水-岩作用下砂岩声发射与红外辐射耦合研究

刘沂琳，王创业，2，李昕昊

(1.内蒙古科技大学 矿业研究院，内蒙古 包头 014010；2.呼伦贝尔学院 内蒙古自治区矿山压力重点实验室，内蒙古 呼伦贝尔 021008)

1 研究背景

矿山开采过程中，地下水的活动使岩石常处于含水状态，水和岩石相互作用产生的水-岩作用对岩石力学性能以及破坏变形机制产生极大影响，是引发工程灾变的一个重要因素[1-2]。对饱水岩石损伤演变过程进行探讨对地下工程的稳定性监测和灾害预警具有重要意义。

岩石在外力作用下发生变形破坏，其实质是内部能量积累与释放的过程，能量释放的过程中产生声发射、电磁辐射、光辐射等物理现象[3]。声发射(Acoustic Emission, AE)是岩石受力变形或断裂时以弹性波形式释放应变能的现象，能够揭示岩石变形破坏过程中内部损伤的演化。张国凯等[4]利用声发射能量、幅值、b值(声发射小事件数与大事件数的比值)等特征参数共同量化花岗岩的损伤过程，表明声发射能量表征的损伤能够更好地反映岩石破裂的本质特征；王创业等[5]结合声发射能率、事件率以及频谱分析理论描述了花岗岩的损伤演化过程；王崔林等[6]分析不同加载方式下灰岩声发射的分形特征，表明岩石破坏是一个降维有序的过程；顾义磊等[7]通过声发射RA值(声发射撞击上升时间与幅度的比值)的分形维数揭示了页岩破坏过程中的微观机制及分形特征。

红外辐射是岩石受力破坏过程中产生电子跃迁以及能量转换的现象，能够表现岩石破坏的外在特征。来兴平等[8]利用平均红外辐射温度量化了预制裂隙煤岩破坏过程的热红外辐射时序演化与异化特征；程富起等[9]基于最高红外辐射温度建立损伤变量表达式，验证了红外辐射温度特征参数与煤岩损伤演化之间的关系；谷中元等[10]结合红外热像图、频数直方图等多种红外辐射分析手段探讨了单向循环加卸载对花岗岩力学性质的影响。

上述研究成果分别探讨了声发射以及红外辐射在各自领域对岩石破裂过程的响应特征，但对岩石饱水状态下两类手段耦合研究较少。本文在前人研究的基础上，对天然与饱水状态下的砂岩进行单轴压缩声发射以及红外辐射观测实验，结合岩石损伤变形理论、通过声发射参数分析、红外温度时序分析，多参数、多角度揭示水对岩石破裂机制的影响，丰富岩石破裂的前兆识别信息，为岩石灾变时地球物理信号响应机制提供理论参考。

2 试验及岩石力学基本参数特征

2.1 岩石试样制备

试验选择未被工程扰动的大块砂岩，将其加工成40 mm×40 mm×80 mm(长×宽×高)的长方体标准试样。加工好的岩石试样分为天然与饱水2组，每组3个试样，编号分别为NA、SA。NA组天然状态试样不作任何处理；SA组饱水状态试样是将天然状态下的岩石放入真空加压饱水装置48 h制成。制备好的试样参数见表 1。

表1 试样物理力学参数Table 1 Physical and mechanics parameters of naturaland water-saturated sandstone specimens

为保证水分不流失，将制备好的岩石试样用塑料膜封装并提前1 d放入试验现场，保证试样温度与环境温度一致。

2.2 试验设备及方法

天然与饱水砂岩单轴压缩试验的加载系统采用SAW-2000微机控制电液伺服岩石压力试验机。在力学试验进行过程中采用SAEU2S多通道声发射监测系统与FLUKE Ti580红外热像仪(温度灵敏度<0.05 ℃)，同步采集AE特征参数、岩石表面红外辐射温度。试验现场如图1所示。

图1 试验系统Fig.1 Experimental system

为保证红外观测数据准确，在试验机周围放置一块遮光布，只留下1个方向开口用于热像监测，以防环境辐射干扰试验结果。将红外热像仪放置在岩石试样正前方 1 m 左右位置，加载试样旁放置一个参照试样以消除后续温度数据处理时环境温度变化对加载试样的影响。所有试验均采用等位移控制的加载方式，以0.1 mm/min的加载速率恒定加载直至岩石破坏。同时，保证声发射装置、红外热像仪与压力试验机同时开启，使各系统的数据记录保持同步，试验过程中禁止人员走动。

