不同耦合狀態下破碎礦體的波速影響因素研究

陸 華，馬肖彤，馬占武，何妍亭

（北方民族大學土木工程學院，寧夏 銀川 750021）

破碎礦體不是單一連續的介質，在不同礦體中存在著孔隙、裂隙、氣體及液體等，因此在實際工程中，應將礦石作為耦合體進行研究，大量存在于破碎礦體中的液飽和礦石為地質礦物中的一種主要耦合形式的礦體，必須考慮液體對礦石的物理參數和彈性波特性的影響。國內外眾多學者對礦體波速的影響關系進行了研究。

Tosaya等[1]就以不同孔隙率和黏土含量的破碎礦物樣品為研究對象，研究了縱波波速與其的相互關系。Khaksar等[2]研究了礦體的橫波、縱波速度與孔隙度之間的相關關系。劉新榮等人[3]對總結了前人研究成果，得到了含水率與礦石強度之間的關系，無論是抗壓強度還是抗拉強度均與含水率呈負相關關系。還有學者研究得到有些礦石的強度與實驗條件相關，如在物理變化條件下礦石的強度一般可以恢復，而在化學過程中時礦石的強度的一般是不可逆的[3-6]。張玲[7]等研究了泥巖孔隙度與縱橫波速度等參數的變化規律。一些學者開展了礦藏工程方面的地質力學問題研究[8-12]，取得了一些成果。

因此本文利用RSM-SY5超聲波測試儀對耦合前后的破碎礦體進行聲波測試，探討不同耦合狀態（氣固、水固）下的礦體的聲波影響因素，為在井下能源開采、可燃氣體抽放等工程領域提供一定的參考依據。

1 地質礦物試樣的選取和制作

本次試驗采用孔隙率較大的破碎礦物，礦物樣本取自某開挖工程的施工現場，由于礦石自身的離散型，我們對大塊紅破碎礦體樣本后，用取芯鉆機在外觀較相對完整均質的地方取芯，直徑50mm，經切割、端面打磨制成長度L=100mm，直徑的標準試件，根據實驗規定[13]測定礦物樣品的孔隙率，考慮到礦石自身的離散型較大，因此我們將外形完整，孔隙率相近的礦石作為一組進行耦合試樣的制作，分別制成氣固體礦石、流固體礦石，并在加工前測試試件的縱波波速。為得到較為準確的飽水狀態下的砂巖試件，我們對礦石進行了反復的飽水和曬干實驗，直至前后重量差不超過0.05g為止，流固耦合加工方法與水固相同，只是耦合介質為流體，由于流固礦石達到飽和狀態的時間比水飽和狀態要長，約需一個月，為了保證礦石的飽和狀態，在試件加工完成后，我們將樣品浸泡在耦合介質中直至進行SHPB撞擊試驗的時候。

2 實驗方法簡介

采用RSM-SY5超聲波測試儀，對耦合破碎礦體進行聲波測試，其工作原理為用人工測試手段從礦物結構及多孔礦物介質中激發限制頻率的彈性波，彈性波呈現出的波形信號通過礦物介質傳播，超聲波測試儀將進行測試，將得出測試結果進行記錄，分析破碎礦體超聲速度、損傷情況、破壞程度之間的關系，進而確定礦體的動態損傷程度。

3 破碎礦體波速影響因素分析研究

3.1 孔隙率（礦物密度）對縱波波速的影響研究

本文對氣固狀態下不同孔隙率和密度的紅砂巖進行了超聲波檢測，部分試件結果如下：

圖1和圖2分別為孔隙率和密度與波速的關系圖。

圖1 孔隙率與波速關系圖

圖2 密度與波速關系圖

從破碎礦體孔隙率與波速關系圖可以看出，破碎礦體的縱波速度主要受孔隙率的影響，孔隙率增大聲波波速值增加，呈正比例關系，但從圖1中我們可以發現零星的離散點，導致這一情況發生的根本原因為所測試的破碎礦體樣本的內部存在大的裂隙，文獻14通過實驗分析得出破碎礦體內部受風化情況與裂隙程度有一定關聯，受孔隙率的影響較少，礦物密度與縱波波速呈正比例關系，從圖1可以分析出，孔隙率大于百分之九時，縱波波速出現下降趨勢。

從密度與波速關系圖可以看出，礦物密度與縱波波速呈正相關性。

從圖2可以得出，礦石密度越大，縱波波速越高，當礦石密度小于1.85g/cm3時，破碎礦體的縱波波速呈集聚下降趨勢，測試的礦物樣品孔隙率達到百分之八以上，當礦石密度超過1.85g/cm3時，破碎礦體的縱波波速趨于平緩，從實驗結果分析得出大孔隙破碎礦物的孔隙超出極限值時，破碎礦體的縱波波速受孔隙、裂隙的影響較大，破碎礦內部損傷嚴重。

3.2 耦合介質對礦石波速的影響研究

非均勻性是礦石主要特征，大量的細微裂隙與孔隙存在礦體之中，在工程施工中，耦合介質多賦存在礦層之中，多為多孔飽和的流體混合物。礦石在堆浸飽和狀態下，礦井水浸入微裂隙與孔隙中，破碎礦體的力學特征被改變。此次研究通過破碎礦體在不同介質環境下，超聲波波速的變化對比情況來分析礦物力學性質所受影響。礦石的超聲波波速比對可用下式計算：

式中VaP為氣固狀態下破碎礦體縱波波速，Vp為水或油耦合后破碎礦體試件的縱波速度。表1為不同孔隙率破碎礦體分別在不同飽和介質中的縱波波速。

表1 耦合前后破碎礦物縱波波速的對比

由上表可以看出，水對破碎礦體縱波波速的影響不是很大，部分試件波速稍有下降，但幅度不大，并且本次試驗中波速升降與孔隙率的變化無明顯的規律性。

而對于油固介質狀態的礦體，從試驗數據可以發現，油對試樣縱波波速的影響是比較大的，最大增幅為46.3%，平均增幅為33%。

出現這種情況主要與波的傳播有關，彈性波在礦體中傳播時，遇到裂隙，則視填充物而異。若裂隙中充填物為孔隙，則彈性波不能通過，而是繞過裂隙斷點傳播。在裂隙充水的情況下，彈性波有5%可以通過，若充填物為其他液體或固體物質，則彈性波可部分或完全通過。因此對于油固介質飽和的破碎礦體而言，彈性波基本處于連續傳播狀態，因此波速大于氣固和水固狀態下的礦體，并且隨著孔隙率的增大其增幅也呈增大的趨勢。

4 結論

利用超聲波儀對試件做了測試，研究了孔隙率和密度、耦合介質對破碎礦體試樣的影響分析，結果如下：

（1）孔隙率與縱波波速呈負相關關系，但是當孔隙率大于9%，波速下降較為明顯。同時縱波波速與密度呈正相關關系。

（2）油性介質的可壓縮性造成對礦體波速的影響遠大于水對礦體波速的影響，油固耦合紅砂巖的縱波波速與孔隙率基本呈正相關關系。