考虑浸泡水温影响的泥质粉砂岩破坏过程声发射特征试验研究

周晓山，吕　欣，刘祥鑫

(1.华北理工大学继续教育学院，河北 唐山 063009；2.华北理工大学现代技术教育中心，河北 唐山 063009；3.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009)

考虑浸泡水温影响的泥质粉砂岩破坏过程声发射特征试验研究

周晓山1，吕欣2，刘祥鑫3

(1.华北理工大学继续教育学院，河北 唐山 063009；2.华北理工大学现代技术教育中心，河北 唐山 063009；3.华北理工大学矿业工程学院，河北 唐山 063009)

摘要：高地温水工隧洞、深部矿山工程中温度的变化对地下岩体的物理力学性质具有重要影响，目前不同水温浸泡下岩石破裂相关研究较少。本文将泥质粉砂岩置于自然干燥以及28℃(常温)、40℃、50℃、70℃、100℃共五种不同温度的水中浸泡至饱和，然后开展单轴压缩试验，研究了泥质粉砂岩的物理力学及声发射特征。研究结果表明：温度对泥质粉砂岩含水的影响存在一个临界转换点(本研究为40℃)，当温度在28～40℃时，岩石含水能力被“弱化”，当温度大于40℃时，泥质粉砂岩含水能力被“增强”。在28～100℃中，温度对泥质粉砂岩物理力学性质起“增强”作用，表现为弹性模量增加，刚度提升。当水温从28℃升高到40℃，声发射时域活动性增强，水温从40℃提高到100℃时，声发射时域活动性减弱。声发射能量b值和熵值曲线较好地体现了裂纹演化规律，水温越高，在形成主裂纹过程中，伴生裂纹出现的概率越低。

关键词：泥质粉砂岩；含水；水温；破坏特性；声发射

岩石在水作用下变形破坏问题的本质就是水岩耦合变形破裂问题[1-2]。在深井岩体工程中，由于地热、水、地应力或应力扰动的存在，岩体将会受到温度-流体-应力耦合作用。研究此类问题的时候，除了考虑渗流应力对岩石破裂的影响之外，水温也应是不可忽略的因素。

国内外众多学者开展了含水岩石声发射特征方面的研究。Andrew R.B.[3]对岩土体中水流的声发射开展研究；Marcak H.[4]开展了岩石渗流与声发射关系的研究；唐书恒等[5]通过模拟煤储层的压裂特征，进行饱水煤岩单轴压缩声发射实验；秦虎等[6]通过自制的固-气耦合细观力学试验装置，开展不同含水率煤样的单轴声发射特征实验；许江等[7]对不同含水状态砂岩进行剪切声发射实验，探讨声发射信号随时间演化规律以及与岩石裂纹扩展之间的联系；童敏明等[8]从不同加载应变速度下开展了含水煤岩声发射频谱特性分析；李俊平等[9]通过单轴压缩力学实验，进行在渗流和非渗流条件下岩石的声发射实验；张艳博等[10]等针对声发射时频域特征，开展了饱和含水与干燥岩石的力学及声发射特征影响研究。

以上的研究重点都是针对岩石含水(静水压作用)状态、考虑渗流或水压致裂(动水压作用)来开展研究。针对不同水温浸泡对岩石破裂的影响却少有研究。在实际的岩体工程中，水温的变化对岩石破坏的影响却普遍存在着。在俄罗斯千米平均地温为30～40℃，个别达52℃，南非某金矿3000m 时地温达70℃[11]。因此，开展不同水温浸泡下岩石破裂的研究工作具有一定的现实意义。

在高温条件下岩石的物理力学性质和常温相比有着较明显的区别，地下空间由于特殊“三高”环境对岩体的物理力学性质有着重要的影响[12]。这种耦合作用的本质都是岩石微观颗粒及其颗粒间连接特征的改变，而这正是岩体力学响应机制的基础。本文选择受水影响较大的泥质粉砂岩试样展开研究，分别进行自然干燥、28℃(常温)、40℃、50℃、70℃和100℃含水饱和处理，开展单轴压缩试验。研究这六种含水情况对岩石物理力学及声发射特征，以期对深部岩体工程中遭受与水同时作用的岩石破坏问题提供一定的工程参考价值。

1实验方案

1.1岩石试件处理

本文的浸泡时间统一设置为2h，处理方式为：干燥 → 称重1 → 浸泡→ 称重2。根据实际地下工程中的高温条件，试验设计的温度范围从28～100℃共5个温度梯度(28℃，40℃，50℃，70℃，100℃)。岩石含水后情况如表1所示。将岩石试件尺寸加工为50mm×50mm×100mm，并对两端进行仔细研磨，使上下表面平等度符合试验要求。控制方式统一选择位移控制，加载速率选择0.15mm/min。

