预制裂隙岩石单轴压缩声发射特征研究

牛心刚

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037； 3.安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

岩石破裂是其内部的微裂隙萌生、扩展、贯通，直至出现宏观裂隙的过程，研究该过程对深部开采中岩体动力灾害的预测具有重要意义[1-2]。实际工程中很多岩体含有断层、节理及裂隙等宏观构造，岩石受力破裂过程中伴随有声发射现象[3]，因此研究预制裂隙岩石破裂特征及破裂过程中声发射信号变化规律可为岩体动力灾害预测提供理论基础。

众多学者对岩石受力破裂特征及破裂过程的声发射信号变化规律开展了大量研究工作。付金伟等[4]利用透明树脂材料制作双裂隙试件，构建了新型弹脆性本构关系，详细分析了试件的裂隙扩展与贯通过程。李地元等[5]利用SHPB试验平台对含预制裂隙的矩形大理岩试样进行动态冲击试验，研究了端部裂隙形态对岩石动态力学特性及裂隙扩展的影响。赵振等[6]研究了预制裂隙煤样的破坏特征，发现了煤样不同加载阶段声发射分形维数变化规律可作为煤岩动力灾害的前兆信息。Yang Shengqi等[7-8]利用高速摄像技术研究了单裂隙及2条平行非共面裂隙砂岩的破裂失稳过程，分析了裂隙倾角和长度、岩桥倾角等对裂隙扩展贯通及力学特性的影响。苏海健等[9]对含纵向裂隙的砂岩进行了单轴压缩试验，结果表明其峰值强度和峰值应变随裂隙长度的增大先减小后增大，试样沿裂隙尖端发生劈裂破坏。宋彦琦等[10]通过对预制裂隙大理岩试样进行加卸载试验，发现在不同加载条件下裂纹高发在与裂纹面夹角为-100～-130°的区域。贾炳等[11]探究了煤样在加载过程中的声发射响应规律。张艳博等[12]基于频谱分析和信息熵理论，采用单轴压缩声发射试验研究了干燥与饱水状态下的煤矸石破裂全过程及多参数声发射前兆信息变化规律。王林均等[13]采用单轴压缩声发射试验研究了多种脆性岩石破裂特征和声发射信号规律，得到了岩石试件内部颗粒间的胶结强度对声发射累计振铃计数、声发射能量的影响。左建平等[14]采用单轴压缩声发射试验研究了标准岩样、标准煤样和煤岩组合体的破裂特征和声发射信号规律，得到了三者之间破坏机制的差异。

为了研究预制裂隙岩石失稳破坏过程中声发射特征，在上述研究的基础上，笔者开展了预制不同倾角裂隙岩石的单轴压缩声发射试验，分析了预制裂隙岩石变形破坏特征及声发射信号变化规律。

1 单轴压缩试验

试验所用岩石取自淮南矿业(集团)有限责任公司潘北煤矿细砂岩层，试验共制备8块高度为100 mm、直径为50 mm的标准试件，分为4组，其中1组为完整试件，其余3组为预制倾角30，45，60°裂隙试件(预制裂隙倾角定义为裂隙与轴向加载方向的夹角)，如图1所示。采用金刚石电动切割机对试件预制裂隙，裂隙尺寸为长60 mm、宽3 mm、深20 mm。试验采用RMT-150B刚性伺服控制压力机和DS5-16B多通道声发射监测设备。

图1 试件制备Fig.1 Specimens preparation

2 试验结果

2.1 应力-应变曲线及宏观破坏形态

完整及预制裂隙试件的应力-应变曲线及宏观破坏形态如图2所示。

由图2(a)可知：完整试件抗压强度较大，为64.45 MPa，峰后应力-应变表现出应变脆性特征，轴向应变较大，为0.016 0；完整试件应力-应变曲线由压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和残余变形阶段构成；完整试件的破坏类型以拉伸劈裂破坏为主。

由图2(b)可知：在相同载荷作用下，预制裂隙尖端产生的应力集中使试件更易发生破坏，进而影响60°预制裂隙试件抗压强度，表现为试件抗压强度降低，为49.35 MPa，峰后应变脆性特征有所增强，轴向应变减小，为0.014 4；60°预制裂隙试件的新生裂隙扩展形式[15]主要为预制裂隙两端产生拉伸翼裂隙及剪切反翼裂隙并扩展至试件顶底部；60°预制裂隙试件的破坏类型以预制裂隙两端的拉伸破坏为主，剪切破坏为辅。

