自然與飽水狀態下砂巖壓縮破壞力學特性及聲發射特征

張 寅 ，李 哲 ，宋士康 ，趙 毅 ，李 皓

(1.遼寧工程技術大學 力學與工程學院，遼寧 阜新 123000；2.陜西正通煤業有限責任公司，陜西 咸陽 712000)

煤炭開采轉入深部開采后，很多煤礦面臨更加復雜的水文地質條件，復雜的頂板水成為影響煤礦安全生產的又一隱患。鄂爾多斯地區，許多礦井煤層頂板以砂巖為主，大量頂板水下滲，使頂板巖石長時間處于浸水甚至自然飽水狀態，對巖層的各項力學性質及其他物理特性有很大影響。大量的研究表明巖石在損傷破壞過程中產生的聲信號與巖石的各項力學性質、微觀組成結構之間必定存在一定的內在聯系，而水的作用必將對上述聯系產生一定影響。

為探究浸水甚至飽水對巖石各項力學特性及巖石破壞過程中聲發射特征的影響，學者們做了大量研究工作[1-3]。滕騰等[4]通過不同變形加載速率下干燥和飽水巖樣的單軸壓縮試驗，研究了砂巖抗壓強度、彈性模量、峰后應變和聲發射特性的變形率效應和水理效應；張艷博等[5]通過對單軸壓縮下飽水花崗巖破裂過程中聲發射頻譜特征進行研究，進而實現對巖石破壞前兆信息的快速有效識別；許江等[6]對飽和度分別為0%，50%和100%3 種不同含水狀態下砂巖剪切破壞過程中的聲發射特性進行試驗研究，探討了聲發射信號隨時間的演化規律及其與砂巖裂紋的開裂、擴展之間的關系；唐書恒等[7]為模擬研究煤儲層的壓裂特征，進行了飽水煤巖的三軸壓縮聲發射試驗，將煤巖壓裂過程分為迸裂型、破裂型和穩定型；文圣勇等[8]對不同含水率紅砂巖進行了單軸壓縮條件下的聲發射試驗，結果表明含水率越高，砂巖聲發射累積數越少且時間越滯后；陳結等[9]對鹵水浸泡后巖鹽聲發射特征進行了試驗研究，分析了巖鹽在鹵水、溫度、應力共同作用下的損傷演化過程；童敏明等[10]在不同的應力速率下對含水煤巖聲發射信號特征進行了研究，表明含水率的不同對煤巖聲發射信號的強度具有一定的影響；夏冬等[11-12]對干燥及飽水巖石循環加卸載過程中的聲發射特征及能量機制進行了試驗研究；A.Torok 等[13]對比了飽水巖石和自然干燥巖石的密度、超聲波速度、有效孔隙率和單軸抗壓強度，利用統計學方法進行了分析；D.P.Jansen 等[14]應用聲發射技術研究了巖石破裂過程中隨時間變化的三維微裂紋分布，描述了巖石的損傷累積、裂紋成核以及宏觀裂紋擴展的過程。

綜上研究成果可以發現，目前學者對巖石破壞特性及其破壞過程中伴隨的聲信號研究較多，但缺少從宏微觀角度入手對不同粒徑砂巖飽水前后力學特性及聲發射特征相關研究。因此，筆者以鄂爾多斯某礦工作面頂板不同粒徑砂巖為研究對象，通過對飽水與自然狀態下砂巖試樣進行單軸壓縮試驗和聲發射試驗，研究2 種狀態下不同粒徑砂巖破壞過程中力學特性和聲發射特征，以期為水文地質條件復雜且圍巖以砂巖為主的礦山進行圍巖穩定性評價提供參考。

1 試驗方法及試驗設計

1.1 試樣制備

試樣取自鄂爾多斯某礦工作面頂板，根據鉆孔柱狀圖挑選粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖大塊巖樣加工成直徑為 50 mm，高為 100 mm 的標準試樣，試樣兩端面不平行度不大于 0.05 mm。在制備好的標準試樣中每種粒徑砂巖各挑選6 個質地均勻、外觀完整試樣，平均分為2 組，A 組為處于自然條件下的試樣，B 組為進行飽水處理的試樣。部分試樣照片如圖1 所示。

圖1 部分巖樣Fig.1 Some of the rock samples

1.2 試驗設備

力學和聲發射試驗系統是由加載系統、AE 監測系統組成。加載系統采用TAW-2000 型剛性電液伺服壓力機，該試驗機最大負荷2 000 kN。聲發射監測系統采用聲華科技多通道監測儀器，采樣頻率設定為1 000 kHz，波形門檻值為40 dB，采樣點為1 024，如圖2所示。

