加載速率對弱膠結砂巖劈裂特性的影響研究

李小龍，李 進，黃 輝，李立波

(1.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司靈新煤礦，寧夏 靈武 751410；2.中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100083；3.國家能源集團寧夏煤業有限責任公司梅花井煤礦，寧夏 靈武 751410)

隨著我國國民經濟高速發展，對于能源的需求日益增加，中部地區、東部地區的煤炭資源已經無法支撐我國的經濟發展，因此煤炭開采逐漸向深部發展[1-2]、向西部地區發展[3-4]。但西部地區巷道圍巖的成巖過程特殊，分布著大量的弱膠結巖層，這類巖石具有膠結程度低、遇水易崩解、強度低等特殊性質[5-6]，因此弱膠結圍巖巷道容易出現煤層強度高于巖層強度的現象，同時弱膠結巖石中含有大量親水性黏土礦物，如伊利石、蒙脫石、高嶺石等[7]，這些特性造成弱膠結圍巖巷道支護成本大大增加，并且相比于其他巷道其變形量更大，更易產出冒頂、底臌等現象，極大制約了煤礦的快速開采。

隨著西部礦區的逐漸開發，弱膠結巖石的相關物理力學特性問題逐漸得到大量學者的關注[8-9]，相關研究成果也逐漸增加。滕騰等[10]研究了加載速率對砂巖力學和聲發射特性的影響；韓心星等[11]研究了三軸壓縮下砂巖的本構模型；侯憲港[12]對弱膠結砂巖、弱膠結泥質中砂巖進行了單軸壓縮下的力學、聲發射試驗，得到了兩種弱膠結砂巖的強度、破壞特征、聲發射特征以及沖擊傾向性等結果；NGUYEN等[13]使用高分辨率數字照片和數字圖像相關法(DIC)分析了在平面應變單軸壓縮下變形的軟巖中傾斜缺陷(切口)的裂縫演化；趙維生[14]對巖石礦物成分含量和含水率影響下的泥質弱膠結巖石的基本物理力學特性進行研究；吳寶楊[15]發現單軸抗壓強度增加與孔隙堵塞引起的孔隙水壓力有關；張娜[16]發現內部孔隙率的增加是導致頁巖試樣吸水之后強度衰減的重要原因；紀洪廣等[17]發現弱膠結砂巖的礦物成分、內部結構、成巖過程造成了其易遇水軟化、崩解的特點。

綜合以上研究，大量學者在巖石力學特性、聲發射特征方面取得了豐富的研究成果，但對于加載速率對弱膠結砂巖劈裂特性的影響研究較少，因此，本文開展了加載速率對弱膠結砂巖抗拉強度、聲發射特征、全場應變演化的影響研究，以期為弱膠結軟巖巷道變形破壞分析提供參考。

1 弱膠結砂巖礦物成分和微觀結構特征

1.1 礦物成分分析

試驗巖樣均取自神華寧煤集團梅花井煤礦，弱膠結砂巖的宏觀性質與其內部微觀結構和礦物成分含量有密切關系，采用XRD礦物成分分析和SEM電鏡掃描，分析其微觀結構特征(圖1)。由XRD礦物分析試驗所得砂巖中SiO2(石英)衍射峰值最高且衍射峰最多，峰形多呈現細、高狀，說明其結晶度高、顆粒大，礦物含量最多，其次分別為Na2O·Al2O3·6SiO2(鈉長石)、KAISi3O8(正長石)、Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)。其中，鈉長石、正長石相對應衍射峰也呈細高狀，說明其礦物結晶度較高、顆粒較大，高嶺石相對應的峰形略寬，其礦物結晶度低、顆粒較小。

圖1 巖樣X-衍射圖Fig.1 X-ray diffraction of rock samples

1.2 微觀結構特征

對弱膠結砂巖樣品進行不同倍數下的電鏡掃描分析，結果如圖2所示。由圖2可知，砂巖結構面顆粒感比較明顯，顆粒邊界比較清晰，但是其表面非常的粗糙、不光滑，在低倍數條件下，可觀察到礦物呈現塊狀及片狀分布，結構較完整，少量呈蜂窩狀分布，孔隙裂隙發育明顯，大孔隙存在較多，且貫通性較好，結構疏松，致密性差；在高倍數條件下，可觀察到膠結物多呈現纖維狀或絮狀，與周圍礦物接觸面少，可明顯觀察到層狀礦物分布，導致膠結狀態差，強度低。

