布尔台矿单轴加卸载下砂质泥岩声发射特征研究

曹金钟， 杨志良， 王文杰

（1. 中煤大同能源有限责任公司 塔山煤矿，山西 大同 037001；2. 山西大同大学 煤炭工程学院，山西 大同 037003；3. 晋能控股煤业集团 晋华宫矿，山西 大同 037000）

0 引言

西部矿区煤炭储量丰富，煤层赋存稳定，煤系地层成岩年代较晚，基岩段以弱胶结砂质泥岩为主。煤矿井下巷道开挖、工作面回采等过程导致应力集中、转移，从而使巷道围岩受到加卸载力学作用。砂质泥岩是回采巷道常见岩石，在天然状态下胶结程度低，强度较低，多种煤矿事故的发生与砂质泥岩在加卸载时的力学响应密切相关，如工作面大面积来压、巷道失稳、溃水等。近年来，随着西部矿区高强度开发，上述问题日益凸显。因此，有必要对西部弱胶结砂质泥岩在加卸载状态下的力学响应开展深入研究，以揭示巷道围岩损伤劣化、失稳破坏及其失稳前兆信息。

现有研究表明，岩石在加卸载作用下损伤不断加剧，微观上表现为岩石内部裂纹的生成，能量以声发射（Acoustic Emission，AE）、热辐射等形式释放，宏观上表现为岩石变形破坏。AE作为一种监测岩石内部变形、损伤、破坏的有效手段，已广泛用于工程实践中[1-2]。学者围绕岩石在单轴加卸载下的AE特征开展了大量研究。刘娟红等[3]通过不同种类混凝土单轴加卸载和AE试验，研究典型种类混凝土的能量耗散和释放过程。李庶林等[4]运用G-P算法，研究了火成岩和变质岩在单轴多级加卸载作用下AE的分形特征，得出关联维数在等压加卸载和加卸载循环应力增加的情况分别呈突增和下降趋势。王小琼等[5]对鄂尔多斯盆地21块不同类别岩芯开展单轴压缩AE测试，分析不同应力下AE的规律及岩性、加载模式和AE参数对Kaiser效应点识别的影响，得出等级循环加载优于分级循环加载和单次加载。周志华等[6]对比了混凝土在有无渗透水压情况下的单轴加卸载试验，发现在加卸载作用下无渗透水压的混凝土强度强化，有渗透水压的强度降低。李淼等[7]基于单轴加卸载试验，研究了千枚岩的冲击倾向性。林冠宇等[8]探讨了单轴加卸载作用下花岗岩的AE特征，得到饱水状态下花岗岩的RA （上升时间/幅值）小于自然状态。徐速超等[9]研究了单轴循环荷载下矽卡岩的强度变化和AE特征。赵奎等[10]分析了单轴循环荷载下砂岩的次声波信号特征，将其活动分为相对稳定期、活跃期和破坏前兆期。杨小彬等[11]研究了单轴循环加卸载作用下花岗岩非均匀变形过程中的AE特征，得出非均匀变形演化与AE有较好的对应规律。宋小飞等[12]通过单轴加卸载试验研究了砂岩的能量演化规律，得到耗散能占比是粉砂岩＞粗砂岩＞细砂岩。周家文等[13]研究了脆性岩石在单轴循环加卸载下的力学及损伤特性。邓朝福等[14]分析了盐岩单轴加卸载过程的能量和AE特性，得出其变形曲线的回滞环面积较小。

上述研究主要对岩石在单轴加卸载过程的力学响应进行了分析，缺乏对西部广泛分布的弱胶结砂质泥岩在加卸载状态下力学响应的研究。本文以国家能源集团神东布尔台煤矿钻孔BK209中砂质泥岩为研究对象，开展单轴加卸载实时AE监测试验，探讨砂质泥岩强度变化及AE特征，揭示不同应力路径下岩石损伤、劣化和破坏失稳机制。

1 试验方案

1.1 试验样品制备

试验岩芯取自布尔台煤矿三盘区北部补勘工程BK209钻孔，基于国际岩石力学学会（The International Society for Rock Mechanics，ISRM）标准，岩芯经过钻取、切割、打磨，加工成标准试样（φ25 mm×50 mm），如图1所示。试样基本参数及岩层特征见表1。

图1 加工试样Fig. 1 Test samples

表1 试样基本参数及岩层特征Table 1 Sample parameters and strata characteristics

1.2 试验系统

试验采用WDW-100E微机控制电子式万能试验机加载系统及PCI-II型AE监测系统（图2）。万能试验机最大轴向荷载为100 kN，精度为±0.5%，计算机对万能试验机实现精准控制。AE监测系统最大采样频率为40 MHz，AD转换率为18位，频带范围为1～3 000 kHz，AE数据由系统软件采集、存储，前置放大器增益设为40 dB，阈值设为45 dB，采样率为1 000 kHz。利用耦合剂和胶带将2个传感器对称放置于试件中部，使两者充分接触且不脱落。

