不同围压下黄砂岩力学特征与声发射特征

2019-08-05黄顺杰李英明

煤矿安全 2019年6期

黄顺杰，李英明，刘刚，2，程详

（1.安徽理工大学能源与安全学院，安徽淮南 232000；2.黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室，黑龙江哈尔滨 150022）

在地下工程的施工中，硐室和隧道的开挖使其周围原岩应力平衡被打破，开挖周边一定范围内应力重新分布[1-2]。三轴试验能更好的模拟岩石在地下真实所受的力学环境[3-5]。开采深度不同，围岩所处的力学状态不一致[6-7]，导致其力学特性发生了本质的改变，岩石破坏过程中，伴随着能量释放并产生瞬时弹性波，声发射检测系统能较好地监测岩石损伤破坏的过程[8-12]，利于研究岩石内部裂纹的产生和扩展及破裂损伤演化[13-14]。张磊[15]通过对煤样进行声发射及损伤特性进行试验，并对煤样变形、破坏进行分析和预测。顾义磊[16]通过对岩石进行不同围压及峰后卸载过程声发射试验。杨永明[17]通过三轴压缩试验分析了岩石破坏时能量与裂纹发育规律。王思洋[18]通过对不同围压下大理岩破坏试验，分析了不同围压下岩石破坏过程中声发射能量、幅值、计数变化规律。然而，岩石作为一种复杂、非均匀的材质，其在外界扰动下的破坏行为和裂纹发育过程中的力学机制还有待研究，特别是高围压下黄砂岩破坏形态、裂纹数目和声发射计数之间的规律还有待研究。通过对已有的研究了解，利用Rock 600-50型岩石三轴流变仪对黄砂岩施加不同的围压，研究其加载过程和破坏后砂岩试件的力学特性和声发射特性及破坏后的形态。此外，对声发射计数和峰值应力与围压之间的关系进行分析，进一步揭示岩石在不同围压作用下压缩破坏的规律。

1 试样特征及试验设备

1.1 试样特征

试验采用黄砂岩为试验材料，按GB/T 50266—2013《工程岩体试验方法标准》要求将样品加工制成φ50 mm×100 mm的标准圆柱体试件。加工后的试件两端尽量保持平整，不平整度≤0.02 mm。

1.2 试验设备

本试验采用法国Rock 600-50型岩石三轴流变仪。由轴压加载系统、围压加载系统、ENERPAC液压手压泵、智能控制系统和数据采集系统组成。可施加最大轴向应力375 MPa和围压60 MPa。Sensor Highway II型声发射由美国PAC与美国EPRI共同开发的设备，具有同步的声发射撞击信号特征抽取及波形信号采集与频谱分析功能。试验系统如图1。

图1 岩石三轴试验系统简图

2 试验方案和研究方法

为研究黄砂岩在不同围压下破坏特征，设置了围压水平分别为 0、10、20、30 MPa，加载速率为 0.05 MPa/s，每个围压水平做3个试件作为对照试验。

试验过程如下：

1）把试样装入套囊内，安装环向应变计，然后安装密封圈（防止液压油浸入试件，影响岩石强度），利用ENERPAC液压手压泵，把装好试件升上端压力腔，并用螺丝固定好，并用橡胶锤紧固螺丝，扳下开关至Down的位置。

2）试件安装完毕后，启动加压装置，首先关闭V1、V6和 V10，打开 V5，因为泵 1 能提供 3 MPa 的压力，所以在泵1把压力腔充满后，达到静水平压力σ1=σ3。

3）关闭V5，打开V7和 V9，打开声发射并启动泵3，利用泵3的高压以0.05 MPa/s的速率施加围压直至达到预设值（10、20、30 MPa）。

4）以0.05 MPa/s的加载速率施加轴压直至试件破坏。试验结束后，关闭声发射并保存数据，取出试样，描述破坏特征。

3 试验结果分析

3.1 应力-应变曲线特征

通过试验得出的单轴压缩和不同围压下三轴压缩应力-应变曲线如图2（图中：σ1为轴压，σ3为围压）。黄砂岩试件力学参数见表1（最大离差值=（最大抗压强度-平均抗压强度）/强度平均值×100%;峰值点应变：试件在达到应力峰值破坏时所对应的应变量）。

图2 不同围压下应力-应变曲线

从图2和表1可以看出，随围压的增大，三轴抗压强度、残余强度、轴向峰值应变逐渐增大，径向峰值应变增大不明显。从体应变来看，图中都表现出了体应变随偏应力的增大而增大，表现出了明显的扩容。当黄砂岩试件达到峰值应力后，出现塑性破坏，体应变开始减小。从试验曲线得出，黄砂岩破坏经历了4个阶段。