由图2(c)可知：由于45°预制裂隙走向与加载方向较60°预制裂隙更加倾向于平行，预制裂隙尖端应力集中增强，致使45°预制裂隙试件抗压强度较60°预制裂隙试件降低，为38.53 MPa，峰后应力-应变也表现出较强的应变脆性特征，轴向应变进一步减小，为0.011 4；45°预制裂隙试件的新生裂隙扩展形式主要为预制裂隙上端产生拉伸翼裂隙及拉剪复合反翼裂隙并扩展至试件顶底部，预制裂隙下端产生剪切次生裂隙并扩展至试件底部；45°预制裂隙试件的破坏类型以预制裂隙两端的拉剪复合型破坏为主。

由图2(d)可知：由于30°预制裂隙走向与加载方向倾向于平行，试件易沿预制裂隙发生剪切滑移破坏，致使30°预制裂隙试件抗压强度比60°和45°预制裂隙试件都小，为30.94 MPa，峰后应力-应变也表现出较强的应变脆性特征，轴向应变进一步减小，为0.011 0；30°预制裂隙试件的新生裂隙扩展形式主要为预制裂隙两端产生剪切翼裂隙和剪切次生裂隙并扩展至试件顶底部；30°预制裂隙试件的破坏类型以预制裂隙两端的纯剪切破坏为主。

(a) 完整试件

(b) 60°预制裂隙试件

综合上述分析可得：压力机加载过程中，试件易在预制裂隙尖端产生应力集中，宏观表现为预制裂隙处新生裂隙的萌生、扩展及试件的最终脆性断裂；随着预制裂隙倾角的减小，试件的破坏特征由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变。

2.2 声发射特征

各预制裂隙试件单轴压缩破坏过程应力-时间曲线、声发射能量及振铃计数变化曲线如图3所示。在预制裂隙试件的压密阶段，压力机的加载应力较小，原生裂隙变形闭合，次生裂隙萌生发育，此阶段形成的微裂隙较少，裂隙间的摩擦错动和拉剪破坏能力弱，试件破坏产生的弹性波较少，裂隙压密、萌生和扩展规模处在微观级别，此时声发射能量和振铃计数处于较低水平。随着压力机的加载应力升高，压力机输入的能量以弹性能形式储存在试件中，此时原生裂隙压密和新生裂隙萌生扩展。预制裂隙倾角分别为60，45，30°时，声发射能量和振铃计数首次出现峰值点对应的时间分别为101，75，37 s，轴向应力分别为25.6，18.9，9.2 MPa。由此可见，随着预制裂隙倾角的减小，试件首次出现宏观裂隙(声发射能量和振铃计数首次出现峰值点)时的时间提前、所需加载的轴向应力变小。这是由于随着预制裂隙倾角减小，试件的破坏特征由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变，破裂面间的摩擦效应增强，试件破坏释放的弹性波增多。试件表面首次出现宏观裂隙时，储存在试件中的弹性能以试件表面宏观裂隙薄弱面为释放通道进行释放，试件发出爆鸣声，声发射能量和振铃计数呈突变增长，表现为“孤震”型。

预制裂隙试件声发射累计振铃计数曲线如图4所示。可看出累计振铃计数随加载时间的增加呈非线性上升趋势，其中30°预制裂隙试件声发射累计振铃计数随加载时间的增加上升最快，60°预制裂隙试件声发射累计振铃计数随加载时间的增加上升最慢。这主要是由于30°预制裂隙两端产生的新生裂隙数量最多、扩展速度最快，能量释放最剧烈；60°预制裂隙走向与加载方向倾向于垂直，60°预制裂隙两端产生的新生裂隙数量较30，45°预制裂隙两端多，但新生裂隙扩展速度最缓慢，能量释放最弱。

3 结论

(1) 预制裂隙的存在影响岩石试件的抗压强度和变形破坏特征，主要表现为随着预制裂隙倾角的减小，试件的抗压强度逐渐降低，达到峰值应力的时间逐渐缩短，破坏时的轴向应变逐渐减小，试件的破坏特征由拉伸劈裂破坏向剪切滑移破坏转变。

(a) 60°预制裂隙试件

(b) 45°预制裂隙试件

(c) 30°预制裂隙试件

图4 预制裂隙试件声发射累计振铃计数曲线Fig.4 Cumulative acoustic emission ringing count curve of prefabricated fissure specimens

(2) 随着预制裂隙倾角的减小，试件首次出现声发射能量和振铃计数峰值的时间提前、所需加载的轴向应力减小；声发射累计振铃计数随加载时间的增加呈非线性上升趋势，且预制裂隙倾角越小，声发射累计振铃计数上升速率越快。