布爾臺礦單軸加卸載下砂質泥巖聲發射特征研究

曹金鐘， 楊志良， 王文杰

（1. 中煤大同能源有限責任公司 塔山煤礦，山西 大同 037001；2. 山西大同大學 煤炭工程學院，山西 大同 037003；3. 晉能控股煤業集團 晉華宮礦，山西 大同 037000）

0 引言

西部礦區煤炭儲量豐富，煤層賦存穩定，煤系地層成巖年代較晚，基巖段以弱膠結砂質泥巖為主。煤礦井下巷道開挖、工作面回采等過程導致應力集中、轉移，從而使巷道圍巖受到加卸載力學作用。砂質泥巖是回采巷道常見巖石，在天然狀態下膠結程度低，強度較低，多種煤礦事故的發生與砂質泥巖在加卸載時的力學響應密切相關，如工作面大面積來壓、巷道失穩、潰水等。近年來，隨著西部礦區高強度開發，上述問題日益凸顯。因此，有必要對西部弱膠結砂質泥巖在加卸載狀態下的力學響應開展深入研究，以揭示巷道圍巖損傷劣化、失穩破壞及其失穩前兆信息。

現有研究表明，巖石在加卸載作用下損傷不斷加劇，微觀上表現為巖石內部裂紋的生成，能量以聲發射（Acoustic Emission，AE）、熱輻射等形式釋放，宏觀上表現為巖石變形破壞。AE作為一種監測巖石內部變形、損傷、破壞的有效手段，已廣泛用于工程實踐中[1-2]。學者圍繞巖石在單軸加卸載下的AE特征開展了大量研究。劉娟紅等[3]通過不同種類混凝土單軸加卸載和AE試驗，研究典型種類混凝土的能量耗散和釋放過程。李庶林等[4]運用G-P算法，研究了火成巖和變質巖在單軸多級加卸載作用下AE的分形特征，得出關聯維數在等壓加卸載和加卸載循環應力增加的情況分別呈突增和下降趨勢。王小瓊等[5]對鄂爾多斯盆地21塊不同類別巖芯開展單軸壓縮AE測試，分析不同應力下AE的規律及巖性、加載模式和AE參數對Kaiser效應點識別的影響，得出等級循環加載優于分級循環加載和單次加載。周志華等[6]對比了混凝土在有無滲透水壓情況下的單軸加卸載試驗，發現在加卸載作用下無滲透水壓的混凝土強度強化，有滲透水壓的強度降低。李淼等[7]基于單軸加卸載試驗，研究了千枚巖的沖擊傾向性。林冠宇等[8]探討了單軸加卸載作用下花崗巖的AE特征，得到飽水狀態下花崗巖的RA （上升時間/幅值）小于自然狀態。徐速超等[9]研究了單軸循環荷載下矽卡巖的強度變化和AE特征。趙奎等[10]分析了單軸循環荷載下砂巖的次聲波信號特征，將其活動分為相對穩定期、活躍期和破壞前兆期。楊小彬等[11]研究了單軸循環加卸載作用下花崗巖非均勻變形過程中的AE特征，得出非均勻變形演化與AE有較好的對應規律。宋小飛等[12]通過單軸加卸載試驗研究了砂巖的能量演化規律，得到耗散能占比是粉砂巖＞粗砂巖＞細砂巖。周家文等[13]研究了脆性巖石在單軸循環加卸載下的力學及損傷特性。鄧朝福等[14]分析了鹽巖單軸加卸載過程的能量和AE特性，得出其變形曲線的回滯環面積較小。

上述研究主要對巖石在單軸加卸載過程的力學響應進行了分析，缺乏對西部廣泛分布的弱膠結砂質泥巖在加卸載狀態下力學響應的研究。本文以國家能源集團神東布爾臺煤礦鉆孔BK209中砂質泥巖為研究對象，開展單軸加卸載實時AE監測試驗，探討砂質泥巖強度變化及AE特征，揭示不同應力路徑下巖石損傷、劣化和破壞失穩機制。

1 試驗方案

1.1 試驗樣品制備

試驗巖芯取自布爾臺煤礦三盤區北部補勘工程BK209鉆孔，基于國際巖石力學學會（The International Society for Rock Mechanics，ISRM）標準，巖芯經過鉆取、切割、打磨，加工成標準試樣（φ25 mm×50 mm），如圖1所示。試樣基本參數及巖層特征見表1。

圖1 加工試樣Fig. 1 Test samples

表1 試樣基本參數及巖層特征Table 1 Sample parameters and strata characteristics

1.2 試驗系統

試驗采用WDW-100E微機控制電子式萬能試驗機加載系統及PCI-II型AE監測系統（圖2）。萬能試驗機最大軸向荷載為100 kN，精度為±0.5%，計算機對萬能試驗機實現精準控制。AE監測系統最大采樣頻率為40 MHz，AD轉換率為18位，頻帶范圍為1～3 000 kHz，AE數據由系統軟件采集、存儲，前置放大器增益設為40 dB，閾值設為45 dB，采樣率為1 000 kHz。利用耦合劑和膠帶將2個傳感器對稱放置于試件中部，使兩者充分接觸且不脫落。