1）压实阶段。岩石内部原始微裂隙，在围压和轴压相互作用下被压缩。此阶段在单轴压缩中非常明显，在三轴压缩中此过程不太明显，主要是原始裂隙在施加围压的过程中已经被压密。围压越大，这种特征表现越不明显。

表1 不同围压下岩石试件力学参数表

2）弹性阶段。从图2可以看出明显的线性弹性阶段。此过程应变随着围压的增加而线性增加。

3）塑性阶段。此阶段应变增加，体应变达到最大，此阶段随围压的增大而延长。

4）破坏阶段。轴向应力达到峰值应力后，轴向应力迅速减小，说明此时试件已经失去承载能力。

围压越大，此过程经历时间越短，应力衰减速率越快。在10 MPa围压下，轴向应变在峰后呈增大趋势，在10 MPa和20 MPa围压下，轴向应变先略微增加，然后减小，最终呈现出减小趋势。通过对峰后残余强度分析，单轴压缩时由于没有围压的束缚，残余应力为 3.16 MPa，10、20、30 MPa围压下残余应力分别为 76.2、138.09、160.32 MPa。

从表1可以看出，峰值应力与围压正相关，相邻围压间峰值应力增量为△σ，△σ0-10<△σ10-20<△σ20-30，单轴压缩没有围压的束缚，当轴压超过试件的承载能力时，便发生破坏，展现出了黄砂岩脆性特性。当施加围压后，由于围压的束缚，试件内部的裂隙被压缩，增大岩石内部的摩擦力，因此，承载能力增大。随着围压的增加，峰值应力增加量减少。并且随着围压的增大，轴向应变峰值呈增大趋势。从最大离差值可以看出本试验黄砂岩的材料还是比较均匀的。

3.2 声发射和应力及时间曲线

三轴压缩应力-应变关系及声发射曲线如图3。从图中可以看出，声发射经历了3个阶段。

图3 三轴压缩应力-应变关系及声发射曲线

1）稳定阶段。声发射信号很微弱，此时主要为岩石压密阶段，细小的裂纹和致密的空隙慢慢被挤压融合，声发射呈现出非常弱的信号。

2）缓慢增加阶段。随着轴压不断增大，声发射计数有增加趋势，但整体上可以看出此阶段前期和中期比较稳定。并随着围压的增大，此阶段的上升起点需要时间更久。主要是因为此过程应力还是相对较小，有围压的束缚，不足以使黄砂岩试件产生新的裂纹和破损。

3）活跃阶段。接近应力峰值，声发射信号瞬间越强。声发射计数跳跃式增大，并间断性的活跃，原因是轴压的持续增加，黄砂岩内部原始裂纹发育并开始产生新的裂纹。曲线上升出现拐点，说明试件将要破坏的信号。试样破坏时，主裂纹贯通，试件由整体变成碎裂，从而造成试件承载能力迅速下降，这点从应力曲线可以看出，声发射信号计数达到最大。计数峰值随围压的增大而增加，持续时间与围压呈负相关。当试样破坏后，结合表1数据可以看出应力曲线出现迅速的下降，声发射计数数量明显下降，但残余强度随围压的增加，增大明显。但围压的存在使得试件内部的摩擦力增大，从而出现二次破坏或者多次破坏。

3.3 不同围压下砂岩破坏形态

不同围压下砂岩压缩破坏形态（每组为1个试件完整的破坏形态）如图4。

试验结束后取出试件，能明显的看到胶套出现膨胀变形，环向应变计发生明显的扩张。单轴压缩中（σ3=0 MPa）1条斜切主裂纹，在其中部附近还有部分小裂纹。σ3=10 MPa时呈现双“V”破坏形态，1条主裂纹贯穿整个试件，另外2条大裂纹与其斜交，并且在试件顶部轴向应力施加处破坏更严重，裂纹数目增加。σ3=20 MPa时既有双“V”破坏，也有“X”破坏，主裂纹并未贯穿整个试件，而是贯穿一部分与另1条裂纹相交，在三维空间形成网络形状。σ3=30 MPa时破坏程度较弱些，一条主裂纹贯穿整个试件，试件下部有小裂纹近乎平行试件高度的方向，未形成裂纹网络形态。综合分析，围压是影响黄砂岩破坏重要因素，高围压下破碎程度降低，裂纹数量和次生裂纹减少，由很复杂的裂纹形态变为近似直线裂纹。破碎程度随着围压的增加而减小，也从侧面反映出试件的承载力随围压增加而增加。