圖2 微觀結構Fig.2 Micro structure

2 試驗方案

2.1 巖樣制備

取樣方法為現場取芯，取樣后加工制作成Ф50 mm×25 mm圓柱巖樣。樣品的兩端經過研磨，以獲得平行、平坦和光滑的表面，確保均勻的載荷分布。圖3為部分試件。

2.2 試驗方案

圖3 部分巖樣Fig.3 Rock samples

圖4 聲發射探頭布置Fig.4 Layout of acoustic emission probe

本次試驗采用YAD-2000型液壓伺服試驗機，試驗采用0.01 mm/min、0.05 mm/min、0.1 mm/min、0.3 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min六級加載速率進行加載，為控制試驗效果的離散性，每種速率下進行巖樣成功實驗各三塊，對異常試件進行補做，試驗過程中采用聲發射監測系統和DIC監測系統進行同步信號采集，試件表面共布置四個探頭(圖4)，放大器前置放大增益為40 dB，采集固定門檻為30 dB，采樣頻率設置為1 MHz。DIC監測系統主要包括高速相機、照明系統、同步控制系統。試驗系統如圖5所示。

3 試驗結果

3.1 抗拉強度

圖5 試驗系統Fig.5 Test system

圖6 加載速率對巖石抗拉強度的影響Fig.6 Effect of loading rate on tensile strength of rock

根據巖樣的拉伸試驗結果計算巖樣的抗拉強度，其隨加載速率的變化如圖6所示。由圖6可知，弱膠結砂巖的抗拉強度與加載速率密切相關，試樣的抗拉強度的離散型均在正常范圍內，以試樣的平均抗拉強度表征巖樣抗拉強度隨加載速率的變化規律，試樣的抗拉強度隨加載速率也呈正相關關系，對弱膠結砂巖的平均抗拉強度進行多項式擬合，確定其R2為0.96，可以看出擬合曲線與平均抗拉強度較吻合。

3.2 聲發射計數

通過獲取劈裂試驗過程中不同巖樣的聲發射計數，可以研究其內部損傷變化規律。本文對聲發射計數進行了研究，得到的劈裂試驗中不同加載速率下巖樣應力-時間-聲發射計數曲線如圖7所示。

圖7 砂巖應力-時間-聲發射計數曲線Fig.7 Sandstone stress-time-acoustic emission counting curve

由圖7可知，巖樣在不同加載速率下的應力、聲發射計數隨時間的變化規律基本一致，通過對比發現，圖中應力曲線均可劃分為三個階段：①壓密階段，該階段巖樣應力-時間曲線斜率逐漸增大，同時該階段巖樣聲發射計數較少，這是因為巖樣內部存在原生孔隙和微裂隙，在應力作用下逐漸被壓密，巖樣內部也沒有新裂隙的產生；②彈性階段，該階段巖樣應力隨時間變化呈線性增長，巖樣聲發射信號依舊較少，巖樣內部微裂隙穩定擴展；③破壞階段，該階段巖樣應力-時間曲線斜率逐漸減小，曲線開始出現波動，巖樣產生塑性變形，同時聲發射信號明顯活躍，計數增加明顯，并且伴隨應力達到峰值，聲發射計數突增達到最大值，說明聲發射信號的激增點與巖樣的峰值應力點一致，大量的聲發射事件發生在巖樣破壞的瞬間。

3.3 聲發射事件分布特征

巖石的破壞實際上是其內部裂隙起裂、擴展直至貫通的動態演化過程。巖石的AE事件分布與其內部損傷密切相關，通過AE事件分布可以判斷裂紋的起始位置和傳播趨勢，并根據位置圖中的損傷位置和演變趨勢直接確定AE事件源的位置。所以為研究巖樣裂隙擴展與破壞損傷的關系，采用聲發射與攝影相結合的方法，對巖樣破壞過程進行分析。