圖2 力學和聲發射試驗系統Fig.2 Mechanical and acoustic emission test system

電鏡掃描試驗采用QUANTA250 型掃描電子顯微鏡，最大放大倍數達30 000 倍，圖像處理器高達4 096×3 536 像素。

1.3 試驗方法

試樣制備好后在室內靜置一周，將B 組試樣放入容器，間隔2 h 注水1 次，5 次使試樣全部淹沒，每隔24 h 稱重一次，浸泡2 d 后，前后2 次質量相差小于0.01 g 認為試樣達到自然飽水狀態，自然狀態下粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖含水率分別為0.60%、0.64%、0.96%，飽水狀態下粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖含水率分別為2.0%、2.2%、2.3%。

采用TAW-2000 型剛性電液伺服巖石力學試驗系統進行單軸壓縮試驗，采用位移控制，軸向加載速率為0.002 mm/s。

給試樣編號，字母C、Z、X 分別表示粗粒砂巖、中粒砂巖、細粒砂巖；字母A 表示自然條件試樣，B 表示飽水試樣；阿拉伯數字表示該小組的第幾個試樣。

2 試驗結果與分析

2.1 水–巖作用對砂巖微觀結構作用

以往研究表明，水–巖作用對巖石力學性質的影響是一個從微細觀結構變化到宏觀物理力學特性劣化的過程[15-17]。當巖石外部或內部應力達到一定程度，就會發生微觀層面上晶界面移動以及宏觀層面上礦物顆粒的分離、結構面的滑移，這些過程都會伴隨著聲發射信號的產生，其信號特征與巖石破裂機制具有密切關系[18-21]。因此，觀察分析飽水與自然狀態下不同粒徑砂巖微觀結構變化對研究2 種狀態下砂巖單軸破壞過程中的力學特性與聲發射特征具有一定意義，觀察結果如圖3 所示。

圖3 水–巖作用下不同粒徑砂巖SEM 照片(×200)Fig.3 SEM photos of sandstone with different grain sizes under water-rock interaction(×200)

從圖3 可以看出，與自然狀態相比，飽水狀態下砂巖微觀特征變化明顯。

(1) 自然狀態下粗粒砂巖(圖3a 左側圖)試樣微觀結構表面平整，整體性較好，看不到空隙與孔洞；飽水條件下粗粒砂巖(圖3b 左側圖)可以看到有明顯的裂隙與孔洞，微觀顆粒輪廓明顯、棱角分明。

(2) 自然狀態下中粒砂巖(圖3a 中間圖)可以看到表面雖然存在少量原生孔隙與凸起，但整體平整度較好；飽水條件下中粒砂巖(圖3b 中間圖)表面整體依舊平整，但可以看到膠結物質流失嚴重，表面出現許多小孔洞，微觀組成顆粒逐漸被孤立開來。

(3) 自然狀態下細粒砂巖(圖3a 右側圖)表面有少量原生孔隙，雖然整體不是很平整，但表面比較密實；飽水細粒砂巖(圖3b 右側圖)明顯可以看到有較多的孔洞與裂隙，顆粒間膠結物質流失嚴重。

通過上述觀察可以發現，自然狀態下砂巖試樣微觀結構整體性較好，表面平整光滑；飽水狀態下各種粒徑砂巖由于內部膠結物質有所流失導致微觀結構變得松散，結構整體性下降，表面也變得凹凸不平。

2.2 飽水與自然狀態下砂巖力學特性

統計所有試樣單軸壓縮試驗結果，見表1，選取各小組1 號試樣繪制其單軸壓縮應力–應變曲線，如圖4所示。

表1 自然和飽水狀態下不同粒徑砂巖單軸壓縮力學參數Table 1 Uniaxial compression mechanical parameters of sandstone with different grain sizes under natural and saturated conditions

圖4 部分試樣應力–應變曲線Fig.4 Stress-strain curves of some samples

從圖3 和表1 可以看出，不同粒徑砂巖在進行單軸壓縮時飽水對抗壓強度有明顯的軟化作用。粗粒砂巖在自然狀態下變化幅度為9.36%，飽水后抗壓強度變化幅度為6.8%，平均軟化系數為0.66；中粒砂巖在自然狀態下變化幅度為15.4%，飽水后抗壓強度變化幅度為16.3%，平均軟化系數為0.59；細粒砂巖在自然狀態下變化幅度為6.0%，飽水后單軸抗壓強度變化幅度為11.5%，平均軟化系數為0.49。

可見飽水后不同粒徑砂巖的抗壓強度都有所降低，軟化系數為0.49～0.66，且軟化系數遞減次序與砂巖粒徑遞減次序有一定的一致性，表明砂巖粒徑越小，單軸抗壓能力受飽水影響越明顯。

