盐穴储气库三种典型岩石拉伸声发射特征研究

林浩， 刘建锋*， 徐邓， 朱安奇， 任奕， 梁超

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 成都 610065； 2.四川大学水利水电学院， 成都 610065)

盐岩拥有优良的致密性，低渗性和水溶性，同时由于其蠕变特性良好以及力学性能稳定[1-2]，常用作建造地下储气库以保持运营期的长期稳定[3-5]。中国地下盐岩矿井多为层状分布，岩层的强度和特性由构成夹层的岩石决定，其中盐岩，泥岩和钙芒硝岩是盐穴中的典型岩石，研究这3种岩石的物理力学特性对中国储气库的建造与运营具有重要意义。

岩石的抗拉强度对其性质有显著影响，中外众多学者进行了相关方面的研究[6-9]。直接拉伸试验由于难以确定拉伸方向与岩石试样轴线的重合程度，因此使用该方法测试岩石抗拉强度的研究较少，有学者使用点荷载试验及冲击试验预测了岩石的抗拉强度[10-11]，总结了相关公式并评判了其可靠性，但由于试验结果差异性较大，并不被广泛使用。国际上多采用间接方法测试岩石的抗拉强度，中国把巴西劈裂试验作为相关行业的标准试验方法。通过巴西试验，学者们得到了各类脆性岩石[12-13]，各向异性岩石[14-15]以及不同工况下岩石的抗拉强度[16]，同时，为了更好地分析岩石的内部破坏规律，超声检测技术被广泛应用，有学者用其来监测预报岩体稳定性[17-19]以及定量评价岩样的损伤演化过程[20-21]。在拉伸试验中，声发射揭示了不同应力状态所导 致的损伤演化规律[22]和盐岩拉伸破坏时的力学强度特性[23-24]和破坏前兆[25]。然而，少有学者探究盐穴储气库中3种典型岩石尤其是泥岩和钙芒硝岩的拉伸破坏时的声发射特征规律，导致对三种岩石破坏特征方面的认识有所不足，在储气库安全建设与运营方面有待加强。

采用间接拉伸的方式，针对盐岩，泥岩和钙芒硝岩进行巴西劈裂试验，并结合声发射的空间分布特征以及能量和振铃计数特征具体分析破坏过程，对相关工程具有重要的参考价值。

1 试样设备及试验方案

试验所采用的设备为四川大学水电学院MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统[图1(a)]，该试验机轴向荷载最大可达4 600 kN，单轴引伸计 轴向量程±4 mm，环向量程-2.5～12.5 mm；三轴环向引伸计量程8～-2.5 mm；直接拉伸荷载最大2 300 kN；轴向荷载的振动频率可达5 Hz以上，各测试传感器精度均为当前同比标定量程的0.5%。声发射试验所采用的设备为PCI-II声发射定位系统。岩石内部的晶体位错和颗粒内部微裂纹的产生、发展、闭合均有声发射信号产生，借助传感器可以得到这些声发射信号的振幅，频率、能量等参数，由此可以间接反应岩石内部裂纹的发展情况。

试验中轴向加载采用40 kN量程的加载方式，声发射传感器对称分布在试样前后两侧，每侧4个[图1(b)]，传感器频率为100 kHz。巴西劈裂试验采用间接拉伸的方式，试样按规范要求制成直径为90 mm，高度为45 mm的圆柱形(图2)。试验过程中采用轴向位移控制加载速率为0.1 mm/min，直至试样破坏。

图1 试验设备及放置方式

图2 岩石试样

2 试验结果及其分析

2.1 应力应变特征

考察3种岩石整体变形量与峰值应力， 盐岩的峰值应力较低，总应变较大，泥岩与钙芒硝岩应变低于盐岩，峰值应力则较高，在破坏过程中呈现出脆性的特点(图3)，而此两者之中泥岩的峰值应力与应变量大于钙芒硝岩，塑形更强。由图4可知，3种岩石的总应变呈下降趋势，盐岩最大位移量为0.69 mm，应变为0.007 6，可达钙芒硝岩的两倍以上，同时也是泥岩总应变的1.5倍，并且盐岩的初始压密阶段与弹性阶段不如另外两种岩石明显，屈服变形持续时间也最长，由此可知，盐岩塑形高于泥岩与钙芒硝岩。从峰值应力来看，盐岩仅为1.27 MPa，不足泥岩的1/2，并且略低于钙芒硝岩，岩样整体强度较弱，这与岩石的组成成分有关。

