性和聲發射特征。

1　試驗概況

1.1試樣的采集與制備

試驗所用巖樣為取自四川盆地的志留系龍馬溪組頁巖，作為富含有機質的烴源巖，其能較好地代表南方龍馬溪組頁巖氣儲層特征［9］。通過X衍射測試的全巖分析得出其礦物組分，結果（見表1）。

表1　試件礦物組分Tab.1 Specimen mineraogical

本次試驗試樣均取自同一巖塊，以減小試樣之間的個體差異，取心方向為與層理面方向夾角呈90°方向，試樣加工嚴格按照國際巖石力學試驗規程的要求進行，保證試樣兩端光滑、平行（平行度小于0.01 mm）且與中軸垂直（角度偏差不大于0.05°），試樣尺寸為Φ25 mm×50 mm。巖樣呈黑褐色，層理明顯。

1.2試驗設備

試驗設備主要包括頁巖加載系統和聲發射數據采集系統。其中，頁巖加載系統所采用的設備為島津試驗機；聲發射數據采集系統采用設備為美國物理聲學公司生產的聲發射監測儀，本次聲發射檢測設置的采集頻率為20 kHz～400 kHz，間隔時間為10s，門檻值為45 dB，系統參數（見表2）。為保證實驗效果，實驗采用2個探頭進行檢測，前放增益為40 dB，與前置放大器一致，每一通道對應一個獨立的前置放大器和傳感器，其參數（見表3）。

表2　DISP聲發射系統參數Tab.2 The parameters of DISP acoustic emission system

表3　傳感器參數Tab.3 The parameters of sensor

1.3試驗方法

本文單軸壓縮試驗，在室溫條件進行，以0.1 mm/min的加載速度施加荷載，直到試樣破壞為止，試驗中同時監測全過程的聲發射信號，并同步結束加載和聲發射信號的檢測，最后記錄數據及觀察試件。具體試驗步驟如下：

（1）連接探頭和聲發射檢測儀器，選擇硬件參數設置，將設置文本框中的通道與此次測試的傳感器相對應，并選擇絕對能量等需要測試的參數，具體參數設置參照表2。

（2）選擇數據采集，檢測各個聲發射探頭與對應的通道是否暢通。

（3）確定聲發射探頭數據采集無誤，再把打磨好的試件平穩放在加載臺上，將聲發射探頭的檢測面抹上黃油并緊貼在試件表面，并用橡皮筋固定。

（4）再次選擇數據采集，輕輕敲擊頁巖試件，觀察顯示器上各個通道的數據采集情況，以此來檢驗探頭和試件的黏合效果。若信號采集效果不好，檢查連接情況并重復前面的步驟，直至所有通道全部正常工作。

（5）保證信號采集無誤后，同步啟動島津與聲發射檢測儀器，直至試件破裂。

2　試驗結果及分析

2.1頁巖的強度及變形特征

2.1.1強度變化分析不同試件的頁巖峰值強度對比圖（見圖1），由圖1可以看出：頁巖單軸抗壓峰值強度在125.34MPa～147.80MPa范圍內，平均值為136.00MPa。

圖1　頁巖的峰值強度對比圖Fig.1 Comparison of peak strength of shale

2.1.2變形特征變化分析不同試件的頁巖彈性模量對比圖（見圖2），由圖2可知：頁巖彈性模量在4.09 GPa～6.73 GPa范圍內，平均值為5.74 GPa。

圖2　頁巖的彈性模量對比圖Fig.2 Comparison of elastic modulus of shale

2.2超臨界二氧化碳作用下頁巖的聲發射特征

由于試件內部結構的不同，其聲發射特征參數會隨之存在差異，而通常使用的聲發射特征參數有：幅度、聲發射計數、時間差、聲發射能量等。

頁巖在單軸壓縮下的應力-應變與聲發射計數的關系曲線（見圖3）。頁巖的聲發射特征可以分為以下4個階段：（1）初始壓密階段，加載初期只有十分少的聲發射信號產生；（2）彈性變形階段，聲發射信號開始產生，并緩慢上升；（3）裂紋穩定發展階段，聲發射信號增長的幅度加大；（4）裂紋不穩定發展至破壞階段，聲發射信號急劇上升，隨著裂紋的繼續擴展，直至頁巖試件失穩破壞。由圖3可看出：頁巖的應力值與聲發射計數之間存在良好的相關性，它們同一時間達到最大值。

圖3　頁巖的應力-聲發射計數關系曲線Fig.3 Corresponding relation of AE counts with variation of stresses

