干燥-饱和循环作用下砂质泥岩抗剪性能劣化试验研究

2019-04-11汤传金姚强岭王伟男王烜辉

煤炭学报 2019年3期

汤传金，姚强岭，王伟男，王烜辉

(1.中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州 221116; 2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州 221116)

中西部生态脆弱矿区是我国煤炭资源开发的战略重地，而该地区位于干旱半干旱地区和缺水区，植被稀少，水土流失严重，水资源的匮乏对当地的居民生活水平、生态环境保护、工业生产特别是煤炭生产产生了非常大的制约作用。煤炭开采活动势必会破坏地下部分岩层的结构完整性，常常会破坏地下含水层，造成水位下降、地表水流失、地表植被破坏，地表水资源流失更加严重[1-2]。部分含水层的水沿着岩层导水裂隙渗透到各个层位，引起工作面渗水、巷道淋水、采空区存水等一系列问题，对安全高效生产提出了新的要求。保水开采和地下水库技术在水资源保护和利用问题上提供了解决思路。中西部生态脆弱矿区煤炭开发，一是在有工程条件的区域推广保水开采，二是在没有实现保水开采的区域推广应用，均应重视煤水共采，在煤炭开采过程中实现对水资源的有效转移储存和利用[3-4]。该区域是国家的重要生态屏障，水资源的地位甚至高于煤炭，水资源的保护存在重要的战略意义。但是煤炭开采破坏含水层后，水资源的储存状态发生改变，传统保护含水层结构的方式无法进一步解决已经发生转移的水资源问题。地下水库技术则通过将采空区安全煤柱和岩柱通过人工坝体连接在一起，将采空区作为储水空间，将矿井水进行储存和利用[5]。

地下水库在存储与抽取水的过程中涉及到水位的反复升降，对坝体边界产生反复损伤作用。包括其他富水环境的井下作业，都涉及到水的反复入侵，对煤岩体造成弱化。由于煤岩体结构成分存在差异，在遇水后呈现力学性质的变化具有不同的规律性。水能够弱化煤岩体的峰值应力、弹性模量、应变软化模量和峰后模量[6-7]，降低煤岩体抗剪强度、黏聚力和内摩擦角[8]，通过裂隙尖端材料发生的物理化学反应降低岩石强度并加速亚临界裂纹的增长[9]，但对裂隙闭合阈值、裂隙初始发育阈值和裂隙损伤阈值的比例不产生影响[10]。在工程问题中，剪切破坏是最为常见的破坏形式。剪切载荷容易引起不同介质连接面破坏[11]，促进裂隙拓展和渗透性改变[12]，通常剪切破坏失稳发生在短时间内[13]，破坏形式包括剪切破坏、张拉和剪切复合破坏、剪切滑移3种形式[14]。为了评价煤岩体力学性能弱化和裂隙发展过程，声发射技术被引入岩石力学的研究中。国内外学者通过监测不同加载方式煤岩试样破坏过程中产生的声发射信号，研究了加载速率与裂隙数量[15]、裂隙类型[16]、累计损伤[17]的关系，并研究了声发射定位裂隙的相关内容[18]。

水对煤岩体的反复侵蚀，对水库坝体、顶板、巷道围岩等工程结构的稳定性产生不可忽视的影响。笔者基于砂质泥岩的自然吸水性规律，研究不同整数次干燥-饱和循环浸水状态下砂质泥岩试样的抗剪强度特征，探讨砂质泥岩力学失效过程的裂隙发展规律，为涉及水作用反复侵蚀的煤岩体稳定性评价的相关工程问题提供借鉴。

1 试验方案

1.1 试样的选取与制备

本文选用国家能源投资集团神东矿区乌兰木伦煤矿3-1号煤层顶板的砂质泥岩作为研究对象。该煤矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗境内，为植被稀少、水土流失严重区域。选取的岩石试样通过保鲜膜包装密封，存放于木箱中，底部和四周放入泡沫以减少在运输过程中造成的岩石损坏，至中国矿业大学南湖校区岩石材料加工厂加工成50 mm×50 mm×50 mm的标准立方体试样[19]70块。将3块试样单独标记为:No.1，No.2，No.3，用于测试岩样的吸水性规律。其余45块试样分为5组，其标记结构见表1:试样浸水次数-试验剪切角-试验的块数，比如W0-1-1表示干燥试样在45°压模角下进行压剪试验的第1块。余下22块备用。

