单轴压缩下页岩的声发射特征研究

陈钰婷，卢义玉，汤积仁，王相成

（1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆　400044；2.重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆　400044）



单轴压缩下页岩的声发射特征研究

陈钰婷1，2，卢义玉1，2，汤积仁1，2，王相成1，2

（1.重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆400044；2.重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室，重庆400044）

摘要：随着社会对能源需求的日益增长，页岩气作为一种新型清洁能源受到全球热点关注。本文以四川盆地龙马溪组页岩为研究对象，通过对页岩进行了单轴压缩条件下声发射试验，并使用MATLAB对页岩的累积能量进行统计分析，研究了页岩的力学特性和声发射特征。研究结果表明：（1）通过单轴压缩试验，得到的页岩峰值强度在125.34MPa～147.80MPa，弹性模量在4.09 GPa～6.73 GPa。（2）单轴压缩下，页岩的声发射计数、累计能量与其应力之间具有良好的关联性。（3）页岩的声发射能量分布服从幂减定律p（E）～E－γ，γ的分布主要集中在0.5附近。

关键词：岩石力学；页岩；力学特性；声发射

近年来，页岩气藏作为一种被认为可以代替常规天然气的新能源受到了全球的热点关注。了解天然岩石材料在压缩下的破坏对于预测例如矿井、建筑等结构的垮塌失稳具有重要意义。在很大的尺度上，甚至地震也可以被视为地壳受压缩应力导致的破裂行为。认识这类相关失稳机理和发现对于防治矿井事故的材料结构准则是重要的。而由于声发射技术能够被用来研究岩石材料的裂纹发展和破坏过程，其在岩石破坏机制的研究中受到很大程度的认可［1］。所以，开展单轴压缩下页岩的声发射特性研究具有重要意义。

目前，国内外学者在页岩力学特性方面已获得了一定研究成果：彭光忠［2］对页岩进行单轴压缩试验，试验结果表明页岩的强度极限值随着结构面夹角增加而变小；刁海燕［3］通过试验研究得出泥页岩的抗压强度随着围压的增大而增大，同时也随着杨氏模量减小而减小；而关于岩石破坏过程的声发射特征特性的试验也有学者进行了一些研究，并获得了一定研究成果：姚强岭等［1］通过单轴压缩条件下的声发射试验，分析了干燥和含水条件下的砂岩声发射特征的区别。Ganne等［4］通过对破坏前的岩石进行了声发射试验，分析得出了岩石破坏前其累积声发射能量的4个阶段。

可见，关于页岩力学特性的研究多采用传统试验手段和数据分析方法，而鲜有关于页岩的力学特性方面用声发射手段并进行统计分析的研究。近年来，临界科学研究表明［5］岩石的破裂行为具有临界性。在所有这些外部作用情况下，突然改变的响应物理量被称为雪崩事件。在一些情况下，这些突然改变的响应物理量又被称为断裂噪音［6，7］。这里的断裂噪音并不是断裂发出的声音，而是指满足一定条件的上述响应物理量，即要求响应物理量的大小应该分布在较宽泛的数量级上。声发射中的绝对能量正是一种破裂噪音，首先声发射是一种雪崩事件，是材料受到外部力场作用做出的突然改变的响应物理量，其次标准试验试件的声发射绝对能量大小分布跨越6～7个宽泛的数量级，满足破裂噪音的定义。因此可以采用雪崩动力学和破裂噪音技术方法对岩石失稳破坏中的声发射现象进行分析，进而了解岩石破裂的非平衡过程。破断噪音分析是一种临界状态分析，在临界状态下系统的响应受到临界指数r的表征。并且临界指数具有一定程度的普遍性，这其中的理论证明可以由重整化群理论得知，重整化群计算显示，在很长的标度下相似系统流向了相同的不动点［8］。可见获得高精度的临界指数r是极其重要的。因此，本文通过对页岩在单轴压缩下所进行的声发射测试，研究了单轴压缩下页岩的力学特性和声发射特征。

1　试验概况

1.1试样的采集与制备

试验所用岩样为取自四川盆地的志留系龙马溪组页岩，作为富含有机质的烃源岩，其能较好地代表南方龙马溪组页岩气储层特征［9］。通过X衍射测试的全岩分析得出其矿物组分，结果（见表1）。

表1　试件矿物组分Tab.1 Specimen mineraogical

本次试验试样均取自同一岩块，以减小试样之间的个体差异，取心方向为与层理面方向夹角呈90°方向，试样加工严格按照国际岩石力学试验规程的要求进行，保证试样两端光滑、平行（平行度小于0.01 mm）且与中轴垂直（角度偏差不大于0.05°），试样尺寸为Φ25 mm×50 mm。岩样呈黑褐色，层理明显。

