劉永立， 李 龍

(黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

0 引 言

地下水侵入會(huì)引起巖石力學(xué)性質(zhì)及破壞特征發(fā)生變化，導(dǎo)致礦井巷道原有支護(hù)失效，圍巖片幫、冒頂?shù)仁鹿暑l發(fā)，圍巖含水率的變化是事故發(fā)生的主要原因。周子龍等[1-3]開(kāi)展了不同含水率巖樣的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了水對(duì)巖石力學(xué)性質(zhì)有“軟化”作用。D.C.Zhang等[4]研究了砂巖飽和度對(duì)巖石啟裂應(yīng)力以及彈性模量等的影響。段宏飛等[5]人研究了飽水時(shí)間增加對(duì)砂巖抗壓軟化的影響。馮小東等[6]開(kāi)展了干燥、天然以及飽和3種含水狀態(tài)下砂巖單軸分級(jí)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)，分析了不同含水率砂巖在循環(huán)荷載作用下的能量、損傷、力學(xué)行為差異。上述科研成果是從巖石受載角度分析不同含水率對(duì)巖石的破壞特征及力學(xué)性質(zhì)的影響。隨著科技的進(jìn)步，以計(jì)算機(jī)、聲發(fā)射及數(shù)值模擬等手段開(kāi)展含水率對(duì)砂巖破壞特征影響的研究越來(lái)越多，姚強(qiáng)嶺等[7]發(fā)現(xiàn)，隨著砂巖含水率的不斷提高，聲發(fā)射計(jì)數(shù)峰值相比巖石強(qiáng)度峰值有明顯的滯后性。張安斌等[8]通過(guò)對(duì)不同含水率砂巖的單軸全程聲發(fā)射檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，探明了隨含水率變化的巖石變形特征、損傷破裂程度、破裂全程能量釋放水平、破壞類(lèi)型規(guī)律，分析了水環(huán)境作用下砂巖單軸壓縮力學(xué)特性和損傷規(guī)律。孫林等[9]通過(guò)開(kāi)展不同飽和度砂巖單軸聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，探究了不同含水率砂巖的漸進(jìn)破壞過(guò)程規(guī)律。高保彬等[10]將聲發(fā)射計(jì)數(shù)曲線出現(xiàn)波動(dòng)上升→突降→最大值的現(xiàn)象稱為煤巖動(dòng)力災(zāi)害前兆信息。李剛等[11]通過(guò)FLAC3D軟件分析了軟巖巷道圍巖隨巖石含水情況的不同應(yīng)力分布的變化規(guī)律。

巖石脆性破壞是宏觀現(xiàn)象，裂隙發(fā)育為微觀現(xiàn)象。上述研究從單一的巖石受載破壞宏觀或微觀現(xiàn)象入手，沒(méi)有展現(xiàn)巖石的全部力學(xué)破壞特征，不能有效地指導(dǎo)礦井工程實(shí)踐。筆者通過(guò)不同含水率砂巖的單軸壓縮聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)，分析巖石脆性破壞及裂隙發(fā)育特征變化規(guī)律，從宏觀和微觀兩方面綜合考慮巖石的破壞特征。為預(yù)防和治理煤礦因巖石含水率變化導(dǎo)致的工程技術(shù)問(wèn)題提供理論數(shù)據(jù)與技術(shù)支持。

1 研究方案

基于巖石力學(xué)和聲學(xué)理論，設(shè)計(jì)了不同含水率砂巖單軸壓縮和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，綜合分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ，探明了砂巖含水率變化引起砂巖破壞的巖石力學(xué)和聲學(xué)特征變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)步驟：

(1)調(diào)研礦井典型砂巖巷道施工存在的安全技術(shù)問(wèn)題，鉆取砂巖巷道標(biāo)本，加工成型標(biāo)準(zhǔn)巖樣；

(2)通過(guò)巖樣超聲波檢測(cè)，選出均質(zhì)度、密度相近的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，并將選出的巖樣開(kāi)展自然飽水實(shí)驗(yàn)，獲得不同含水率的砂巖試件；

(3)通過(guò)單軸壓縮聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；

(4)分析巖石應(yīng)力、應(yīng)變及聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得含水率影響砂巖脆性與巖樣裂隙發(fā)育特征的規(guī)律。技術(shù)路線見(jiàn)圖1。

圖1 技術(shù)路線Fig. 1 Technical route

2 巖樣制備與實(shí)驗(yàn)

2.1 巖樣制備

應(yīng)用巖樣切割機(jī)和雙面磨石機(jī)，把砂巖加工成φ50 mm×100 mm的圓柱形試件。試件規(guī)格滿足國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)(ISRM)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。為避免巖樣密度及均質(zhì)度異常影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用Sonic Viewer-SX巖樣超聲波速測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)試件[12]，將波速相近的試件挑出，用于巖樣自然飽水實(shí)驗(yàn)。

