巖石三軸流變擾動效應損傷演化特征試驗研究

王 波，陸長亮，黃子康，胡仕宇

( 華北科技學院 安全工程學院，河北 三河 101601 )

由于淺部煤炭資源逐漸枯竭，導致許多礦井進入深部開挖，深部開挖致使圍巖應力逐漸增大，巖石進入高應力狀態，當巷道附近范圍內的圍巖接近巖石“強度極限鄰域”[1-2]時，巖石極易受外界擾動發生失穩破壞。針對這一工程現象，范慶忠[3]等提出了“巖石流變擾動效應”理論，并開展了相關理論及試驗研究，而研究的關鍵在于判斷巖石是否進入了“強度極限鄰域”。因此，從微觀損傷角度建立不同圍壓下巖石是否進入“強度極限鄰域”的判別標準，對于“巖石流變擾動效應”研究具有重要的理論價值。

諸多學者進行了巖石流變和微觀損傷演化研究，高延法[4]等利用自主研發的流變擾動試驗儀器，對巖石進行流變擾動試驗，得出不同階段擾動具有不同效應，并建立了流變本構方程；徐衛亞[5]等通過三軸壓縮流變試驗，研究了處于飽和的大理巖、綠片巖縱向與橫向變形之間的規律；秦躍平[6]等分析巖石不同階段的特性曲線及流變特性，得出了在特定條件下的損傷演化方程；于永江[7]等運用自主研發的流變試驗儀器，對不同含水率的軟巖進行流變擾動試驗，表明擾動能量造成巖石破壞速率與巖石的含水率有關，運用精確的算法得出了本構模型參數；崔希海[8]等通過單軸流變試驗，進一步確定了紅砂巖的長期強度變化范圍，得出縱向變形應力相比橫向變形應力更強；王波[9-11]等采用紅砂巖在自主研制的巖石流變擾動試驗儀器進行單、三軸流變擾動逐級加載試驗，分析巖石在單軸壓縮蠕變中，處于擾動敏感鄰域內外擾動效應規律，繪制擾動變形曲線，建立本構模型與巖石在不同圍壓下沖擊擾動在不同區域造成的破壞；萬玲[12]等分析巖石結構機理，引入各向異性微觀損傷張量，建立了流變損傷本構方程；王偉[13]等采用室內試驗，以Burgers模型等為基礎建立了流變3階段的本構模型，進行了參數識別驗證模型的合理性；胡振襄[14]等以紅砂巖為巖樣利用核磁共振技術分析紅砂巖在常規三軸卸荷下不同圍壓巖石內部損傷演化特性；張磊[15]等運用核磁共振技術分析了鄂爾多斯盆地頁巖的T2譜曲線與孔隙度分布范圍，得出頁巖內部的微觀結構變化。上述對巖石單、三軸壓縮流變試驗和巖石常規三軸卸荷試驗微觀損傷變化都有深入的研究，但對三軸流變微觀損傷試驗研究較少，尤其缺乏通過微觀損傷變化判斷巖石是否進入“強度極限鄰域”范圍。

針對以上不足，以紅砂巖為研究對象，以逐級加載方式進行不同圍壓下的常規三軸壓縮流變試驗，運用核磁共振技術對不同圍壓、軸壓下的巖石試件進行測量，得出巖石微觀下的T2譜曲線、孔隙結構變化特征以及核磁共振成像圖譜，并進行分析與對比，從微觀損傷角度建立不同圍壓下巖石是否進入“強度極限鄰域”的判別標準。

1 核磁共振與流變擾動試驗設備

1.1 巖石流變擾動三軸試驗系統與三軸圍壓系統

如圖1所示，RRTS-IV型巖石流變擾動效應試驗機采用杠桿原理，杠桿擴力比達100倍，額定載荷為50 kN，采用逐級加載方式。三軸壓力室采用RLSS-2煤巖流變擾動效應三軸滲流試驗裝置( 圖2 )，正負誤差0.1 MPa。

