单轴压缩下砂岩破裂失稳时空演化特征研究

2021-09-15李炜强李冬伟

中国矿业 2021年9期

李炜强，李冬伟，成功

(1.核工业北京地质研究院，北京 100029；2.中核集团高放废物地质处置评价技术重点实验室，北京 100029)

0 引言

随着矿山开采、水利水电和交通隧道等大型岩土工程建设遍布全国，工程建设条件和工艺手段日趋复杂，常伴随冲击地压、岩爆、突水、滑坡等强烈的动力学灾害[1]。而以上动力学灾害的实质是工程扰动引起的应力场重新分布，诱发岩体内部微破裂萌生贯通，最终形成岩体变形破坏失稳[2-3]。因此，开展微观破裂时空孕育演化规律研究是揭示宏观破坏失稳的有效手段。国内外许多学者利用不同的科学手段探究了微破裂起裂、传播和贯通的发展过程，而声发射(acoustic emission，AE)作为岩石破坏过程中的一种伴生现象，蕴含着岩石内部损伤过程的大量信息[4-7]。WANG[8-9]将声发射参数演化突变特征作为判断岩石整体破坏失稳的前兆信息；裴建良等[10]通过定义AE大事件来分析含不同裂隙类型的岩石自然裂隙动态演化规律；邓绪彪等[11]通过定义AE平台、AE阶梯、主频带、贯频、加密集聚等特征，来整体呈现声发射演化规律。声发射作为破裂源的伴生波，其波形特征势必能反映出受力状态、破裂强度及破裂尺度，日本学者OHTSU等[12]通过将波形参数进行组合处理来研究波形参数与岩石微观破裂类型之间的响应关系，发现岩石微破裂类型和RA-AF两参数之间存在较好的关联性，此成果已被列入日本混凝土协会标准[13]。

本文在上述研究成果的基础上，开展单轴压缩砂岩声发射试验，利用声发射监测技术和高速摄像技术实时记录砂岩变形失稳过程，结合波形信息与岩石破裂之间的响应关系，分析砂岩变形各阶段声发射参数变化特征，探究失稳前兆信息。

1 试验过程

1.1 试样制备

试验所用砂岩试样均取自山西吕梁某矿8号煤层底板岩层，因本次试验尝试应用室内矩张量反演理论，为满足反演尺寸要求将获取的样品加工成尺寸为直径70 mm和高度140 mm的圆柱体试件。为提高试验结果的精确度和稳定性，每个试件两端面不平行度小于0.02 mm，7块试件的实际尺寸和力学参数见表1。

表1 岩样尺寸及力学参数Table 1 Sample size and mechanical parameters

同时，利用JSM-7001F场发射扫描电子显微镜观测砂岩样品表面形貌特征对微观断面形貌和微结构进行观察。由图1可知，砂岩微观断裂面不平整，存在微观碎屑和少量原生孔洞及微裂隙。微裂隙和溶洞尺度在几微米到上百微米之间，裂隙宽度不一，互相不贯通，在外部载荷的作用下极易形成细观结构断裂面。

图1 1 000倍下砂岩矿相分布图Fig.1 Mineralogical distribution of the sampleby magnifying 1 000 times

1.2 试验设备

试验所用加载设备为2 000 kN岩石三轴刚性压力试验机，AE采集设备为PAC生产的PCI-II型声发射信号采集分析系统；同时，为实时准确记录岩石变形失稳的过程，试验采用千眼狼2F04M高速摄像仪拍摄记录。试验监测系统布置如图2所示。

图2 试验监测系统Fig.2 Monitoring system

1.3 试验方法

本试验设置五个Nano.30声发射传感器用于常规AE模式下数据采集，布置方案如图3所示。传感器与岩样表面之间涂抹适量耦合剂以保证接触充分，并用橡皮泥进行固定。将系统门槛值设定为45 dB，以减弱环境噪声影响，采样频率为1 MHz，前置放大器增益设为40 dB，PDT、HDT和HLT分别设置为50、150和200。试验开始前，先进行断铅试验，确保各通道信号采集良好。

图3 AE传感器布置图Fig.3 AE sensors arrangement

试验采用单轴轴向位移控制加载，加载速率为0.1 mm/min，以确保获得较为完整的应力应变曲线。整个试验过程，AE信号采集与加载过程实时同步进行。高速摄像仪采样周期设置为400 μs，采集长度为45 000帧，保存触发前长度为30 000帧。当试样出现明显的宏观破裂时，手动触发数据保存以捕获完整的破裂过程。

2 试验结果及分析

2.1 岩石变形破坏声发射撞击参数演化特征

如图4所示，一个AE波形包含幅值、持续时间、振铃计数等多个参数。声发射波形与岩石应力演化状态、内部结构、物质成分组成等全部信息存在相关性，比如波形信号包络线与门槛电压围成图形的面积值被定义为AE能量，能反映破裂的强度。目前，声发射参数分析主要基于两种基础数据：AE撞击和AE事件。当一个声发射波形信号强度超过门槛值并成功被监测设备某一采集通道记录到，此波形信号就被当作一次AE撞击[12]。而一个声发射源的出现会在岩石介质中产生呈球面传播的弹性波，造成一个AE信号就会以撞击的形式被一个或多个采集通道监测并记录到；当同一声发射信号被至少四个通道监测到并能定位声发射震源位置，则将这个AE信号当成事件，所以AE事件能呈现内部损伤时空演化过程。