1.2试验设备

试验设备主要包括页岩加载系统和声发射数据采集系统。其中，页岩加载系统所采用的设备为岛津试验机；声发射数据采集系统采用设备为美国物理声学公司生产的声发射监测仪，本次声发射检测设置的采集频率为20 kHz～400 kHz，间隔时间为10s，门槛值为45 dB，系统参数（见表2）。为保证实验效果，实验采用2个探头进行检测，前放增益为40 dB，与前置放大器一致，每一通道对应一个独立的前置放大器和传感器，其参数（见表3）。

表2　DISP声发射系统参数Tab.2 The parameters of DISP acoustic emission system

表3　传感器参数Tab.3 The parameters of sensor

1.3试验方法

本文单轴压缩试验，在室温条件进行，以0.1 mm/min的加载速度施加荷载，直到试样破坏为止，试验中同时监测全过程的声发射信号，并同步结束加载和声发射信号的检测，最后记录数据及观察试件。具体试验步骤如下：

（1）连接探头和声发射检测仪器，选择硬件参数设置，将设置文本框中的通道与此次测试的传感器相对应，并选择绝对能量等需要测试的参数，具体参数设置参照表2。

（2）选择数据采集，检测各个声发射探头与对应的通道是否畅通。

（3）确定声发射探头数据采集无误，再把打磨好的试件平稳放在加载台上，将声发射探头的检测面抹上黄油并紧贴在试件表面，并用橡皮筋固定。

（4）再次选择数据采集，轻轻敲击页岩试件，观察显示器上各个通道的数据采集情况，以此来检验探头和试件的黏合效果。若信号采集效果不好，检查连接情况并重复前面的步骤，直至所有通道全部正常工作。

（5）保证信号采集无误后，同步启动岛津与声发射检测仪器，直至试件破裂。

2　试验结果及分析

2.1页岩的强度及变形特征

2.1.1强度变化分析不同试件的页岩峰值强度对比图（见图1），由图1可以看出：页岩单轴抗压峰值强度在125.34MPa～147.80MPa范围内，平均值为136.00MPa。

图1　页岩的峰值强度对比图Fig.1 Comparison of peak strength of shale

2.1.2变形特征变化分析不同试件的页岩弹性模量对比图（见图2），由图2可知：页岩弹性模量在4.09 GPa～6.73 GPa范围内，平均值为5.74 GPa。

图2　页岩的弹性模量对比图Fig.2 Comparison of elastic modulus of shale

2.2超临界二氧化碳作用下页岩的声发射特征

由于试件内部结构的不同，其声发射特征参数会随之存在差异，而通常使用的声发射特征参数有：幅度、声发射计数、时间差、声发射能量等。

页岩在单轴压缩下的应力-应变与声发射计数的关系曲线（见图3）。页岩的声发射特征可以分为以下4个阶段：（1）初始压密阶段，加载初期只有十分少的声发射信号产生；（2）弹性变形阶段，声发射信号开始产生，并缓慢上升；（3）裂纹稳定发展阶段，声发射信号增长的幅度加大；（4）裂纹不稳定发展至破坏阶段，声发射信号急剧上升，随着裂纹的继续扩展，直至页岩试件失稳破坏。由图3可看出：页岩的应力值与声发射计数之间存在良好的相关性，它们同一时间达到最大值。

图3　页岩的应力-声发射计数关系曲线Fig.3 Corresponding relation of AE counts with variation of stresses

页岩在单轴压缩下的应力-应变与累计能量的典型关系曲线（见图4），几个页岩试件的累计能量发展规律类似。从图4可以看出：页岩的累计能量与应力值之间同样具有较好的关联性。另外，相较于应力-应变曲线，从页岩声发射的累计能量曲线上能更直观地观察到裂纹的发展历程，当累计能量开始出现增长时意味着试件内部的裂纹开始萌生，而后裂纹进入稳定发展阶段，当累计能量出现急剧增大的趋势时，裂纹开始不稳定发展，内部裂纹的贯通，预示着试件的破裂。

图4　页岩的应力-累计能量关系曲线Fig.4 Corresponding relation of AE energy with variation of stresses