表1 标签含义Table 1 Meaning of the tag

1.2 试验设备

试验设备主要包括干燥装置、无损浸水装置、应力加载监测系统和声发射信号采集系统，如图1所示。干燥装置是上海市试验仪器厂生产的101-2型电热恒温干燥箱;无损浸水装置是自制的试验装置，主要由保湿箱和加湿器2部分构成，通过塑料管连接，避免了直接将试样浸入水中而发生崩解破坏;加载系统采用中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室的新三思CMT5305微机控制电子万能试验机;本试验使用Physical Acoustic Corporation的PCI-2型声发射系统监测岩样破坏过程中的整体材料变化，该系统主要包括:控制计算机、放大器、声发射传感器等，能够实现岩石材料发生变化时的信号采集和数据转换;试验所用声发射探头型号为Nano30，谐振频率为140 kHz，频率范围为125～750 kHz。

图1 试验系统Fig.1 Test system

1.3 试验原理及方法

将干燥箱的烘干温度设定为105 ℃，将试件烘干8 h后取出，放入干燥器中冷却1 min至室温，再进行称量，用保鲜膜密封之后保存。使用无损浸水装置创造一个试样可以自由吸水的密闭环境，进行试样吸水性试验。根据试样的吸水性规律，确定试样到达饱和状态的时间。将试样分为5组，每组至少准备9块。分组编号W0-1-1～W0-3-3，W1-1-1～W1-3-3，W2-1-1～W2-3-3，W3-1-1～W3-3-3，W4-1-1～W4-3-3。W0组为干燥试样，后4组分别为干燥-饱和循环1次试样、干燥-饱和循环2次试样、干燥-饱和循环3次试样、干燥-饱和循环4次试样。

含水率的测定公式为

(1)

式中，wa为岩样的含水率，%;ma为岩样吸收水分之后的质量，g;md为岩样烘干之后的质量，g。

图2 剪切试验原理Fig.2 Shear test principle1—铺垫板;2—滚柱;3—变角剪切夹具上座;4—试件;5—变角剪切夹具;6—变角剪切夹具下座

剪切试验和声发射监测同步进行。将声发射探头布置在试样的2个暴露面上，用胶带固定。采用位移控制方式进行加载，加载速度为0.8 mm/min。变角剪切夹具将作用在岩样上的力P分解为与剪切面平行的剪应力和与剪切面垂直的正应力(图2)。通过设置的α值和破坏载荷P，可以得到正应力σ、剪应力τ、黏聚力c和内摩擦角φ等力学参数。

根据式(2)，(3)可计算试样所受的正应力σ和剪应力τ:

(2)

(3)

式中，σ为正应力，MPa;τ为剪应力，MPa;α为剪切面与水平方向的夹角，(°);P为破坏时的轴向载荷，N;A为剪切面积，mm2;f为摩擦因数,f=1/(nd);n为滚轴根数;d为滚轴直径，mm。

2 力学弱化结果分析

2.1 试样吸水性规律

结合图3，岩样的吸水性规律整体可分为3个阶段:(Ⅰ)含水率加速增长阶段、(Ⅱ)含水率减速速增长阶段、(Ⅲ)含水率饱和阶段。根据本文研究内容的需求，需要获得岩样吸水达到饱和状态时的浸水时间。由图3可得，浸水时间为42 h时岩样达到饱和状态。故后续干燥-饱和循环试验时岩样将在无损浸水设备中自由吸水42 h，此状态可认为达到饱和状态。

图3 浸水曲线Fig.3 Immersion curve

如图4所示，岩样饱和状态的含水率与干燥-饱和循环次数之间呈现规律性增长关系。通过拟合曲线发现，含水率随着浸水次数的增加呈指数增长。在干燥状态和第1次饱和状态之间，含水率变化最大。随着循环状态的变化，试样饱和状态之间的含水率变化趋势逐渐减小。故，含水率与干燥-饱和循环次数之间整体呈现减速上升关系。

图4 含水率与浸水次数之间关系Fig.4 Relationship between water content and immersion times

饱和含水率随干燥-饱和循环次数的增加符合指数关系:

w=0.07-0.07×0.15xR2=0.99

(4)

式中，w为岩样的含水率，%;x为浸水次数;R2为拟合曲线的相关性系数。

2.2 抗剪强度和轴向位移与干燥-饱和循环次数的关系

由图5可知，岩样抗剪强度、轴向位移均浸水次数呈负相关关系，与剪切角度也呈负相关关系。拟合方程为

(5)