图2 试验系统Fig. 2 Test system

1.3 试验方案

采用单轴分级加卸载试验方案，同步进行AE监测，研究不同加卸载路径下砂质泥岩的AE特征。砂质泥岩取自侏罗系安定组J2a，其单轴抗压强度为18.33～23.90 MPa[15]，破坏载荷为9～12 kN。本试验设计了3种加卸载路径，如图3所示。加卸载路径I采用位移控制，加卸载速率为0.1 mm/min，先加载至设定值3 kN，然后以同等速率卸载至1 kN，最后加载至峰值，荷载路径为0 →3 kN→1 kN→峰值。加卸载路径II采用荷载控制，先以0.03 kN/s速率加载至3 kN，然后以0.25 kN/s速率卸载至1 kN，接着以0.03 kN/s速率加载至8 kN，再以0.25 kN/s速率卸载至1 kN，最后加载至峰值，荷载路径为0→3 kN→1 kN→8 kN→1 kN→峰值。加卸载路径III采用荷载控制，先以0.1 kN/s速率加载至3 kN，然后以0.25 kN/s速率卸载至1 kN，最后以0.1 kN/s速率加载至峰值，荷载路径为0→3 kN→1kN→峰值。

图3 加卸载路径Fig. 3 Loading and unloading schemes

2 试验结果与分析

2.1 不同加卸载路径下力学特征

不同加卸载路径下砂质泥岩的应力-应变关系如图4所示。可看出砂质泥岩按加卸载路径I，II，III进行加卸载时，其平均应力峰值强度分别为13.46，18.02，10.82 MPa，离散系数分别为2.78%，27.85%，23.80%；加卸载路径II下平均应力峰值强度较加卸载路径I，III分别大4.56，7.20 MPa，增幅分别达34%，66%。3种加卸载路径下应力达到峰值前变形特征大致相同，应力达到峰值后变形特征有所不同。加卸载路径I下试样应力达到峰值后跌落较快，表现出脆性特征；加卸载路径II下试样应力达到峰值后跌落有限，有一定残余强度；加卸载路径III下试样应力达到峰值后分级跌落，表现出一定延性特征。砂质泥岩单轴加卸载弹性模量见表2。可看出在第1次加载阶段（0→3 kN），当应力加载至峰值的0.45，0.29，0.55倍时，平均弹性模量分别为1.66，0.92，0.99 GPa，当应力卸载至峰值的0.15，0.10，0.18倍时，平均弹性模量分别为2.65，1.50，1.56 GPa，与第1次加载阶段弹性模量相比，卸载阶段弹性模量分别增加了59.6%，63.0%，36.5%。说明加卸载路径越短，卸载阶段弹性模量增加越多，主要是因为在加载过程中新生裂隙接触面因剪切滑移产生碎屑，卸载路径短，受到拉应力脱落的碎屑充分充填到附近空隙，裂隙面之间的摩擦能力变强。

表2 砂质泥岩单轴加卸载弹性模量Table 2 Elastic modulus of sandy mudstone during uniaxial loading and unloading

图4 不同加卸载路径下砂质泥岩的应力-应变关系Fig. 4 The stress-strain relationship of sandy mudstone different loading and unloading paths

2.2 不同加卸载路径下AE特征

砂质泥岩不同路径加载阶段AE振铃计数与应力关系如图5所示。可看出砂质泥岩第1次加载过程中，加卸载路径I下AE振铃计数先增大至局部峰值，然后呈对称式衰减；加卸载路径II下AE振铃计数先突增至局部峰值，然后渐进式衰减，呈左偏峰型；加卸载路径III下AE振铃计数先突增至局部峰值，然后减小，接着增大，结束阶段又减小，中间波动较大。砂质泥岩第2次加载过程中，在加卸载路径I，III下，当未超过第1次加载阶段的上限应力时，AE振铃计数较少，当首次超过上限应力时，AE振铃计数呈渐增趋势，当应力增至临近峰值，达到砂质泥岩屈服极限时，AE振铃计数陡增，出现Kaiser点；加卸载路径II比加卸载路径I，III多1个加载阶段，虽然在该阶段内AE振铃计数较少，但第2次加载阶段产生的AE振铃计数仍多于第1次加载阶段，第3次加载至峰值时，AE振铃计数大大增加。加卸载路径I，II，III最后1次加载至峰值的过程，路径I下AE振铃计数先均匀持续发生，接着渐进式增加；路径II，III下AE振铃计数均先均匀持续发生，临近峰值应力时呈跳跃式增长。总体而言，路径III产生的AE振铃计数多于其他路径。