通过MATLAB软件处理页岩的声发射绝对能量的数据，获得页岩的声发射能量概率密度分布情况。采用对数坐标画图（见图5）。

图5　能量概率密度分布图Fig.5 The plot of Energy probability density distribution

在大量尺寸不一且跨越多个数量级的声发射事件能量信号中，每一个声发射能量样本值｛Xi｝都是独立的。根据Saljea E K.H.等学者研究表明［10］，脆性材料断裂破坏的能量规律满足幂衰减定律。由图5可以看出：（1）整个过程的能量分布符合线性关系，说明页岩的声发射能量分布服从幂函数p（E）～E－γ；（2）页岩的绝对能量值跨越多个数量级，其概率密度贯穿整条幂函数曲线，利用函数能够获得很好拟合效果（R=0.991 5），各个页岩试件拟合所得γ的分布较稳定，主要集中在0.5附近，表明不同页岩试件的声发射能量分布规律具有很强的一致性。

3　结论

（1）通过单轴压缩试验，得到的页岩峰值强度在125.34MPa～147.80MPa，平均值为136.00MPa；弹性模量在4.09 GPa～6.73 GPa，平均值为5.74 GPa。

（2）单轴压缩下，页岩的声发射活动主要包括以下各阶段：初始压密阶段、弹性变形阶段、裂纹稳定发展阶段以及裂纹不稳定发展至破裂阶段。

（3）单轴压缩下，页岩的声发射计数、累计能量与其应力之间具有良好的关联性。

（4）页岩的声发射能量分布服从幂减定律p（E）～E－γ，使用方程y＝aE－γ能够获得很好拟合效果，γ的分布主要集中在0.5附近。

参考文献：

［1］姚强岭，李学华，何利辉，周健.单轴压缩下含水砂岩强度损伤及声发射特征［J］.采矿与安全工程学报，2013，30（5）：717-722.

［2］彭光忠.单轴压应力下页岩岩块的结构面方向与其力学特性的关系［J］.岩土工程学报，1983，（2）：101-109.

［3］刁海燕.泥页岩储层岩石力学特性及脆性评价［J］.岩石学报，2013，（9）：3300-3306.

［4］GANNE P，VERVOORT A，WEVESS M. Quantification of pre-peak brittle damage，Correlation between acoustic emission and observed micro-fracturing［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2007，44（5）：720-729.

［5］Moreno Y，Gómez J B，Pacheco A F. Fracture and Second-Order Phase Transitions［J］.Physical Review Letters，2000，85（14）：2865.

［6］Sethna J P，Dahmen K A.，Myers C R. Crackling noise［J］. Nature，2001，6825（410）：242-250.

［7］White R A，Dahmen K A. Driving Rate Effects on Crackling Noise［J］.Physical Review Letters，2003，91（8）：085702.

［8］Dahmen K，Sethna J P. Hysteresis，avalanches，and disorder-induced critical scaling∶A renormalization -group approach［J］.Physical Review B，1996，53（22）：14872.

［9］朱炎铭，陈尚斌，方俊华，等.四川地区志留系页岩气成藏的地质背景［J］.煤炭学报，2010，35（7）：1160-1164.

［10］Saljea E K.H. Daniel Enrique Soto- Parrab.Failure mechanism in porous materials under compression∶crackling noise in mesoporous SiO2［J］.Philosophical Magazine Letters，2011，91（8）：554-560.

Experimental study on the AE characteristics of the shale under uniaxial compression

CHEN Yuting1，2，LU Yiyu1，2，TANG Jiren1，2，WANG Xiangcheng1，2
（1.Coal Mine Disaster Dynamics and Control State Key Lab，Chongqing University，Chongqing 400044，China；2.State and Local Joint Engineering Laboratory of Mining Complex Coal Seam Gas Pumping，Chongqing University，Chongqing 400044，China）

Abstract:To study the AE characteristics of the shale，the acoustic emission（AE）test under uniaxial compression were conducted for the silurian shale from Sichuan basin Longmaxi. The results showed that，（1）by uniaxial compression test，the peak strength of shale is 125.34MPa～147.80MPa，the elastic modulus is between 4.09 GPa～6.73 GPa.（2）Under uniaxial compression，the acoustic emission count，cumulative energy and the stress of shale have good correlation.（3）The shale AE energy distribution conforms to the power law distribution，namely，P（E）～E-γ，γ mainly concentrated in 0.5.

Key words：rock mechanics；shale；mechanical properties；acoustic emission

中图分类号：TE132.2

文献标识码：A

文章编号：1673-5285（2016）06-0061-04

DOI:10.3969/j.issn.1673-5285.2016.06.015

*收稿日期：2016-05-07修回日期：2016-05-13

作者简介：陈钰婷，女（1989-），硕士研究生，邮箱：cyt0027@163.com。