3 岩石力学性质变化

全部试样的轴向应力-时间曲线见图 2。

图2 时间-轴向应力 Fig.2 Time-history curves of axial stress of specimens

试样的应力曲线分为5个变形阶段[11]，以图2中SA-1试样为例，用O—D表示每个阶段的开始时刻，将应力曲线划分为孔隙压密阶段(OA)、弹性变形阶段(AB)、弹塑性变形阶段(BC)、非稳定性破裂发展阶段(CD)、峰后阶段(DE)，以便后文对试样变形阶段不同参数的分析。

在两类岩石试样中，天然试样的单轴抗压强度较大，受载时间较长。进入CD阶段后，应力曲线斜率增大，加载至峰值应力后，试样没有立即失稳，发生了应力调整，在破坏失稳时仍有一定的承载能力；饱水试样进入CD阶段后，应力曲线斜率减小，承载能力迅速减弱，加载至峰值应力不久后，试样立即失稳破坏，同时失去了承载能力，说明了水对砂岩的力学性质弱化作用较明显。

4 岩石声发射响应特征

4.1 声发射能率分析

声发射活动性评价可以反映岩石受载过程中内部损伤情况以及微裂隙发育过程[12]，其中，常选取能率表征岩石内破裂发生的规模[13]，反映声发射事件的强度，本文对全部试样的能率进行全时域分析，声发射能率随时间的变化规律。见图3。

图3 全部试样声发射能率、应力与时间关系曲线Fig.3 Time-histories of AE energy rates and stress of all samples

饱水试样平均峰值能率约为1×106(mv·us)/s，天然试样的平均峰值能率约为3.2×106(mv·us)/s。加载初期(OA、AB阶段)，砂岩试样处于能量聚集累积阶段，声发射信号强度微弱，能量释放率较低；加载至BC阶段，岩石试样裂隙稳定发育，天然试样能率开始增加的时间较饱水试样早，有明显的突增现象。进入CD阶段，随着岩石裂隙开始大量发育，试样前期累积的压缩能瞬间释放，接近应力峰值强度时，声发射能率均迅速增加，天然试样能率增加的幅度更大，声发射响应和裂隙发育更剧烈；天然试样能率的峰值与应力峰值同步产生，应力调整阶段仍产生大量高能率信号。饱水试样能率峰值较应力峰值有滞后的现象，发生在试样破坏失稳时。

天然试样整体能率较饱水试样高、声发射活动活跃阶段的持续时间较饱水试样长，与应力同步性更好,说明岩石受载过程中饱水试样的声发射活动以及裂纹发育规模被水抑制。

4.2 岩石声发射分形特征

岩石声发射的时序参数具有明显的分形特征[14]。关联维数可以定量描述岩石受载破坏过程中内部结构的复杂程度，即分形特征。本文采用G-P关联维数算法，重构试样声发射能率数列的相空间，计算不同应力水平下能率的关联维数D值[15]。D值的计算公式为

(1)

式中：r为相空间的描述尺度;Cr为累积分布函数;D为所对应的双对数坐标下一元线性回归拟合直线的斜率。

两类试样声发射能率的D值随应力变化规律的曲线见图4。

图4 试样SA、NA声发射能率关联维数D随相对应力水平变化关系Fig.4 Changes of the correlation dimension D ofAE energy rates against stress ratio of all samples

两类试样声发射D值的变化规律大体上均为升-降-升-降。关联维数D值的增大和减小，分别标志着岩石内部破坏形式有序度的降低和提高[5]。

分析图 4(a)可知，岩石试样加载初期由于各向异性，存在不同尺寸、数量的孔隙，能率释放的有序度降低，D值增大。饱水试样的D值在相对应力水平20%～30%时开始下降，此时处于AB阶段，岩石试样受载状态稳定，裂隙发育较少，能量释放微弱导致D值持续降低。50%～60%相对应力水平时，岩石处于BC阶段，随着裂隙大量发育且杂乱无章，D值开始上升，相对应力水平接近90%时，岩石处于CD阶段，能率大量释放，迸发有序，D值发生突降，标志着裂隙相互贯通并向主破裂面聚集，裂隙发育从离散无序变为聚集有序。