圖8展示了劈裂過程中應力、聲發射累積計數隨時間的變化關系以及AE事件分布和宏觀破裂特征。在巖樣的壓密階段(0.3p0)，巖樣內部的聲發射定位事件非常少而且零星分布于巖樣中，此階段產生的聲發射事件主要是由巖樣中原有缺陷、微裂紋被壓縮引起的，此時的聲發射累積計數曲線斜率很小，曲線近似水平，說明此時計數緩慢增長，巖石無破壞產生；當巖樣被加載到彈性階段(0.6p0)時，處于初始裂紋出現階段，聲發射事件略有增加，并開始在一部分區域內集中，此時聲發射累積計數曲線斜率開始增大，說明此階段隨著應力的逐漸增加，聲發射信號開始活躍；當巖樣被加載到破壞階段(0.9p0)時，聲發射事件數突增，信號明顯活躍，聲發射事件在一定區域內出現明顯的集中，巖樣的主裂隙已經出現，此時的聲發射累積計數曲線斜率突增，呈現臺階躍增現象，隨著繼續加載達到峰值應力(p0)時，伴隨主裂隙瞬間貫通，聲發射累積計數突增到最大值，巖樣失去承載能力。

圖8 不同加載速率下砂巖AE事件分布Fig.8 AE event distribution of sandstone under different loading rates

3.4 基于DIC的全場應變演化

為了分析弱膠結砂巖在巴西劈裂過程中的劈裂破壞特征和應變場演化，利用DIC對加載過程中巴西圓盤表面破裂演化情況進行監測。DIC是一種根據試樣表面斑點運動來得到對象表面應變的非接觸變形測量方法，可用于研究巖石試樣表面變形和裂紋的演化。試驗開始前，在巴西圓盤表面制作散班，試驗過程中利用攝像設備采集圖像，分析過程通過VIC-2D軟件進行，處理得到加載時試樣表面應變變化數據和破裂過程。 鑒于篇幅，選取0.01 mm/min、0.1 mm/min、1 mm/min試驗結果進行分析。

圖9為不同加載速率下巖樣破壞過程中的全局應變場。由圖9可知，隨著荷載逐漸增加，在0.7p0時，試件首先會在頂部或者底部出現明顯的應力集中現象，荷載繼續增加，在0.9p0時，兩端應變向中間擴展，在達到p0時，形成貫通，加載速率的變化對劈裂過程中的應變演化沒有較大影響，不同速率下巖樣應變場演化規律基本相同。

圖9 全場應變演化規律Fig.9 Evolution law of full-field strain(注：圖(a)、圖(b)和圖(c)中，從左到右小圖分別對應峰值荷載的70%、90%、100%，對應彈性變形中間階段、彈性變形階段末期、破壞時刻)

3.5 巖樣宏觀破壞特征

圖10為劈裂試驗下弱膠結中砂巖宏觀破壞圖。由圖10可知，試件的破壞主要沿加載方向發生劈裂破壞，破壞后不同裂紋走向與巖樣中原有弱面和裂隙有關，加載速率的變化對其破壞模式基本無影響。

圖10 劈裂試驗巖樣宏觀破壞圖Fig.10 Macroscopic failure diagram of tensile test rock samples

4 結 論

對弱膠結結砂巖在0.01 mm/min、0.05 mm/min、0.1 mm/min、0.3 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min六級加載速率下進行劈裂試驗，分析了加載速率對弱膠結砂巖的抗拉強度、聲發射特征、全場應變演化的影響，得出以下結論。

1) 試樣的抗拉強度隨加載速率的變化呈正相關關系，對弱膠結砂巖的平均抗拉強度進行多項式擬合，確定其R2為0.96，擬合曲線與平均抗拉強度較吻合。

2) 巖樣在不同加載速率下的應力、聲發射計數隨時間的變化規律基本一致，均可劃分為三個階段：壓密階段、彈性階段、破壞階段，并且聲發射信號的激增點與巖樣的峰值應力點一致，大量的聲發射事件發生在巖樣破壞的瞬間。

3) 隨著荷載逐漸增加，試件首先會在頂部或者底部出現明顯的應力集中現象，然后向中間擴展，在達峰值應力時，形成貫通，加載速率的變化對劈裂過程中的應變演化沒有較大影響，不同速率下巖樣應變場演化規律基本相同。