圖2 試驗系統Fig. 2 Test system

1.3 試驗方案

采用單軸分級加卸載試驗方案，同步進行AE監測，研究不同加卸載路徑下砂質泥巖的AE特征。砂質泥巖取自侏羅系安定組J2a，其單軸抗壓強度為18.33～23.90 MPa[15]，破壞載荷為9～12 kN。本試驗設計了3種加卸載路徑，如圖3所示。加卸載路徑I采用位移控制，加卸載速率為0.1 mm/min，先加載至設定值3 kN，然后以同等速率卸載至1 kN，最后加載至峰值，荷載路徑為0 →3 kN→1 kN→峰值。加卸載路徑II采用荷載控制，先以0.03 kN/s速率加載至3 kN，然后以0.25 kN/s速率卸載至1 kN，接著以0.03 kN/s速率加載至8 kN，再以0.25 kN/s速率卸載至1 kN，最后加載至峰值，荷載路徑為0→3 kN→1 kN→8 kN→1 kN→峰值。加卸載路徑III采用荷載控制，先以0.1 kN/s速率加載至3 kN，然后以0.25 kN/s速率卸載至1 kN，最后以0.1 kN/s速率加載至峰值，荷載路徑為0→3 kN→1kN→峰值。

圖3 加卸載路徑Fig. 3 Loading and unloading schemes

2 試驗結果與分析

2.1 不同加卸載路徑下力學特征

不同加卸載路徑下砂質泥巖的應力-應變關系如圖4所示。可看出砂質泥巖按加卸載路徑I，II，III進行加卸載時，其平均應力峰值強度分別為13.46，18.02，10.82 MPa，離散系數分別為2.78%，27.85%，23.80%；加卸載路徑II下平均應力峰值強度較加卸載路徑I，III分別大4.56，7.20 MPa，增幅分別達34%，66%。3種加卸載路徑下應力達到峰值前變形特征大致相同，應力達到峰值后變形特征有所不同。加卸載路徑I下試樣應力達到峰值后跌落較快，表現出脆性特征；加卸載路徑II下試樣應力達到峰值后跌落有限，有一定殘余強度；加卸載路徑III下試樣應力達到峰值后分級跌落，表現出一定延性特征。砂質泥巖單軸加卸載彈性模量見表2。可看出在第1次加載階段（0→3 kN），當應力加載至峰值的0.45，0.29，0.55倍時，平均彈性模量分別為1.66，0.92，0.99 GPa，當應力卸載至峰值的0.15，0.10，0.18倍時，平均彈性模量分別為2.65，1.50，1.56 GPa，與第1次加載階段彈性模量相比，卸載階段彈性模量分別增加了59.6%，63.0%，36.5%。說明加卸載路徑越短，卸載階段彈性模量增加越多，主要是因為在加載過程中新生裂隙接觸面因剪切滑移產生碎屑，卸載路徑短，受到拉應力脫落的碎屑充分充填到附近空隙，裂隙面之間的摩擦能力變強。

表2 砂質泥巖單軸加卸載彈性模量Table 2 Elastic modulus of sandy mudstone during uniaxial loading and unloading

圖4 不同加卸載路徑下砂質泥巖的應力-應變關系Fig. 4 The stress-strain relationship of sandy mudstone different loading and unloading paths

2.2 不同加卸載路徑下AE特征

砂質泥巖不同路徑加載階段AE振鈴計數與應力關系如圖5所示。可看出砂質泥巖第1次加載過程中，加卸載路徑I下AE振鈴計數先增大至局部峰值，然后呈對稱式衰減；加卸載路徑II下AE振鈴計數先突增至局部峰值，然后漸進式衰減，呈左偏峰型；加卸載路徑III下AE振鈴計數先突增至局部峰值，然后減小，接著增大，結束階段又減小，中間波動較大。砂質泥巖第2次加載過程中，在加卸載路徑I，III下，當未超過第1次加載階段的上限應力時，AE振鈴計數較少，當首次超過上限應力時，AE振鈴計數呈漸增趨勢，當應力增至臨近峰值，達到砂質泥巖屈服極限時，AE振鈴計數陡增，出現Kaiser點；加卸載路徑II比加卸載路徑I，III多1個加載階段，雖然在該階段內AE振鈴計數較少，但第2次加載階段產生的AE振鈴計數仍多于第1次加載階段，第3次加載至峰值時，AE振鈴計數大大增加。加卸載路徑I，II，III最后1次加載至峰值的過程，路徑I下AE振鈴計數先均勻持續發生，接著漸進式增加；路徑II，III下AE振鈴計數均先均勻持續發生，臨近峰值應力時呈跳躍式增長。總體而言，路徑III產生的AE振鈴計數多于其他路徑。