图3 岩石应力应变曲线

图4 岩石总应变-峰值应力图

2.2 空间分布特征

3种岩石声发射事件点盐岩最多，钙芒硝岩次之，泥岩最少，盐岩声发射活动最为显著。比较具体声发射事件点总数，盐岩共有10 148次，泥岩有119次，钙芒硝岩有1 166次，盐岩的声发射事件数远高于泥岩与钙芒硝岩，这是由于盐岩由NaCl(主要成分)、KCl、硫酸盐矿物、镁盐矿物等组成，晶体结构明显，岩石内部晶体的滑移，错动，摩擦等活动都会被声发射仪器采集，而泥岩成分较为复杂，主要由黏土矿物(高岭石、蒙脱石等)和碎屑矿物(石英、长石、云母等)、后生矿物(绿帘石、绿泥石)等组成，固结程度较弱，重结晶不明显，因此声发射活动较弱。钙芒硝岩由钙芒硝和白云石、石膏、芒硝等碎屑组成，晶体结构不如盐岩明显，声发射事件点偏少。

在盐岩破坏的整个过程中[图5(a)]，10%峰值应力以前的声发射活动相比之后并不剧烈，事件点增加不明显，在达到20%峰值应力之后，声发射事件点开始大幅增加，首先是在试件的两端迅速增多，并沿着试样中线向中心扩张，到了80%峰值应力时可以清晰地看出事件点构成了一条轨迹，这正是贯通裂缝出现的部位；泥岩在试件中间部位首先出现声发射事件点[图5(b)]，随着荷载增加，达到峰值应力时能看出贯通裂缝的痕迹，但由于声发射事件点较少，无法呈现出和宏观裂缝重合的声发射图像；钙芒硝岩在50%峰值应力左右出现明显的声发射事件点[图5(c)]，之后在90%峰值应力之前以较慢的速率增长，到达90%峰值应力后出现事件点大幅增加的现象。从时空分布(图5)可以看出，盐岩首先在试样两端产生破坏，由弹性力学原理岩石应在试件中心首先发生破坏，然而因试样两端加装了垫条，发生了应力集中现象，盐岩首先在两端出现破坏，钙芒硝岩则强度更高，两端的应力集中不足以让其出现可监测到的裂纹，在荷载增加到50%时，试样中部声发射事件点显著增加，这时才出现了明显的裂纹并沿加载方向向两端扩展直至破坏，三种岩石的不同强度导致了破坏过程出现了明显的差异。

图5 岩石声发射时空分布

2.3 能量特征

声发射能率表征了岩石损伤的程度，在试验全过程中，盐岩的能率与累计能量最高，钙芒硝岩次之，泥岩最低，根据声发射事件点总数，计算得出每个事件点的平均能值，盐岩为2.02×10-14J、泥岩为3.5×10-16J、钙芒硝岩为3.9×10-16J，其中盐岩的平均能值最高且远超其余两者，这种现象与事件数的规律一致，出现的原因可能与岩石内部微粒的破坏方式有关，盐岩为晶体结构，并且在间接拉伸中破坏以穿晶断裂为主[23]，增加了断裂表面面积，因此导致能率上升，而钙芒硝岩或以沿晶断裂为主，能率远小于穿晶断裂，泥岩则由于本身的泥状结构导致声发射活动不活跃，破坏所释放的能量也较少。

将图6中岩石的破坏过程按应力应变特性分为3个阶段：初始压密阶段(Ⅰ)、弹性变形阶段(Ⅱ)、屈服变形阶段(Ⅲ)。其中初始压密阶段约为峰值应力的5%以下，此阶段3种岩石的声发射活动微弱，这是由于在试验开始阶段施加的荷载主要作用在钢条上，时间内部损伤较小，声发射活动不显著，所以在曲线上出现了一段声发射活动的空白期，除此之外，在加载初期试件被集中力压密，岩石内部一部分裂纹在力的作用下处于闭合状态，因此声发射活动能量较小。随着荷载增大，岩石内部裂纹开始扩展，声发射活动随之变得活跃。在弹性阶段3种岩石有所不同，盐岩强度较低，弹性变形持续时间较短，在峰值应力的50%左右开始出现屈服变形，而泥岩与钙芒硝岩则在70%～80%峰值应力时进入屈服变形阶段。在进入屈服变形阶段后，3种岩石的声发射能量都迅速增加，在接近峰值应力时，增加速率达到最大值。然而3种岩石的累计能量上升趋势有所不同，盐岩的累计能量值呈平滑曲线形式上升，泥岩则表现出明显的阶梯状。出现这种差异的原因和两种岩石的内部微粒有关，盐岩颗粒强度较低，在荷载增加的过程中内部不断出现裂纹，曲线平缓增长，而泥岩中泥质颗粒强度较盐岩更高，施加荷载时出现的裂纹微小，声发射活动不显著，随着应力增加，裂纹从试件中心开始出现，并向两端扩展，最后汇成一个裂纹带，呈现在曲线上就是一级阶梯，之后的每一级阶梯都可看作岩石内部微裂纹的一次汇集，这种现象一直持续到试件破坏。而钙芒硝岩的能量曲线总体呈现出陡增的形式，在接近峰值应力前都无明显的变化，在临近峰值时才有声发射活动活跃程度大幅增加的现象发生。