分析图 4(b)可知，天然试样与饱水试样声发射能率D值的整体变化趋势相同，曲线3个拐点出现的时间不同。天然试样在相对应力水平为10%～20%时D值第一次下降，说明孔隙压密阶段较饱水试样短；相对应力水平30%～40%时，D值上升，相对应力水平70%～80%时，岩石变形处于BC阶段末期和CD阶段前期，D值第二次下降，说明声发射对裂隙离散无序发育以及聚集有序发育的响应时间均较饱水试样早；饱水试样3个拐点出现的时间均晚于天然试样，D值整体上大于天然试样，能率的释放呈现更大的无序性，进一步验证了水削弱了饱水试样对声发射响应的敏感程度。声发射能率的分形维数能够表征岩石损伤演化发展趋势和阶段性特征。

5 岩石红外辐射响应特征

5.1 频数直方图

岩石在变形破坏过程中，其表面会有一定的红外辐射，红外热像仪获得的红外温度矩阵反映了红外辐射特性随岩石损伤演化的演变过程。

本文采用频数直方图分析砂岩试样表面温度分布情况。频数直方图可简化温度数据、突出其统计分布及结构特征[10]，能够显示出岩石内部损伤破裂导致红外辐射特征突变时，岩石表面温度的不均衡迁移以及岩石损伤破裂程度。

选出岩石试样不同变形阶段对应的关键时刻O—E点的红外热像序列，利用参照试样对加载试样的表面红外辐射温度进行去噪，得到去除环境影响后加载试样的红外辐射温度，绘制频数直方图。由于相同状态的试样频数直方图分布形态相似，仅以试样SA-2、NA-1为例进行具体分析，见图 5。

图5 试样SA-2、NA-1频数直方图Fig.5 Frequency histogram of specimen SA-2 and NA-1

分析图 5(a)可知，饱水试样的频数直方图整体呈现左高右低的分布形态，温度分布范围随着岩石受载持续增大。试样SA-1、SA-2以及SA-3的温差(温度最大值与最小值的距离)变化范围分别为4.2～6.81 ℃、3.6～6.24 ℃以及3.8～4.95 ℃。加载过程中试样表面的平均温差为2.13 ℃；饱水试样在B点进入弹塑性阶段，此时裂隙开始大量发育，伴随着摩擦生热，温度均整体升高并向坐标轴右侧大幅度移动，随后最低温变化幅度较小，最高温逐渐升高，说明出现高温异常区域。

分析图 5(b)可知，天然试样的频数直方图整体呈正态分布，温度分布范围随着岩石受载均先变宽后变窄。试样NA-1、NA-2以及NA-3的温差变化范围分别为0.68～2.01 ℃、1.2～1.95 ℃以及1.35～2.04 ℃。加载过程中试样表面的平均温差为0.92 ℃。天然试样在B、C两点时，裂隙大量发育至贯通，温度分布范围较宽，出现低频数的高低温异常点，分异现象明显。加载后期，D、E两点的温度分布范围变窄，温度分布更加集中，E点时岩石试样破坏失稳出现高温异常点。

5.2 偏 度

偏度是标准化数组三次方的算术平均数。为了进一步探究砂岩表面温度分布的统计学特性，采用偏度表征整个加载过程中温度分布的偏斜程度，捕捉岩石的瞬时红外辐射变化特征[16]，偏度S计算公式为：

S=[E(X-μ)3]/σ。

(2)

式中：X为红外辐射温度序列；μ为温度序列的平均值；σ为温度序列的标准差；E( )为数学期望。

进一步绘制去噪后全部试样偏度S随时间变化的曲线，如图 6。

图6 全部试样偏度、应力随时间变化曲线Fig.6 Time-histories of partial degree and stress of all samples