表1　岩石试件含水处理情况表

1.2实验设备

试验在长春朝阳试验机厂研发的TAW-3000岩石力学试验系统上完成，声发射采用美国声学物理公司PAC产的PCI-2型多通道声发射监测系统。

2.3试验方案

本实验采用位移控制方式加载，为排除接触噪声对声发射监测的影响，先预加载至1kN，随后以0.18mm/min加载至破坏，自动记录实验过程中的力学数据。试验中声发射测试系统的门槛值设置为40dB，波形采样率设置为1MSPS，预触发为256，波形数据长度为2K；声发射探头选择R6α型谐振式高灵敏度传感器，其工作频率为35k～100kHz，为使其探头与试件之间紧密结合，在探头与试件之间涂抹了一层凡士林。

2实验结果分析

2.1岩石宏-微观物理力学性质与温度变化规律研究

图1为不同水温浸泡下的泥质粉砂岩弹性模量、含水率变化情况。泥质粉砂岩是典型的多孔介质地质体，孔隙提高了岩石与水接触面积，水对岩石的五个作用(弱结合水的连接作用、润滑作用、水楔作用，自由水的孔隙压力作用、溶蚀及潜蚀作用)。选择自然干燥、28℃、40℃和100℃四种代表性较强的情况展开讨论。

含水率：28℃水>100℃水>40℃水；弹性模量：100℃水>40℃水>28℃水。

图1不同水温浸泡下泥质粉砂岩物理力学参数曲线图

根据以上讨论，对于泥质粉砂岩的含水能力存在一个温度转换点(40℃)：①在一定的温度范围内(本试验的温度为28～40℃左右)，温度在水岩作用中起着“弱化”作用，降低了泥质粉砂岩的水理性质，表现为含水率的降低以及软化系数的提高，抗压强度和弹性模量提高；②当温度继续升高超过40℃时，温度在水岩作用中起“催化”作用，泥质粉砂岩的水理性质提高，表现为含水率的提高，软化系数降低，抗压强度和弹性模量的降低；③当温度升高超过70℃时，温度作用已经微乎其微了，表现为泥质粉砂岩水理性质和力学性质变化不明显。

2.2岩石声发射与温度变化规律研究

根据以上分析，在下面分析中，选择自然干燥、28℃、40℃和100℃四种代表性较强的情况展开进行分析论述。

2.2.1岩石声发射基础参数分析

图2为不同水温泥质粉砂岩试件载荷、声发射-时间曲线图。浸泡与否对岩石声发射时域产生较大的影响。受岩石含水软化影响，岩石破裂时能量释放率要低于自然干燥岩石试件，但岩石声发射活动明显增强，整个破裂过程岩石声发射较丰富。在初期阶段，干燥状态的岩石只出现少量的信号，含水岩石声发射极为丰富；进入弹性阶段，自然饱和岩石的声发射能量值比干燥岩石试件要大得多；进入塑性变形阶段后，自然干燥岩石试件几乎不产生声发射，而自然饱和岩石试件则出现大量的声发射信号，在破裂前也存在声发射的平静期(图2(a)中A区)；在岩石峰值载荷处，自然干燥岩石试件的声发射能量出现最大值，而自然饱和岩石试件的能量峰值则出现滞后现象。

相较于40℃含水试件，100℃含水试件的声发射能量值变化较小。临近塑性变形阶段，声发射活动较前两阶段剧烈。当岩石进入破裂后期，100℃含水岩石试件出现多次大破裂，在声发射绝对能量曲线出现多处数值高点。在能量释放方面，可分为以下两个阶段：①水温从28℃提升到40℃时，由于岩石含水率降低，声发射活动性降低，水的软化性降低，造成最后破裂时声发射绝对能量值阶次从106提高至107；②水温从40℃提高至100℃，含水率较40℃提高，岩石出现软化，临近破裂时声发射绝对能量值从7.8×107降低至5×107。

2.2.2岩石声发射能量b值及熵值分析

声发射b值反映了岩石破裂过程中微裂纹空间分布情况，分析b值有助于认识岩石破坏机制，可进一步提出合理的岩石破坏前兆判据。b值随加载过程的进行，可对岩石内部在不同加载阶段所承受的不同应力和内部平均强度的变化，同时也反映了岩石内部微裂纹尺度的变化情况[14]。b值的计算可用年Gutenberg 与Richter在研究地震量提出的关于地震震级与频度之间的统计关系式，即G-R关系式求解(式(1))。

logN(M)=a-bM

(1)

式中：N为震级为ΔM中的声发射次数；M为震级；a、b为常数，其中b是声发射相对震级分布的函数，因此，b值也是裂纹扩展尺度的函数。

声发射熵值是一个宏观物理量，可描述岩石破裂时微裂纹的尺度大小，反映了岩石破裂时能量耗散。分析岩石加载过程中的熵值，可有效地得到岩石加载破坏时的规律[15]。熵值和b值都是从地震学中引入，都反映了岩石破裂规律，两者可通过如式(2)所示求解得到。