將挑出的標(biāo)準(zhǔn)試件稱重后放入恒溫烘干箱中，恒溫105 ℃烘干24 h，獲得含水率為0的標(biāo)準(zhǔn)巖樣及砂巖的自然含水率。將烘干后的巖樣放在干燥容器內(nèi)冷卻。冷卻后，把標(biāo)準(zhǔn)巖樣放入20 ℃的純凈水中，每隔2 h取出，用濕毛巾擦去巖樣表面水分，測(cè)量其重量變化，計(jì)算其含水率。砂巖在自然狀態(tài)下的含水率為5.08%。為了研究干燥狀態(tài)砂巖脆性破壞特征及自然含水狀態(tài)下砂巖吸水后巖石脆性破壞特征的變化規(guī)律，分別預(yù)制含水率為0、5.08%、5.18%、5.86%的4種標(biāo)準(zhǔn)砂巖巖樣作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。巖樣制備流程見(jiàn)圖2。

圖2 巖樣制備流程Fig. 2 Rock sample preparation flow

2.2 實(shí)驗(yàn)

應(yīng)用TAW-2000巖石試驗(yàn)機(jī)對(duì)4種含水率砂巖巖樣開(kāi)展單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，采用緩慢加壓的方式，設(shè)定軸向加壓速率為0.02 mm/s，直至巖樣破裂。應(yīng)用SH-II聲發(fā)射采集系統(tǒng)開(kāi)展巖樣加載過(guò)程同步聲發(fā)射監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置獨(dú)立通道接收傳感信號(hào)，分析巖樣的裂隙發(fā)育特征。TAW-2000巖石試驗(yàn)機(jī)與SH-II聲發(fā)射采集系統(tǒng)組成的實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖3。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 3 Experiment system

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

不同含水率砂巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，其中：σp為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，σr為巖石殘余強(qiáng)度，εp為應(yīng)力達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，εr為巖石殘余應(yīng)變，E為巖石的彈性模量，tp為峰值應(yīng)力加載時(shí)間，t為全部加載時(shí)間。應(yīng)力-應(yīng)變曲線見(jiàn)圖4。分析表1和圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出砂巖在單軸壓縮作用下經(jīng)歷了彈性變形、塑性變形及破壞3個(gè)階段，不同含水率砂巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨勢(shì)相似。隨著含水率的增加，砂巖單軸抗壓強(qiáng)度逐漸減小，總應(yīng)變逐漸增加，彈性模量(E)逐漸減小，總加載時(shí)間逐漸增加。含水率為0及5.08%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑性階段不明顯，峰前曲線具有明顯的塑-彈性變形特征；含水率為5.18%及5.86%時(shí)，應(yīng)力-應(yīng)變曲線峰前部分呈S型，出現(xiàn)應(yīng)變硬化現(xiàn)象，巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線塑性階段特征明顯，即該曲線在峰前整體表現(xiàn)為塑-彈-塑性變形性質(zhì)。

表1 不同含水率砂巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 1 Test data of uniaxial compression of sandstonewith different water content

含水率/%σp/Mpaσr/Mpaεp/mmεr/mmE/GPatp/st/s085.4874.621.261.2817864.1865.335.0861.5141.261.401.498971.2074.705.1849.3242.231.781.837390.3392.865.8639.1819.322.012.2349101.90110.00

圖4 不同含水率砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 4 Stress-strain curves of sandstone with different moisture content

3.2 巖石脆性破壞

巖石脆性破壞是指在外力作用下產(chǎn)生很小的變形就發(fā)生破壞，失去承載能力的現(xiàn)象。曹洋兵等[13]研究認(rèn)為：巖石變形破壞全過(guò)程的脆性特征分為應(yīng)力峰前和峰后兩部分；峰值應(yīng)變與巖石峰前脆性呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，峰后應(yīng)力跌落及應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)速率與峰后脆性呈正相關(guān)關(guān)系；式(1)為巖石脆性指標(biāo)表達(dá)式，式(2)、(3)分別為應(yīng)力峰前、峰后脆性指標(biāo)表達(dá)式。

B=Bd1+Bd2，

(1)

(2)

(3)

式中：B——巖石脆性指標(biāo)；

Bd1——巖石峰前脆性指標(biāo)；

Bd2——巖石峰后脆性指標(biāo)；

K——常數(shù)，設(shè)立K的目的在于防止Bd1相對(duì)于Bd2相差過(guò)大使Bd2被失去作用價(jià)值。

式(2)和(3)表達(dá)脆性指標(biāo)變化的規(guī)律并不同步，Bd1值增大代表脆性減弱，Bd2值增大代表脆性增強(qiáng)，所以需要統(tǒng)一Bd1和Bd2對(duì)脆性表達(dá)的變化規(guī)律。利用巖石峰值應(yīng)變與脆性負(fù)相關(guān)的性質(zhì)，建立峰前脆性指標(biāo)表達(dá)式，即：

(4)

(5)

將表1數(shù)據(jù)代入式(3)～(5)中可得不同含水率砂巖脆性指標(biāo)B′值，見(jiàn)表2。分析表2相關(guān)數(shù)據(jù)可知，含水率越高，B′值越低，說(shuō)明砂巖隨著含水率的增加巖石脆性逐漸減弱。由表1中εr的變化可以看出，在巖樣尺寸相同時(shí)，εr隨著含水率的增加逐漸增大，巖石塑性逐漸增強(qiáng)。