圖1 流變擾動試驗系統 Fig. 1 Flow disturbance experiment system

圖2 RLSS-2煤巖流變擾動效應三軸滲流試驗裝置 Fig. 2 RLSS-2 triaxial seepage test device for rheological disturbance effect of coal and rock

1.2 核磁共振試驗系統

通過核磁共振CPMG序列采集巖芯的回波串，標準樣定標，測量巖芯的孔隙度、T2截止值、可動流體飽和度、束縛流體飽和度、滲透率等參數。核磁共振系統如圖3所示。

圖3 核磁共振系統 Fig. 3 NMR system

2 試驗原理與試驗方案

2.1 巖石試件

試驗選取的紅砂巖均來自同一塊巖石；依據巖石試驗操作規程[16]，將巖石加工成高50 mm、直徑25 mm的試件，為剔除巖石試件離散型對試驗造成的影響，對已加工好的試件進行核磁共振分析和核磁共振成像測量，選出初始孔隙度相似、孔徑分布相同的巖樣試件。試驗前選取2塊試件在圍壓為0.5，1.0，3.0 MPa時進行三軸壓縮試驗；三軸壓縮試驗采用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸試驗，測得三軸壓縮數據為三軸流變擾動逐級加載試驗提供依據，測得試驗數據見表1。由表1可知，圍壓與巖石的強度、應變極限成正相關，圍壓改變了巖石的力學特性。

表1 巖石三軸壓縮試驗數據 Table 1 Data of rock triaxial compression test

2.2 巖石三軸流變試驗數據分析

選取3個試件分別在圍壓為0.5，1.5，3.0 MPa時進行流變試驗，3個試件分別標記為L-1，L-2與L-3，依據三軸壓縮試驗軸壓逐級加載。由三軸壓縮試驗數據可知，L-1試件逐級加載軸壓值為22，37，42，53，58 MPa；L-2試件逐級加載軸壓值為15，32，37，54，64，70 MPa；L-3試件逐級加載軸壓值為15，30，35，53，65，72，77 MPa。施加下一級軸壓時立即讀取瞬時應變變化值，各級軸壓下試件應變變化值每隔10 min記錄1次，每級流變時長依據應變梯度來決定，表2為巖石分級加載下的初始、末應變。不同圍壓和逐級加載下的巖石流變曲線如圖4～6所示。

圖4 圍壓0.5 MPa流變曲線 Fig. 4 Rheological curves of confining pressure of 0.5 MPa

圖5 圍壓1.5 MPa流變曲線 Fig. 5 Rheological curves of confining pressure of 1.5 MPa

圖6 圍壓3.0 MPa流變曲線 Fig. 6 Rheological curves of confining pressure of 3.0 MPa

表2 巖石分級加載下的初始、末應變變量 Table 2 Initial and final strain variables of rock under graded loading

由圖4可知，巖石試件在軸壓為22，37，42 MPa時流變變化速率相對平穩且基本保持不變，而在53，58 MPa時流變曲線變化較為明顯，由王波[9]等通過分析不同軸壓下巖石流變曲線變化來確定巖石的長期強度范圍，確定在圍壓0.5 MPa時巖石長期強度變化范圍為55.5 MPa( 軸壓53 MPa與58 MPa之和的平均值 )，因此，在軸壓為22，37，42 MPa時試件處于彈性可恢復狀態，該階段不會發生較大流變變形，巷道圍壓不存在應力自由狀態[15]，此階段流變不考慮，選擇軸壓為53，58 MPa判斷其“強度極限鄰域”范圍；同時圍壓為1.5，3.0 MPa時分別選擇軸壓為64，70 MPa與72，77 MPa判斷巖石“強度極限鄰域”范圍。