式中，τ45,τ55,τ65为试样进行45°，55°，65°剪切试验时随浸水次数变化的抗剪强度;x为浸水次数;R2为相关性系数。

图5 试样抗剪强度、轴向位移与浸水次数关系Fig.5 Relationship between shear strength,axial displacement and number of immersion

浸水次数从0到4的过程中，45°剪切角加载的试样抗剪强度从9.46 MPa衰减到2.59 MPa，衰减幅度为72.62%，轴向位移由3.16 mm降低到1.87 mm，降低幅度为40.82%。同理，在55°剪切角条件下对应的数据分别为8.25 MPa，2.26 MPa，72.61%，2.41 mm，1.56 mm，35.27%，在65°剪切角条件下对应的数据分别为6.87 MPa，1.96 MPa，71.47%，1.89 mm，0.96 mm，49.21%。

在3种剪切角度下，岩样破坏时的抗剪强度、加载轴向位移随干燥-饱和循环次数的变化规律具有一致性，表现为抗剪强度随着循环次数的增加呈指数降低趋势，对应的加载轴向位移也减小。该现象产生的原因是水分子进入试样内部，通过复杂的物理化学作用改变了岩样内部颗粒连接方式和结构受力方式，降低试样抵抗破坏的能力，表现为循环次数增加导致抗剪强度降低，以相对较低的加载力就可以导致试样破坏。需要指出，破坏时对应的轴向加载位移随着循环次数的增加而减小，原因在于水对岩样的软化作用造成的变形增加效应小于抗剪强度减小造成的低应力破坏效应，总体表现为破坏轴向位移减小。

2.3 黏聚力和内摩擦角与干燥-饱和循环次数的关系

Mohr-Coulomb准则被广泛应用于工程实践。该理论认为岩石的破坏主要是剪切破坏，这与正应力和剪应力密切相关。经大量试验总结与数学分析证明，岩石的抗剪能力由黏聚力和内摩擦角组成，在压剪状态下可以利用Mohr-Coulomb准则简单、快速判断岩石或结构在某一应力状态下是否发生剪切破坏。Mohr-Coulomb强度准则为

|τ|=c+σtanφ

(6)

式中，τ为最大剪应力;c为黏聚力;σ为正应力;φ为内摩擦角。

黏聚力和内摩擦角是衡量工程岩体抗剪性能的重要依据，被广泛用来评价工程岩体的力学性能。黏聚力指的是岩石材料内部分子之间的相互吸引，与岩石材料的初期破坏有密切关系;内摩擦角指的是岩石材料结构之间的错动和咬合，与裂隙发育和拓展有直接关系。不同次数干燥-饱和循环浸水状态下试样的黏聚力和内摩擦角变化如图6所示。

图6 试样黏聚力、内摩擦角与浸水次数关系Fig.6 Relationship between cohesion,internal friction angle and number of immersion times

由上图拟合曲线可知，岩样的黏聚力及内摩擦角与浸水次数之间分别呈指数函数和幂函数关系，拟合函数为

c=4.11×0.28x+1.58R2=0.99

(7)

φ=-0.65x3+1.3x2+5.1x+21.36

R2=0.99

(8)

试样的黏聚力和内摩擦角随干燥-饱和循环次数的变化，呈现不同的变化规律。黏聚力表现为指数函数下降趋势，说明水分子运动对岩样初期破坏所需的加载力具有弱化作用，每增加循环一次，黏聚力就会有所降低，降低程度逐渐减小。水分子进入试样后，渗入到岩石材料内部的微孔隙、缝隙中，在材料颗粒间形成水膜，削弱了微观结构间黏结力，使得破坏时需要克服的黏聚力减小。黏聚力从第1次干燥状态下的5.69 MPa降低到干燥-饱和循环浸水4次状态下的1.63 MPa，降幅达到71.35%。对于内摩擦角，循环次数的增加使之先增加后减小。从图6可知，第2次循环浸水和第3次循环浸水时内摩擦角最大，为31.80°，第1次干燥和第4次循环浸水时内摩擦角最小，为21.80°，比最大值减小10°。由此可见，循环浸水次数对内摩擦角的影响并非单向变化。前期岩石材料的含水率相对较小，材料的成分分布以及裂隙的形态、尺寸、方向在浸水作用下发生改变，造成破裂面受力时易于传导应力，减小应力集中，难以发生破裂面滑动摩擦，表现为内摩擦角增大。随着循环次数进一步增加，水对试样的力学弱化作用显著，破裂面本身强度变弱，内摩擦角迅速下降。