图4 声发射信号波形参数Fig.4 AE wave parameters

声发射作为岩石破坏过程的伴生现象，其演化特征在一定程度上能反映岩石破坏的实时状态。由于篇幅原因，仅以试样S4为例来说明砂岩破坏特征。如图5所示，结合砂岩扫描电镜图和力学本构关系，分析认为砂岩原始微观缺陷存在相对较少，尺度较小，造成在加载前期原生微缺陷微孔洞闭合、张开等应力活动相对较弱，岩石原始缺陷压密阶段内撞击参数累积较低，绝大部分处于60 dB以下。在弹性变形阶段，声发射活动极少，撞击累积和能量累积处于近水平状态。在550 s左右，试样发生塑性变形，撞击幅值绝大部分处于60 dB以下，撞击累积数和能量累积呈线性增长。试样在820 s左右进入屈服变形阶段，声发射幅值也大幅增强，大于80 dB的幅值开始大量出现，相比其他几个阶段，强度明显增大，撞击累积数和能量累积也急剧增长，出现突变拐点，岩石局部表面也集中出现细小的宏观裂纹。在950 s左右试样达到峰值强度，试样出现宏观破坏，声发射活动极为活跃。虽然其他试样撞击累积数和能量累积出现的突变拐点并不同步，但紧密发生在试样屈服强度左右，且屈服变形阶段内各参数值均大幅提升。

图5 试样S4撞击部分特征参数Fig.5 Characteristic parameters of impact part of sample S4

2.2 岩石微破裂强度时空演化特征

AE幅值和AE能量均能在一定程度上反映岩石微损伤的强度，由图6可知，AE幅值和能量间存在类幂率函数的特征关系。为便于表征不同阶段破裂强度的演化过程，参考里氏震级计算方法，将声发射震级取为：Ms=lgA。式中：A为声发射事件的幅值，单位dB；同理，将声发射能级取为：Es=lgE。E为声发射的能量，单位aJ。计算结果表明：震级与能级之间存在近似线性关系，拟合度接近0.96。因此，可以采用高震级高能级声发射事件表征高破裂强度的微裂纹(图7)。

图6 试样S4声发射幅值与能量的关系Fig.6 Relationship of amplitude and energy ofsample S4 AE

图7 试样S4声发射事件震级与能级关系Fig.7 Relationship of magnitude and energy level ofsample S4 AE event

图8为各变形阶段内经过滤波降噪后的声发射事件空间分布特征。图8中各个散点球代表一个声发射定位事件，球的直径大小与声发射事件的震级大小相对应，球的颜色表示事件的能级。在岩石原始压密和弹性变形阶段，声发射事件能级和震级均偏低，事件量较少，主要分布在试样下部。进入塑性变形阶段后，事件开始散落分布在整个试样内，岩石内部裂纹起裂并稳定扩展，声发射活动稳定，并未出现高能级和高震级的声发射事件。屈服阶段内，事件量明显增多，高能级高震级事件集中分布在试样中上部，并逐渐集结成核，裂纹数量和强度迅速增加，超过临界状态，能量释放并产生宏观裂纹。峰值强度过后，岩石抵抗外界应力能力较差；高能级高震级事件主要集中在试样中下部，宏观次裂纹向下贯通成为宏观主裂纹。如图8(e)所示，表面开裂集中区对应性较好，高能级高震级事件集中分布区内局部变形较大。因此，岩石内部高能级高震级事件的集中出现表征着岩石破裂强度增大和局部损伤劣化加剧。

图8 试样S4声发射事件时空演化过程Fig.8 Evolution process of sample S4 AE event

通过高速摄像记录可知，进入屈服阶段后，岩石表面稳定出现小尺度宏观裂纹，缓慢释放了岩石贮存的部分变形能，调节了应力平衡状态。达到峰值强度后，岩石表面的宏观裂纹逐渐贯通。岩石表面首先开裂区与高能级高震级事件集中出现区域位置基本对应(图9)。

图9 试样S4表面裂纹开裂形式Fig.9 Crack form of surface crack of sample S4

2.3 岩石微破裂类型时序分布特征

依据OHTSU等[12]的研究成果和相关评价标准，将声发射波形参数值与微观破裂的特征相互关联，RA为上升时间与振幅的比值，AF(平均频率)为振铃计数与持续时间的比值，利用此评价标准计算各试样AF和RA。依据各试样的RA-AF分布情况，取AF与RA比值为8的射线作为破裂类型分界线进行统计分析，具体结果如图10所示。试样进入塑性变形阶段，其他类型破裂发生数量较少，绝大多数破裂能级都低于4；当进入屈服变形阶段，其他破裂类型开始逐渐增多，但是绝大多数的其他破裂类型能级都低于4，大于能级4的事件基本都是张拉破裂类型；达到峰值强度时，其他破裂类型数量达到最大值。但通过整体来看，张拉破裂的能级总是高于其他破裂能级。其余的试样进入屈服变形阶段也存在同样的变化特征，因而此现象可以作为岩石破坏失稳的前兆信息(图11)。