圖5 砂質泥巖不同路徑加載階段AE振鈴計數與應力關系Fig. 5 The relationship between AE ringing counts and stress of sandy mudstone under different loading stages

不同加卸載路徑對AE振鈴計數和應力的影響如圖6所示。可看出砂質泥巖累計AE振鈴計數在4 000次以下，與砂性巖石累計振鈴計數2.178×105～59.017×105次[16]相比較低，這是因為砂質泥巖顆粒較小、結構致密，導致由摩擦和破壞引起的AE不明顯。AE振鈴計數多集中在加載階段，卸載階段基本無振鈴計數。第1次加載階段，由于應力較低，砂質泥巖處于裂隙壓密階段，未有新裂紋產生，AE振鈴計數較少，AE處于相對平靜期；在卸載階段，由于微裂紋在卸載作用下回彈張開，基本無振鈴計數，AE處于“間歇期”；隨著應力增大和加卸載次數增多，砂質泥巖內部產生新裂紋，損傷增加，AE振鈴計數相對增加，AE處于波動期；最后1次加載至峰值過程中，砂質泥巖處于破壞階段，裂紋加速擴展，損傷加劇，AE振鈴計數激增，AE進入活躍期。

加卸載路徑I下砂質泥巖應力臨近峰值時，AE振鈴計數出現漸進式增加，約在應力峰值的0.8倍處AE信號增加相對明顯，可作為預警前兆點，振鈴計數最大值出現在應力峰值后；而加卸載路徑II，III下砂質泥巖應力臨近峰值時，AE信號相對平靜，無明顯前兆信息，其振鈴計數最大值均出現在應力峰值處（圖6（h）中，由于試樣33非均勻性較強，振鈴計數最大值提前于應力峰值出現）。加卸載路徑I，II，III下砂質泥巖AE振鈴計數的激增分別呈集群式、單峰陡增、集群式，其平均AE累計振鈴計數分別為3 048，3 327，3 896次，從加載到破壞的平均時間分別為719.4，553.6，91.5 s，平均AE振鈴計數分別為4，6，42 次/s。由此可見，加卸載路徑III對AE影響較大，加卸載路徑I對AE影響較小，究其原因是在加卸載荷載作用下裂紋以持續閉合、張開的方式發展，由于加載速率提高，裂紋來不及閉合就注入新的能量，加上加卸載路徑III下砂質泥巖峰值強度較低，大大降低了裂紋擴展過程所克服的阻力，在較低應力作用下裂紋出現擴展，加劇內部損傷，釋放更多能量，振鈴計數增加；由加卸載路徑I，II的平均AE振鈴計數可知，加載控制模式未導致砂質泥巖破壞進程產生較大改變，對AE的影響有限。

圖6 不同加卸載路徑對AE振鈴計數和應力的影響Fig. 6 Influence of different loading and unloading paths on AE ringing counts and stress

3 結論

（1） 卸載階段彈性模量大于加載階段彈性模量，且加卸載路徑越短，卸載階段彈性模量增加越大。主要是因為在加載壓縮的過程中新生裂隙接觸面因剪切滑移產生碎屑，卸載路徑短，受到拉應力脫落的碎屑充分充填到附近空隙，裂隙面之間的摩擦能力變強。

（2） 不同加載階段AE振鈴計數隨加載路徑變化而呈現不同的演化特征。第1次加載階段，路徑I下AE振鈴計數呈先增后減的對稱變化；路徑II下AE振鈴計數呈左偏峰變化；路徑III下AE振鈴計數先突增至局部峰值，然后減小，接著再增加，結束階段又減小，中間波動較大。最后1次加載至峰值的過程中，路徑I下AE振鈴計數先均勻持續發生，接著漸進式增加；路徑II，III下AE振鈴計數均先均勻持續發生，臨近峰值應力呈跳躍式增加。

（3） 砂質泥巖AE振鈴計數主要集中在加載階段，卸載階段基本無振鈴計數。主要原因是在卸載階段，裂隙處于張開狀態，砂質泥巖顆粒較小，由摩擦和破壞引起的AE不明顯。

（4） 加載速率對單位時間內AE振鈴計數的敏感度大于加載控制模式。砂質泥巖分別沿路徑I，II，III加載時，其振鈴計數平均分別為4，6，42 次/s。加載速率的提高加快了巖石內部裂紋擴展速率，加速了巖石內部主裂紋的形成及貫通，加劇了巖石內部的損傷，能量在較短時間內釋放，單位時間內AE振鈴計數變大。