将式(7)及(8)代入式(6)，得到抗剪强度与含水率关系为

|τ|=4.11×0.28x+1.58+σtan(-0.65x3+

1.3x2+5.1x+21.36)

(9)

水对岩石材料的力学性能具有复杂的作用。在物理层面上，岩石材料本身具有一定的吸水性，在原岩状态也是和水共存的。水进入岩石材料内部，逐渐深入各个微孔隙、裂隙，产生孔隙水压力，在受载时孔隙扩容，强度降低。同时，水分子附着到微结构表面，降低结构间原有的连接能力，改变结构的受力方式，使试样容易受到破坏。在化学层面，水中含有一定量的氢离子和氢氧根离子，与材料中的酸性物质或碱性物质发生缓慢的化学反应，造成部分物质溶于水，削弱原有的材料结构。在干燥-饱和循环浸水的作用下，水中溶解物质被重新分配，在材料内部形成新的架构或随着水分蒸发，使得每进行一次循环浸水，岩石材料内部微观结构就会发生一次微小的改变。这也可以进一步佐证内摩擦角的变化规律。

2.4 不同浸水状态下试样的破坏载荷-轴向位移和累计声发射特征

不同干燥-饱和循环次数状态下的试样在55°剪切角度加载下的轴向载荷-轴向位移曲线如图7所示。

图7 不同浸水循环次数下轴向载荷-轴向位移关系Fig.7 Relationship between axial load and axial displacement under different water immersion cycles

根据轴向载荷-轴向位移曲线的变化，可以将试样的整个受载破坏过程分为5个阶段:裂隙压密阶段、弹性阶段、裂隙稳定破裂发展阶段、裂隙非稳定破裂发展阶段和峰后阶段。曲线中的裂隙压密阶段和弹性阶段区间都相对较小，这与调试加载设备时预加的力和加载速度有关。在这2个阶段内，岩石试样完成了初始裂隙的闭合以及弹性能的储存。在裂隙稳定发展阶段，原有裂隙开始扩展，新的裂隙开始产生，轴向载荷-轴向位移曲线斜率增加，快速上升。经过裂隙稳定发展阶段的裂隙发育，加载力继续增加，裂隙拓展程度增加，相互连通、影响，使得试样的应力结构不断改变，最终剪切面破坏，应力达到最大值。破坏后轴向载荷-轴向位移曲线发生突降，几乎无残余强度。

对比干燥-饱和循环浸水次数状态下的轴向载荷-轴向位移关系曲线，循环次数的增加使得试样的抗剪强度逐渐下降。第1次干燥状态到第1次饱和状态破坏载荷降低34.85%，到第4次干燥-饱和循环浸水状态时降幅达72.60%。干燥-饱和循环浸水次数对岩石材料的弱化损伤效果非常明显，循环次数增加会减少弹性区间、增加塑性区间，增强弱化损伤效果。

不同干燥-饱和循环浸水次数状态下岩样在55°剪切角加载时的声发射计数如图8所示。

图8 累计声发射计数特征Fig.8 Cumulative acoustic emission count

声发射计数指超过门槛信号的振荡次数。通过对声发射参数对时间的响应过程与岩石试样的加载力学特性曲线相对比，可以更加准确区分试样破坏过程中的内部材料损伤、能量释放、裂隙发育类型等，为研究岩石试样的力学损伤及裂隙损伤对干燥-饱和循环浸水次数的响应关系奠定基础。

由图8可知，声发射累计计数满足随着循环浸水次数增加而减少的规律。水对岩样的弱化作用主要在于对力学性质和结构强度，通过复杂的物理和化学作用削弱颗粒间的连接能力和结构强度。加载初期的声发射信号都相对较少，塑性阶段时声发射累计计数曲线斜率明显增加，但仍具有一定的波动性。图中最明显的地方在于每条累计计数曲线的直线上升部分，对应试样的贯通破坏和声发射计数的几个最大值，其中干燥状态的曲线图中只展示部分。不同干燥-饱和循环浸水状态岩样的声发射累计计数和应力曲线具有较好的关联性，能间接反应试在剪切破坏过程中各个阶段的裂隙发展状况。

3 裂隙发育结果分析

3.1 裂隙发育的声发射计数特征

不同干燥-饱和循环浸水次数状态下岩样在55°剪切角加载时的声发射计数如图9所示。

图9 岩样在浸水循环次数条件下声发射计数特征Fig.9 Acoustic emission count characteristics of rock samples under different conditions of immersion cycles