彈性模量是衡量物體抵抗彈性變形能力大小的尺度。飽水后所有砂巖的彈性模量都有不同程度的降低，粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖的彈性模量分別降低19.6%、32.7%和33.7%。飽水后砂巖彈性模量變化與粒徑變化順序呈負相關，即粒徑越小的砂巖飽水后彈性模量變化越明顯。

泊松比是反映材料橫向變形的彈性常數，飽水后不同粒徑砂巖的泊松比發生不同程度的增加，粗粒砂巖、中粒砂巖和細粒砂巖分別增加了9.6%、10.4%和19.5%。說明飽水后砂巖橫向變形比軸向變形更加敏感，同時，泊松比變化率與砂巖粒徑變化呈負相關，即隨著砂巖粒徑越小，飽水后泊松比變化越大。

綜上所述，飽水對3 種粒徑砂巖的抗壓強度、彈性模量及泊松比均有不同程度的影響，且影響程度與砂巖粒徑變化趨勢具有一定的規律性，由此可見，地下水是影響井下煤巖巷道穩定性的重要因素之一，因此，在進行井下巷道圍巖穩定性評價及支護設計的時候，特別是圍巖以砂巖為主的巷道，應當充分考慮水對巷道圍巖力學及變形參數的影響。

2.3 飽水與自然狀態下砂巖聲發射特征

不同粒徑砂巖飽水后其聲發射特征也將發生一定的變化。選取聲發射能量值為參數，分析不同粒徑砂巖飽水與自然狀態下聲發射信號與巖石變形破壞之間的內在聯系。在確保可以反映試驗規律的前提下，選取同條件下具有代表性的試樣進行分析。根據試驗結果，繪制不同粒徑砂巖飽水與自然條件下巖樣的全應力?應變?聲發射能量關系曲線，如圖5 所示。為更好地說明飽水對砂巖聲發射特征的影響，將應力?應變?聲發射能量曲線劃分為4 個階段來分析其主要特征，圖5 上從左到右依次為初始壓密階段、彈性變形階段、損傷演化階段和失穩破裂階段。統計各代表試樣不同階段聲發射總能量，見表2。

圖5 不同粒徑砂巖飽水與自然條件下全應力–應變–聲發射能量關系曲線Fig.5 Relation curves of total stress-strain-AE energy of sandstone with different grain sizes under saturated and natural conditions

表2 代表試樣壓縮破壞各階段聲發射總能量Table 2 Total AE energy in each stage of compression failure of samples

1) 初始壓密階段

在該階段，所有試樣都有少量的聲發射信號產生，此階段巖樣內部各處所受應力水平較低，聲發射信號產生主要是巖樣內部的原生裂隙在外力作用下發生壓密閉合，裂隙在閉合過程中2 個互相接觸的裂隙面發生輕微咬合破壞，因而，各試樣AE 能量值都處于較低的水平。

2) 彈性變形階段

該階段隨著試樣所受應力的增加，各試樣內部顆粒間的摩擦咬合加劇，較上一階段各試樣聲發射總能量值都出現增高，其中自然狀態下的粗粒砂巖增幅最大為292%，其他試樣較上一階段的增幅在43%～144%。飽水后各試樣聲發射總能量發生不同程度的減少，粗粒砂巖為67.4%，中粒砂巖為32.4%，細粒砂巖為29.3%。該階段巖石主要以彈性變形為主，幾乎不發生塑性破壞，所以聲發射信號較為平穩。

3) 損傷演化階段

該階段試樣變形破壞加劇，試樣開始發生塑性破壞，聲發射能量單值與聲發射能量總值較上一階段都發生明顯增加。所有試樣該階段聲發射總能量較上一階段增幅在101%～149%。說明在該階段各巖樣內開始萌生新裂紋同時原有裂紋開始發育、貫通，更多的微觀顆粒發生摩擦甚至破裂。該階段飽水試樣聲發射總能量較自然狀態發生明顯下降，粗粒砂巖最為明顯降幅為73.5%，中粒砂巖為36.0%，細粒砂巖為62.0%。說明在水的軟化作用下，不同粒徑飽水砂巖強度降低，裂隙的萌生和發育更加容易。

4) 失穩破裂階段

該階段聲發射能量出現峰值后迅速回落，試樣最終破壞過程完成。飽水后聲發射能量值較自然狀態依舊出現不同程度的減少，粗粒砂巖為30.7%，中粒砂巖為29.5%，細粒砂巖為38.3%。較上一階段各試樣聲發射總能量減少幅度在9.1%～66.5%。該階段后半段由于試樣破壞后變形較大，試樣不再受力，因此，聲發射能量幾乎歸零。