2.3 試驗步驟

( 1 ) 共選取24塊試件，將其分為3組，每組各8塊，分別標記為A組、B組與C組，再將各組試件均分為二，每等分為4塊；根據上述巖石三軸流變試驗數據分析以及巖石流變壓縮試驗結果，A組分別在軸壓為53，58 MPa時進行流變與流變擾動試驗；同樣B組在軸壓為64，70 MPa，C組在軸壓為72，77 MPa時進行流變與流變擾動試驗；每組擾動幅值與高度相同，擾動方式為自由下落，同一軸壓與圍壓下的試件流變到縱向應力相同的情況下將其取出，各組軸壓與擾動部分情況見表3。

表3 末孔隙率變化特征 Table 3 Change characteristics of porosity at the end

( 2 ) 巖樣試件飽和處理。分別將各組試件進行飽和處理，真空抽取時間為4 h，真空壓力閾值為0.1 MPa，真空抽取完畢后向真空罐內加入適量的液體，持續浸泡4 h，使試件快速吸收。在浸泡過程中，對巖芯罐施加10 MPa的圍壓。

( 3 ) 依次將飽和后的試件放入核磁共振裝置中測量，得出不同圍壓下的孔徑分布圖、T2譜曲線變化圖以及核磁共振成像圖，然后進行分析對比，確定不同圍壓下巖石的“強度極限鄰域”范圍。

3 試驗結果分析

3.1 巖石孔隙度

采用核磁共振技術，對每輪加載后的巖樣進行核磁共振測試，得出應變擾動后巖石的孔隙度及部分孔徑變化規律。

由表3可知，不同圍壓下巖石孔隙率均有不同變化，其變化規律各不相同。在圍壓為0.5 MPa時，處于“強度極限鄰域”外的巖石與初始巖石孔隙率相比減少0.98%，當圍壓增加到1.5，3.0 MPa時，各孔隙率分別減少0.82%，0.51%，說明當施加的軸向應力未在“強度極限鄰域”內時，巖石試件在受到擾動作用下其內部部分較大孔隙出現壓密，受擾動后的巖石試件孔隙率會出現減小，致使擾動后的孔隙率小于未擾動時的孔隙率。同樣在圍壓為1.5，3.0 MPa下也會出現部分孔隙壓密，受擾動后的巖石試件孔隙率出現減小現象。因此，未擾動比擾動3次后的末孔隙率均值大。

同時在“強度極限鄰域”外隨著圍壓的加大，巖石損傷逐漸減小，且擾動前后孔隙率變化不明顯，對擾動并不敏感；巖石處于“強度極限鄰域”內，圍壓為3.0 MPa時，比1.5，0.5 MPa下擾動前后孔隙率變化快，說明雖然圍壓增大，處于“強度極限鄰域”內的巖石受擾動影響變形速率加大，巖石內部大孔隙孔徑擴張更快。

圖7～9清楚地反映了不同圍壓下巖石內部孔徑大小的分布規律，更能直觀地反映出巖石“強度極限鄰域”的變化范圍。

圖7 圍壓0.5 MPa部分孔徑分布 Fig. 7 Distribution of partial pore throat with confining pressure of 0.5 MPa

圖8 圍壓1.5 MPa部分孔徑分布 Fig. 8 Distribution of partial pore throat with confining pressure of 1.5 MPa

圖9 圍壓3.0 MPa部分孔徑分布 Fig. 9 Distribution of partial pore throat with confining pressure of 3.0 MPa

3.2 T2譜曲線譜峰面積

T2譜曲線譜峰面積的大小與孔隙度大小、孔隙數量多少成正比，單個譜峰面積與孔徑的孔隙度數量、孔隙度尺寸成正相關，根據前文所述，將第1譜峰視為小孔隙孔徑，第2，3譜峰分別為大孔隙孔徑與較大孔隙孔徑，表4為不同圍壓下譜峰總面積以及單個譜峰面積占比。