(2)

式中：H(t)表示声发射能量熵值；k′=log(e·loge)≈0.072。

如图3所示，在加载前、中期声发射数量较少，导致声发射能量b值和熵值对该区域不敏感，到了稳定扩展阶段，声发射数稍有增加，声发射能量b值和熵值稍有增加，但岩石仍安全稳定；当岩石处于非稳定扩展阶段，岩石内部已出现大量新裂纹，声发射数大量增加，裂纹继续扩展，直至形成较大的破裂面，声发射b值和熵值大量出现。

图2　不同水温泥质粉砂岩力学、声发射绝对能量-时间曲线图

图3　部分水温浸泡泥质粉砂岩声发射能量b值及熵值

结合图3、图4，不同水温的泥质粉砂岩最终都发生压剪或张剪破坏，但受不同水温的影响，泥质粉砂岩破裂过程的规律性存在一定的差异。28℃含水试件出现多条主裂纹，并且主裂纹附近出现了众多的伴生裂纹，裂纹扩展较复杂，这种复杂性增加了b值和熵值曲线的上下跳动的剧烈程度，规律性相对不明显，熵值的规律性强于b值；40℃含水试件在形成一条贯穿整个试件的张裂纹之外，由于破裂降低了端面的平等度，岩石出现局部应力集中，在该部位出现张拉破坏，试件的中部出现一条垂直于加载方向的裂纹。且没有出现明显的伴生裂纹，b值和熵值曲线的跳动较小，规律性相对28℃含水更强；100℃含水试件最终破裂只形成了一条主裂纹，没有明显的伴生裂纹，在整个加载过程声发射能量b值和熵值曲线的规律性较好，特别是熵值，几乎没有出现明显的跳动情况。

由以上分析知，b值和熵值曲线变化较好地体现了裂纹的演化情况。受浸泡水温的影响，不同水温的泥质粉砂岩裂纹扩展存在一定的区别。在28～100℃中，随着温度的升高，主裂纹形成过程的伴生裂纹越来越少。

图4部分水温浸泡岩石试件破裂形态图

3结论

1)水温对泥质粉砂岩含水性的影响存在一个临界转换点(本研究为40℃)。当温度低于40℃时，温度对水理性质起着“弱化”作用；当温度高于40℃时，温度对水理起着“催化”作用；

2)水温对泥质粉砂岩破裂的声发射活动性存在一个影响节点(本研究为40℃)。当水温从28℃提高至40℃，泥质粉砂岩的声发射活动性逐渐增强，在临近破裂时声发射能量值提高了一个数量级。当水温在40～100℃时，岩石破裂时的能量耗散量降低，声发射活动性减弱；

3)声发射绝对能量b值和熵值曲线较好地反映了泥质粉砂岩的裂纹演化情况。泥质粉砂岩最终呈压剪或张剪破裂，受浸泡水温影响(本研究28～100℃之间)，温度的升高降低了伴生裂纹出现的概率。

参考文献

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Experimental study on failure process characteristic of considered about the water-temperature of argillaceous siltstone

ZHOU Xiao-shan1，LV Xin2，LIU Xiang-xin3

(1．Continue Education College，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；2.Modern Technology and Education Cetre，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China；3.College of Mining Engineering，North China University of Science and Technology，Tangshan 063009，China)

Abstract:The change of water-temperature has an important effect on physical and mechanical properties of the rock mass underground of high temperature hydraulic tunnel and deep mining engineering.At present different water-temperature has got a less study on rock burst.This paper put research of uniaxial compression test on natural drying and five different temperatures(28℃，40℃，50℃，70℃，100℃) by argillaceous siltstone.The results show that the influence of temperature on the argillaceous siltstone water have a critical point(this study of 40℃).When the water-temperature in the range of 28℃ to 40℃，the containing-water ability of rock is “weaken”.While the water-temperature is greater than 40℃，the containing-water ability of rock is “enhance”.In 28～100℃，the water-temperature plays a role of “enhance” of rock physical and mechanical properties.When the water temperature rise from 28℃ to 40℃，the time-domain activity of AE increased，and the time-domain activity of AE weaken while the water temperature increased from 40℃ to 100℃.The curve of b-value and entropy can get a well reflect to the crack evolution law.In the process of formation of the main crack，the probability of accompanying-crack decreased.

Key words：argillaceous siltstone；moisture；water-temperature；failure characteristic；acoustic emission

收稿日期：2015-11-30

基金项目：河北省教育厅自然科学类项目资助(编号：QN2014067)

作者简介：周晓山(1981- )，男，江西上饶人，硕士，讲师，主要从事岩石力学与矿业经济领域的教学与研究工作。

中图分类号：TU454

文献标识码：A

文章编号：1004-4051(2016)05-0141-05