綜上分析，全部試樣在變形破壞的各個過程中都有聲發射信號產生，且各階段聲發射能量曲線變化趨勢與試樣各階段受力破壞程度具有較高的一致性，同時可以發現，聲發射能量的最高值均出現在應力–應變曲線峰值附近。以上分析表明，砂巖在載荷作用下的損傷破壞程度可以用聲發射能量值來近似表征。不同粒徑砂巖試樣在飽水狀態下壓縮破壞各階段產生的聲發射總能量值較自然狀態都有不同程度的降低，結合微觀電鏡掃描結果，可以認為主要原因是試樣飽水后膠結物質流失，微觀結構變得松散，大顆粒礦物受到軟化導致試樣在破壞過程中的微裂隙壓密、微裂紋萌生和巖石內部摩擦滑移等事件減少，從而導致聲發射總能量減少。

3 聲發射能量表征巖石脆性研究

目前，關于巖石脆性的表述有多種不同說法。國外部分學者將脆性定義為材料塑性的流失[22-23]；J.G.Ramsey[24]認為巖石黏聚力破壞即為巖石脆性破壞；L.Obert 等[25]通過對鑄鐵和巖石進行研究，認為試樣達到屈服強度附近破壞的特性即脆性。地質學領域學者將材料破裂或破壞前沒有或極少出現塑性變形的特性視為脆性。筆者發現，現有脆性含義缺乏考慮試樣破壞時微觀破裂機制及相關特征。

關于脆性的衡量方法超過20 種[26]，而關于巖石脆性的表述主要是從巖石成分和巖石宏觀力學性質入手。目前公認的巖石力學參數簡易計算公式定義的巖石脆性指數[27]如下式：

式中：E為彈性模量，104MPa；μ為泊松比，無量綱；BI為脆性指數，%

將表1 數據代入式(1)對不同粒徑飽水與自然狀態下砂巖脆性指數進行計算，計算結果和各小組試樣單軸壓縮破壞聲發射能量峰值均值見表3。

表3 所有試樣脆性指數及聲發射能量峰值Table 3 Brittleness indexes and the peak value of AE energy of all samples

用2 種狀態不同粒徑砂巖單軸破壞時脆性指數與各試樣聲發射能量峰值進行擬合，擬合結果如圖6 所示，擬合度為0.96。由圖6 可知，砂巖脆性指數隨著試樣單軸壓縮破壞聲發射峰值的增大而增大，兩者之間滿足如下函數關系：

圖6 聲發射能量峰值與脆性關系Fig.6 Relationship between the peak value of AE energy and brittleness

通過擬合，式(2)中系數B1=1.11×10?7，B2=?0.000 559，截距C=63.45。

由圖6 可見，巖石脆性隨著單軸壓縮破壞聲發射能量峰值的增加而增加，兩者大體呈正相關形態。筆者認為，上述6 種砂巖試樣可以很好地涵蓋自然界中存在的砂巖狀態，通過擬合得出的公式(2)成功地將砂巖單軸壓縮破壞的宏觀力學特性與微觀聲發射特征聯系起來，彌補了之前各領域學者脆性定義缺乏考慮試樣破壞時微觀破裂機制及相關特征的不足，同時得到了一種全新的巖石脆性衡量方法，即通過砂巖壓縮破壞過程中聲發射能量峰值評估砂巖脆性，也為巖石脆性研究提供了新的思路。

4 結論

a.粗、中、細粒砂巖的平均軟化系數分別為0.66、0.59、0.49。較自然狀態，飽水后粗、中和細粒砂巖的彈性模量分別降低19.6%、32.7%和33.7%，泊松比分別增加了9.6%、10.4%和19.5%。說明飽水后對不同粒徑巖石的影響程度與砂巖粒徑變化趨勢具有一定的規律性。

b.飽水后不同粒徑砂巖力學特性及聲發射特征變化是巖石在水分子的作用下微觀變化在宏觀層面的體現。在水分子作用下，砂巖原有微觀結構受到影響，其是導致巖石抗壓強度降低、變形能力增強及聲發射能量減弱的內在原因。

c.聲發射事件幾乎伴隨試樣破壞的整個過程，在試樣破壞的不同階段，聲發射能量值呈現不同的變化規律。各階段聲發射能量曲線變化趨勢與試樣各階段受力破壞程度具有較高的一致性；聲發射能量的最大值均出現在應力–應變曲線峰值附近，表明巖石在載荷作用下的損傷破壞程度可以用聲發射能量值來近似表征。飽水后各種粒徑砂巖各階段聲發射總能量較自然狀態都出現不同程度的降低。

d.通過對所有砂巖試樣單軸破壞聲發射能量峰值與巖石脆性指數進行擬合，得到砂巖單軸破壞聲發射能量與脆性指數的關系，為巖石脆性研究提供新的思路。