图5 砂质泥岩不同路径加载阶段AE振铃计数与应力关系Fig. 5 The relationship between AE ringing counts and stress of sandy mudstone under different loading stages

不同加卸载路径对AE振铃计数和应力的影响如图6所示。可看出砂质泥岩累计AE振铃计数在4 000次以下，与砂性岩石累计振铃计数2.178×105～59.017×105次[16]相比较低，这是因为砂质泥岩颗粒较小、结构致密，导致由摩擦和破坏引起的AE不明显。AE振铃计数多集中在加载阶段，卸载阶段基本无振铃计数。第1次加载阶段，由于应力较低，砂质泥岩处于裂隙压密阶段，未有新裂纹产生，AE振铃计数较少，AE处于相对平静期；在卸载阶段，由于微裂纹在卸载作用下回弹张开，基本无振铃计数，AE处于“间歇期”；随着应力增大和加卸载次数增多，砂质泥岩内部产生新裂纹，损伤增加，AE振铃计数相对增加，AE处于波动期；最后1次加载至峰值过程中，砂质泥岩处于破坏阶段，裂纹加速扩展，损伤加剧，AE振铃计数激增，AE进入活跃期。

加卸载路径I下砂质泥岩应力临近峰值时，AE振铃计数出现渐进式增加，约在应力峰值的0.8倍处AE信号增加相对明显，可作为预警前兆点，振铃计数最大值出现在应力峰值后；而加卸载路径II，III下砂质泥岩应力临近峰值时，AE信号相对平静，无明显前兆信息，其振铃计数最大值均出现在应力峰值处（图6（h）中，由于试样33非均匀性较强，振铃计数最大值提前于应力峰值出现）。加卸载路径I，II，III下砂质泥岩AE振铃计数的激增分别呈集群式、单峰陡增、集群式，其平均AE累计振铃计数分别为3 048，3 327，3 896次，从加载到破坏的平均时间分别为719.4，553.6，91.5 s，平均AE振铃计数分别为4，6，42 次/s。由此可见，加卸载路径III对AE影响较大，加卸载路径I对AE影响较小，究其原因是在加卸载荷载作用下裂纹以持续闭合、张开的方式发展，由于加载速率提高，裂纹来不及闭合就注入新的能量，加上加卸载路径III下砂质泥岩峰值强度较低，大大降低了裂纹扩展过程所克服的阻力，在较低应力作用下裂纹出现扩展，加剧内部损伤，释放更多能量，振铃计数增加；由加卸载路径I，II的平均AE振铃计数可知，加载控制模式未导致砂质泥岩破坏进程产生较大改变，对AE的影响有限。

图6 不同加卸载路径对AE振铃计数和应力的影响Fig. 6 Influence of different loading and unloading paths on AE ringing counts and stress

3 结论

（1） 卸载阶段弹性模量大于加载阶段弹性模量，且加卸载路径越短，卸载阶段弹性模量增加越大。主要是因为在加载压缩的过程中新生裂隙接触面因剪切滑移产生碎屑，卸载路径短，受到拉应力脱落的碎屑充分充填到附近空隙，裂隙面之间的摩擦能力变强。

（2） 不同加载阶段AE振铃计数随加载路径变化而呈现不同的演化特征。第1次加载阶段，路径I下AE振铃计数呈先增后减的对称变化；路径II下AE振铃计数呈左偏峰变化；路径III下AE振铃计数先突增至局部峰值，然后减小，接着再增加，结束阶段又减小，中间波动较大。最后1次加载至峰值的过程中，路径I下AE振铃计数先均匀持续发生，接着渐进式增加；路径II，III下AE振铃计数均先均匀持续发生，临近峰值应力呈跳跃式增加。

（3） 砂质泥岩AE振铃计数主要集中在加载阶段，卸载阶段基本无振铃计数。主要原因是在卸载阶段，裂隙处于张开状态，砂质泥岩颗粒较小，由摩擦和破坏引起的AE不明显。

（4） 加载速率对单位时间内AE振铃计数的敏感度大于加载控制模式。砂质泥岩分别沿路径I，II，III加载时，其振铃计数平均分别为4，6，42 次/s。加载速率的提高加快了岩石内部裂纹扩展速率，加速了岩石内部主裂纹的形成及贯通，加剧了岩石内部的损伤，能量在较短时间内释放，单位时间内AE振铃计数变大。