表4 T2譜曲線譜峰面積變化 Table 4 T2 change of peak area

由表4可知，同一圍壓下，軸壓與譜峰總面積成正比。初始巖樣僅2個譜峰面積，當圍壓為0.5 MPa時，軸壓53 MPa下未擾動巖石試件譜峰總面積與初始試件變化不大，且第1譜峰面積占譜峰總面積的平均值為5.16%，而初始試件的第1譜峰面積占譜峰總面積的平均值為1.88%，第2譜峰面積占譜峰總面積的平均值為94.84%，表明試件軸向出現壓密或硬化狀態，致使大孔隙孔徑減少，由于軸壓的增大產生新的小孔隙孔徑；施加擾動后第1，2譜峰面積占總譜峰面積的平均值分別為4.88%和95.12%，并未產生較大變化，且未出現第3譜峰面積，說明巖石處于“強度極限鄰域”外，擾動不會產生失穩破壞。當軸壓逐級加載到58 MPa時，譜峰總面積是初始試件的3倍，且擾動前后譜峰總面積變化較大，第一譜峰面積占譜峰總面積的平均值分別為擾動前1.16%，擾動后0.73%，第2譜峰面積占譜峰總面積的平均值分別為擾動前90.71%、擾動后92.05%，且出現第3譜峰面積，說明巖石原有內部缺陷小孔隙孔徑出現融匯和貫通現象，形成大孔隙孔徑，而大孔隙孔徑擴張演變為較大孔隙孔徑，致使巖石極易發生擾動破壞，因此在圍壓為0.5 MPa時，巖石“強度極限鄰域”范圍為53～58 MPa。

同樣，當巖石處于圍壓1.5 MPa與3.0 MPa時，巖石處于“強度極限鄰域”范圍內譜峰平均總面積是初始譜峰平均面積的5.21～5.62倍。圍壓為1.5 MPa與3.0 MPa下巖石“強度極限鄰域”范圍的界限，分別處于64～70 MPa與72～77 MPa。

3.3 核磁共振T2譜曲線分布

核磁共振分析測量儀可以通過核磁共振CPMG序列采集巖芯的回波串，標定標準樣本，測量巖芯的孔隙度、T2譜曲線截止時間、滲透率等參數。

通過初始試件的T2譜曲線可知[17]( 圖10 )，巖石內部原存有缺陷，初始試件由2個譜峰曲線組成，將第1譜峰曲線視為小孔隙孔徑，第2譜峰曲線視為大孔隙孔徑，且第1譜峰的高度比第2譜峰的略高，說明巖石內部原有的缺陷小孔隙孔徑比大孔隙孔徑多。

圖10 初始試件 Fig. 10 Initial specimen

當圍壓為0.5 MPa時( 圖11 )，在軸壓為53 MPa且未施加擾動前( 圖11( a ) )，第1譜峰曲線的高度比初 始試件的高，第2譜峰曲線的高度突然降低；施加擾動后第2譜峰曲線的高度略微減小，變化不明顯，說明當軸壓增大時巖石內部產生新的小孔隙孔徑，大孔隙孔徑由于軸壓的增大而出現壓密閉合的狀態，表明在軸壓為53 MPa時擾動作用并未在巖石內 部產生較大缺陷。當軸壓達到58 MPa時，巖石的2個譜峰曲線高度均有突增，產生新的T2譜曲線，且譜峰曲線出現向右偏移現象，說明巖石內部在軸壓 增大時產生新的孔隙孔徑，小孔隙孔徑出現融匯并貫通形成大孔隙孔徑，而大孔隙孔徑向外擴張形 成較大孔徑。受到擾動時T2譜曲線出現較大的偏移，且譜峰高度都有增大，表明巖石在軸壓58 MPa時進入“強度極限鄰域”。因此，在圍壓為0.5 MPa時軸壓53～58 MPa是巖石的“強度極限鄰域”范圍。

圖11 圍壓0.5 MPa下T2譜曲線 Fig. 11 T2 spectrum curves under confining pressure of 0.5 MPa