2.4 振铃计数特征

3种岩石的振铃计数规律表现出了与时空分布(图5)和能量曲线(图6)相同的特征，盐岩的最大振铃计数率和累计振铃计数都远大于泥岩和钙芒硝岩，而后两者中钙芒硝岩较泥岩更大。并且可以发现累计振铃计数和累计能量曲线的趋势几乎一样，进一步证明了前述的结论，盐岩的晶体结构使其声发射活动极为活跃，泥岩的泥状结构则使声发射现象不明显。考察三种岩石每个声发射事件点的平均振铃计数，得出盐岩为1 200.6次，是泥岩(76.2次)的15.8倍，钙芒硝岩(68.8次)的17.5倍，与平均能值相似，盐岩远大于其余两者，主要是因为盐岩整体强度较低，内部晶粒的滑移、错动、摩擦现象发生的更为频繁。同时也与盐岩屈服变形阶段在整体破坏过程中占比最大，时间最长有关，该阶段岩石不可逆变形增加，内部裂纹增长迅速，声发射信号显著增加，而泥岩和钙芒硝岩由于强度更高，塑形更差，这种现象便体现在较少的声发射信号上。

图6 盐岩声发射能量率/累计能量-时间-应力图

对于振铃计数率曲线(图7)，3种盐岩在初始压密阶段声发射活动微弱，曲线波动不明显。弹性变形阶段则有所不同，盐岩与钙芒硝岩在这个阶段增长速率较慢，泥岩则有迅速上涨的现象发生。在屈服变形阶段，3种岩石在此阶段所持续时间在试验中均占比最大，并且振铃计数增长速率最快，但呈现出了不同的增长方式，盐岩呈平滑上升，泥岩与钙芒硝岩经过了一段时间稳定增长后在临近峰值应力时出现陡增。从该阶段的差异可以看出，由于盐岩强度最低，在较低荷载时便已产生了大量裂纹，而泥岩与钙芒硝岩强度更高岩石内部破坏速度较慢，声发射活动并不显著，当荷载增加至临近峰值阶段时，两种岩石内部前两个阶段所积累的裂纹扩展到了一定程度，各处裂纹开始汇聚，岩石破坏程度迅速加大，声发射活动因此急剧增多。从振铃计数特征可以看出，岩石的组成与结构会影响声发射现象，导致声发射特征参数产生不同的变化规律。

图7 盐岩声发射振铃计数率/累计振铃计数-时间-应力图

3 结论

本次试验针对盐穴储气库3种典型岩石的巴西劈裂声发射特征结合力学特性和岩石组成结构做了详细分析，得出如下主要结论。

(1)3种岩石中盐岩形变量最大为0.69 mm，应变可达0.007 6，约为泥岩的1.5倍，钙芒硝岩的2倍，而峰值应力仅为1.27 MPa，为三者最低，不足泥岩的1/2，并略低于钙芒硝岩。

(2)声发射活动的活跃性与岩石组成结构有关，盐岩和钙芒硝岩的晶体结构比泥岩的泥状结构更容易产生声发射事件点，盐岩的事件点总数接近泥岩的100倍，钙芒硝岩则接近泥岩的10倍。同时岩石的强度也导致了声发射分布点的出现规律不同，盐岩强度较低，从两端垫条加载处开始，泥岩与钙芒硝岩则先在试件中心出现。

(3)声发射能量和振铃计数在岩石屈服变形阶段大幅增加，总体累计曲线盐岩呈平滑曲线形式上升，泥岩呈阶梯状上升，钙芒硝岩在接近峰值应力时陡增。由于盐岩内部颗粒破坏形式多为穿晶断裂，并且颗粒的摩擦，错动，滑移都会被声发射仪器记录，所以盐岩的能量与振铃计数均远大于泥岩与钙芒硝岩。

(4)声发射试验是检测岩石内部损伤状态的重要方法之一，能够反应岩石内部裂纹的产生、发展以及演化规律，通过对盐穴储气库三种典型岩石的声发射特征参数研究，进一步了解了其损伤演化规律，对储气库的建设和安全运营具有重要意义。