頁巖在單軸壓縮下的應力-應變與累計能量的典型關系曲線（見圖4），幾個頁巖試件的累計能量發展規律類似。從圖4可以看出：頁巖的累計能量與應力值之間同樣具有較好的關聯性。另外，相較于應力-應變曲線，從頁巖聲發射的累計能量曲線上能更直觀地觀察到裂紋的發展歷程，當累計能量開始出現增長時意味著試件內部的裂紋開始萌生，而后裂紋進入穩定發展階段，當累計能量出現急劇增大的趨勢時，裂紋開始不穩定發展，內部裂紋的貫通，預示著試件的破裂。

圖4　頁巖的應力-累計能量關系曲線Fig.4 Corresponding relation of AE energy with variation of stresses

通過MATLAB軟件處理頁巖的聲發射絕對能量的數據，獲得頁巖的聲發射能量概率密度分布情況。采用對數坐標畫圖（見圖5）。

圖5　能量概率密度分布圖Fig.5 The plot of Energy probability density distribution

在大量尺寸不一且跨越多個數量級的聲發射事件能量信號中，每一個聲發射能量樣本值｛Xi｝都是獨立的。根據Saljea E K.H.等學者研究表明［10］，脆性材料斷裂破壞的能量規律滿足冪衰減定律。由圖5可以看出：（1）整個過程的能量分布符合線性關系，說明頁巖的聲發射能量分布服從冪函數p（E）～E－γ；（2）頁巖的絕對能量值跨越多個數量級，其概率密度貫穿整條冪函數曲線，利用函數能夠獲得很好擬合效果（R=0.991 5），各個頁巖試件擬合所得γ的分布較穩定，主要集中在0.5附近，表明不同頁巖試件的聲發射能量分布規律具有很強的一致性。

3　結論

（1）通過單軸壓縮試驗，得到的頁巖峰值強度在125.34MPa～147.80MPa，平均值為136.00MPa；彈性模量在4.09 GPa～6.73 GPa，平均值為5.74 GPa。

（2）單軸壓縮下，頁巖的聲發射活動主要包括以下各階段：初始壓密階段、彈性變形階段、裂紋穩定發展階段以及裂紋不穩定發展至破裂階段。

（3）單軸壓縮下，頁巖的聲發射計數、累計能量與其應力之間具有良好的關聯性。

（4）頁巖的聲發射能量分布服從冪減定律p（E）～E－γ，使用方程y＝aE－γ能夠獲得很好擬合效果，γ的分布主要集中在0.5附近。

參考文獻：

［1］姚強嶺，李學華，何利輝，周健.單軸壓縮下含水砂巖強度損傷及聲發射特征［J］.采礦與安全工程學報，2013，30（5）：717-722.

［2］彭光忠.單軸壓應力下頁巖巖塊的結構面方向與其力學特性的關系［J］.巖土工程學報，1983，（2）：101-109.

［3］刁海燕.泥頁巖儲層巖石力學特性及脆性評價［J］.巖石學報，2013，（9）：3300-3306.

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［10］Saljea E K.H. Daniel Enrique Soto- Parrab.Failure mechanism in porous materials under compression∶crackling noise in mesoporous SiO2［J］.Philosophical Magazine Letters，2011，91（8）：554-560.

Experimental study on the AE characteristics of the shale under uniaxial compression

CHEN Yuting1，2，LU Yiyu1，2，TANG Jiren1，2，WANG Xiangcheng1，2
（1.Coal Mine Disaster Dynamics and Control State Key Lab，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2.State and Local Joint Engineering Laboratory of Mining Complex Coal Seam Gas Pumping，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract:To study the AE characteristics of the shale，the acoustic emission（AE）test under uniaxial compression were conducted for the silurian shale from Sichuan basin Longmaxi. The results showed that，（1）by uniaxial compression test，the peak strength of shale is 125.34MPa～147.80MPa，the elastic modulus is between 4.09 GPa～6.73 GPa.（2）Under uniaxial compression，the acoustic emission count，cumulative energy and the stress of shale have good correlation.（3）The shale AE energy distribution conforms to the power law distribution，namely，P（E）～E-γ，γ mainly concentrated in 0.5.

Key words：rock mechanics；shale；mechanical properties；acoustic emission

中圖分類號：TE132.2

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5285（2016）06-0061-04

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.06.015

*收稿日期：2016-05-07修回日期：2016-05-13

作者簡介：陳鈺婷，女（1989-），碩士研究生，郵箱：cyt0027@163.com。