當巖石處于圍壓為1.5，3.0 MPa時與圍壓0.5 MPa下T2譜曲線變化相同( 圖12～13 )，但較大圍壓下T2譜曲線高度更為突出，說明圍壓的增加使巖石的變形速率更快。

圖12 圍壓1.5 MPa下T2譜曲線 Fig. 12 T2 spectrum curves under confining pressure of 1.5 MPa

圖13 圍壓3.0 MPa下T2譜曲線 Fig. 13 T2 spectrum curves under confining pressure of 3.0 MPa

3.4 核磁共振成像分析

對不同圍壓下的巖石進行核磁共振成像分析，核磁共振測量巖石試件位置為距巖石試件上、下兩端各17 mm處，得出二維成像圖譜，如圖14～16所示，圖中亮點代表含水率的多少，即亮點越亮說明巖石試件含水率越高，表明此處孔隙結構越大，黑色區域為成像底色[18]。

圖14 初始巖石試件 Fig. 14 Initial rock specimen

圖15 圍壓0.5 MPa時不同軸壓下的部分核磁共振成像 Fig. 15 Partial NMR under different axial pressures at confining pressure of 0.5 MPa

圖16 圍壓1.5 MPa時不同軸壓下的部分核磁共振成像 Fig. 16 Partial NMR under different axial pressures at confining pressure of 1.5 MPa

由圖14可知，初始巖石試件內部小孔隙孔徑 較多，無較大集中的亮點，端部有幾處孔隙信號較弱，表明巖石在此部位巖性較完整；當圍壓0.5 MPa軸壓53 MPa時( 圖15 )，巖石未擾動時與初始巖石試件相比，亮斑面積無明顯變化，僅僅內部有少量的孔隙結構發生變化，當擾動3次后只是出現了少許亮點，并未有匯聚的亮斑，說明在“強度極限鄰域”外，巖石內部只是出現略微損傷，施加擾動后巖石內部較大的孔隙可能出現部分壓密狀態；當圍壓為0.5 MPa軸壓施加到58 MPa時，亮點匯集形成亮斑，對比初始試件圖譜( 圖14 )，亮斑面積突增，擾動作用不僅致使巖石內部小孔隙匯聚成大孔隙結構，且內部出現更多新的孔隙孔徑，說明巖石在“強度極限鄰域”外擾動時，內部損傷變化較小，擾動不敏感，當擾動發生在“強度極限鄰域”內時，巖石內部亮斑變化顯著，損傷更加突出；同樣，在圍壓為1.5 MPa( 圖16 )和3.0 MPa時核磁共振圖像直觀地反映出巖石“強度極限鄰域”內、外微觀損傷演化特征。

4 結 論

( 1 ) 不同圍壓下的巖石存在一個流變應力閾值，當巖石應力狀態小于該閾值時，巖石內部未出現 較大的孔隙結構，施加擾動載荷后T2譜曲線譜峰高度均無明顯的變化；當巖石應力狀態大于該閾值，譜峰不僅出現突增現象，而且均出現新的譜峰曲線，同時曲線發生向右偏移現象，說明該應力閾值是判別巖石是否進入“強度極限鄰域”內、外的界限。

( 2 ) 不同圍壓下T2譜曲線譜峰總面積均出現增大現象，當巖石處于“強度極限鄰域”外，擾動前后譜峰面積未出現明顯變化，反之處于“強度極限鄰域”內擾動變化極其明顯，說明處于“強度極限鄰域”外的巖石損傷較小，不易產生流變擾動破壞，處于“強度極限鄰域”內的巖石擾動會加大巖石內部損傷，最終致使巖石發生失穩破壞。

( 3 ) 巖石在圍壓為0.5 MPa時比圍壓1.5，3.0 MPa下先進入“強度極限鄰域”范圍，圍壓的存在提高了巖石長期強度，隨著圍壓的增大損傷逐漸減小；巖石的T2譜曲線、核磁共振成像圖可以直觀地反映巖石“強度極限鄰域”內、外微觀變化特征。