S>0是右偏，即右边有长拖尾，温度序列平均值左边的数据居多。S<0是左偏，即左边有长拖尾，温度序列平均值右边的数据居多[17]。

分析图6中的(a)—(c)可知，加载过程中，饱水试样S恒>0，说明试样温度整体的分布形态是右偏，曲线呈现缓慢下降的变化趋势。加载初期，S曲线缓慢上升，温度分布的右偏程度逐渐变大，此时饱水试样中的孔隙压密吸热，降温区域增多；随着岩石受载，曲线持续下降，温度分布开始逐渐向高温偏移，试样的升温区域越来越大。已有研究表明[18]，张拉裂纹使温度降低，剪切裂纹使温度升高，进入BC阶段后，曲线下降速率减缓，此时张拉裂纹与剪切裂纹同时剧烈发育，升、降温区域交替出现，但仍以升温区域的增大为主；在试样失稳破坏时(E点)，偏度大幅度突降至负值，此时温度分布呈现左偏，说明饱水试样破坏时表现为试样表面大部分区域升温，红外辐射有明显的响应。

分析图 6中的(d)—(f)可知，天然试样S在0的附近上下波动，说明加载过程中，其温度分布的偏移程度小，对红外辐射的响应弱，符合上文所说的正态分布。加载初期孔隙压密吸热，曲线上升；AB阶段，曲线波动幅度小，温度分布形态几乎不变；进入BC阶段后，张拉裂纹与剪切裂纹同时发育导致S曲线上下大幅度剧烈波动，温度变化不稳定，此阶段S>0，右偏程度较前一阶段大，说明试样以降温区域的出现为主；临近峰值应力，曲线小幅度下降后变化趋于稳定，结合E点的频数直方图，说明天然试样破坏时表现为应力集中导致少数温度异常点的出现。

天然试样温度序列的S值以及波动幅度均小于饱水试样，说明水增强了岩石红外辐射的敏感性。两类岩石峰值应力前均出现S变化减缓，即温度分布形态稳定的特征，此阶段温度整体偏移变化很小，温度变化处于平静期。

总体来说，砂岩受载过程中，随着应力的增加，温度整体变化是一个逐渐减缓并趋于稳定的过程，声发射活动是一个逐渐剧烈的过程。进入岩石裂隙大量发育的非稳定破坏阶段，红外温度矩阵的偏度曲线变化减缓，试样表面整体温度无大幅度变化，处于平静期；试样前期累积的压缩能在此阶段瞬间释放，声发射能量的释放率迅速增加，处于活跃期。声电场与红外辐射温度场对砂岩损伤演化响应的活跃程度呈现负相关。

6 结 论

(1)饱水和天然砂岩试样的时间与轴向应力曲线表明水对砂岩的力学性质弱化作用较明显，减弱了岩石的抗压强度、受载时间以及进入非稳定破坏阶段后的承载能力。

(2)砂岩试样的声发射能率随时间变化的规律表明，两类试样在加载前期能率较低，累积的能量在弹塑性(BC)阶段缓慢释放，峰值应力前(CD阶段)高能率信号密集剧烈出现；天然试样的平均峰值能率较饱水试样高，能量释放活跃阶段的持续时间以及幅度较饱水试样大，与应力的同步性更好，说明水抑制了岩石声发射活动以及裂纹发育规模。

(3)声发射能率的关联维数D值能够表征岩石损伤演化的发展趋势和阶段性特征，两类试样D值的变化规律相同，均为升-降-升-降，但D值曲线出现拐点的时间不同。饱水试样3个拐点的出现时间晚于天然试样，且D值整体大于天然试样，能率的释放呈现更高的无序性，进一步说明了水削弱了岩石声发射的敏感性。

(4)砂岩表面温度序列的频数直方图与偏度S表明，饱水试样温度分布普遍存在形态为左高右低，S>0且呈下降趋势，升温区域持续增大，破坏失稳时表现为岩石表面大面积升温；天然试样温度分布普遍存在形态为正态分布，S值仅在0附近上下波动，温度变化幅度小且不稳定，破坏失稳时表现为岩石表面出现少数高温异常点；水增强了岩石红外辐射的敏感性，两类岩石临近峰值应力前均出现红外辐射温度变化平静期。

(5)饱水与天然砂岩试样受载过程中声发射与红外辐射温度场对砂岩损伤演化响应的活跃程度呈现负相关。声发射活动是一个逐渐剧烈的过程，红外辐射温度的变化是一个逐渐减缓的过程。