由图9可知，声发射计数对岩样受载破坏过程最明显的响应是在岩样剪应力达到最大值时，试样失稳破坏，岩石材料内部变化最为剧烈，声发射计数达到整个过程中的最大值，且远远大于其他阶段的计数值。岩样的均匀性会产生影响，特别是原生裂隙、内部构造等不确定影响因素在加载后期裂隙的拓展、微结构面之间的摩擦和试样的贯穿破坏产生不可忽视的作用。需要指出，为了更清晰地显示整个过程的声发射计数值变化规律，设置的y轴上限小于部分声发射计数值(试样破坏位置)，这些数值在图8中有所体现。

干燥状态下，裂隙闭合阶段的应力增长缓慢，试样的原生裂隙、孔隙闭合，裂隙不平整的表面相互摩擦，产生少量的声发射信号。进入弹性阶段，剪应力曲线近似呈线性关系，剪切模量近似为常数，声发射信号明显多于压密阶段。试样进入裂隙稳定发育阶段，应力曲线快速上升，但声发射计数出现了下降趋势。在裂隙不稳定发展阶段，应力曲线的浮动性增加，出现多个小高峰，同时声发射计数也出现多个明显高于一般计数的数值。表明试样内部材料结构破坏过程剧烈，裂隙充分交叉连接。直到剪切面完全贯通，试样失稳，声发射计数达到最大。试样在残余应力作用下继续发生局部破坏，声发射计数降低。

试样第1次饱和与第1次干燥状态最具有对比性。应力曲线较之平缓，声发射计数数值上和频率上都较小，持续时间减少。这表明水进入岩样后，对声发射信号的产生具有抑制作用。其根本原因是水弱化了试样内部材料结构的应力状态，从而材料损伤活动减弱，声发射计数减少。

在第2～4次干燥-饱和循环浸水试验中，首先应力曲线随着循环浸水次数的增加逐渐平缓，最大值降低，试样强度被削弱。在声发射计数信号上，出现了更加明显的水弱化现象。在裂隙闭合阶段和弹性阶段，几乎不产生声发射信号，裂隙稳定发育阶段的信号也非常少，只在裂隙不稳定发展阶段产生明显的声发射信号，符合破坏时刻出现最大声发射计数值的规律。其中，第2次循环浸水试样的峰后阶段出现较多声发射信号，声发射计数值在20以下居多，原因是该试样裂隙交叉发展程度大，剪切面破裂时表面起伏程度较大，相对其他试样能够承担较大的峰后应力。

3.2 裂隙发展类型的RA-AF特征

脆性岩石破坏主要分为拉破坏和剪破坏。张拉裂隙产生的声发射波上升时间短、频率高，以高AF值(平均频率，kHz)、低RA值(上升时间/幅值，μs/dB)为代表;剪切裂隙产生的声发射波上升时间长、频率低，以低AF值、高RA值为代表[16]。

不同干燥-饱和循环浸水状态下岩样在55°剪切角加载时的RA-AF关系如图10所示。

不同干燥-饱和循环浸水次数状态下岩样的RA-AF值分布具有规律性:数据多沿着AF数轴分布，大部分小于2 μs/dB和400 kHz。数据大量集中在低RA、高AF区间内，表明试样整个过程的裂隙以张拉裂隙为基础。在高RA、低AF区间内，数据稀少且分散性大，主要对应破坏时刻的剪切裂隙。个别AF值大于500 kHz或RA值大于40 μs/dB的数据未在图中体现。

图10 RA-AF关系Fig.10 Relationship of RA and AF

不同干燥-饱和循环浸水次数状态下岩样以张拉裂隙为基础裂隙。在Griffith强度理论中，张拉裂隙尖端附近更容易应力集中，促进裂隙的扩展破坏。由于岩石试样内部构造和物质组成不完全相同，造成了在循环浸水条件下，应力重新分布后拉应力成为造成损伤的原因。

随着干燥-饱和循环浸水次数的增加，张拉裂隙和剪切裂隙的数量都在减小，循环浸水对试样的影响是强度削弱和裂隙减少的综合效果。试样本身也存在各异性，裂隙分布、物质组成等细微观差异对试验结果产生一定的影响。循环饱和浸水通过物理和化学作用[20]，改变试样颗粒间的胶结状态和应力分布，增加塑性相对区间，对裂隙发展和试样破坏起到缓冲作用。综合表现为，多次循环浸水后，加载时间变短，破坏剧烈程度减小。