表2 不同含水率砂巖脆性指標(biāo)

Table 2 Brittleness indexes of sandstone withdifferent moisture content

含水率/%B'd1Bd2B'00.400.120.525.080.270.110.395.180.160.070.235.860.130.080.21

3.3 裂隙發(fā)育特征

脆性巖石在破壞時(shí)產(chǎn)生的裂隙主要分為拉張裂隙和剪切裂隙，聲發(fā)射參數(shù)δ是指聲發(fā)射撞擊上升時(shí)間與幅度的比值，單位為s/dB。其大小代表了巖石在壓縮過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生的破裂類(lèi)型。較低δ值對(duì)應(yīng)剪切裂隙，而較高δ值對(duì)應(yīng)張拉裂隙[14]。不同含水率的砂巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)聲發(fā)射δ-能量-應(yīng)力隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖5所示。

由圖5可知，砂巖內(nèi)部裂隙發(fā)育可分為5個(gè)階段：I裂隙壓密階段、II裂隙萌生階段、III裂隙融合階段、IV裂隙貫通階段、V峰后階段。當(dāng)含水率為0和5.08%時(shí)，加載前期，聲發(fā)射活動(dòng)較為活躍、密度較高，δ值密集且高低交錯(cuò)分布，有一定的AE能量釋放，說(shuō)明低含水率砂巖在加載曲線壓密階段經(jīng)歷了裂隙發(fā)育的I和II兩個(gè)階段。當(dāng)含水率為5.18%和5.86%時(shí)，在砂巖加載曲線壓密階段只產(chǎn)生少量低δ值，說(shuō)明此時(shí)巖石內(nèi)部只產(chǎn)生少量剪切微裂隙，對(duì)應(yīng)砂巖裂隙發(fā)育I階段；巖石加載曲線彈性階段δ值分布密度增大，但值較小，對(duì)應(yīng)巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育II階段。

圖5 不同含水率砂巖δ-應(yīng)力-能量隨時(shí)間的變化Fig. 5 Stress-energy versus time variation δ-sandstone with different moisture content

當(dāng)含水率為0的砂巖加載到應(yīng)力峰值前后，δ值先增后降，巖樣先出現(xiàn)部分張拉破裂，再出現(xiàn)整體剪切破裂、失穩(wěn)。巖樣破壞前后δ值起伏變化較大，說(shuō)明拉伸與剪切破壞互為巖石損傷條件。巖石剪切破壞后再次產(chǎn)生拉伸破壞，如圖6a所示。

當(dāng)含水率為5.08%時(shí)，應(yīng)力峰值處δ值較低，AE事件數(shù)較高，此時(shí)巖石內(nèi)部裂隙以剪切裂隙貫通并宏觀破裂，巖石峰后階段又經(jīng)歷了張拉-剪切混合破壞。破碎部分塊度較小，整體較破碎。如圖6b所示。

含水率為5.18%和5.86%的砂巖在裂隙發(fā)育IV階段時(shí)，高低δ值均有分布，以低δ值為主，說(shuō)明含水率較高的砂巖在塑性階段剪切裂隙較多，伴生拉伸裂隙。

含水率為5.18%的砂巖在應(yīng)力峰值處δ值較低，但能量釋放較高，說(shuō)明巖石內(nèi)部以剪切裂隙破壞為主，巖石破壞后δ值先增后降，巖石內(nèi)部又進(jìn)行了以張拉為主的殘余破壞，導(dǎo)致巖石左半角崩落,如圖6c所示。

含水率為5.86%的砂巖在應(yīng)力峰值處高低δ值均有分布，巖石內(nèi)部裂隙發(fā)育最終以剪切-張拉混合破壞貫通，但能量和AE計(jì)數(shù)則在峰后出現(xiàn)峰值，說(shuō)明巖石在峰后裂隙發(fā)育程度增高，殘余強(qiáng)度降低幅度大，破碎程度增加，峰后破壞形式多為拉伸破壞，如圖6d所示。

圖6 不同含水率砂巖的破裂狀態(tài) Fig. 6 Breakdown of sandstone with different moisture content

4 結(jié) 論

(1)隨著砂巖含水率的增加，巖石單軸抗壓強(qiáng)度逐漸降低，總應(yīng)變逐漸增大，脆性降低，破碎程度逐漸增加，應(yīng)力峰前變形性質(zhì)由塑-彈性變形逐漸向塑-彈-塑性變形過(guò)渡。

(2)含水率較高時(shí)，砂巖出現(xiàn)了塑性破壞，塑性階段裂隙發(fā)育表現(xiàn)為剪切裂隙為主，張拉裂隙為輔，損傷程度發(fā)展迅速，高含水率砂巖因塑性破壞加深了巖石的破碎程度。

(3)砂巖含水率的增加，延緩了裂隙萌生進(jìn)程，縮短了裂隙匯聚貫通階段過(guò)程，主破壞形式由剪切破壞過(guò)渡為張-剪混合破壞。

(4)隨著砂巖含水率的增加，應(yīng)力峰后聲發(fā)射活動(dòng)增強(qiáng)，殘余強(qiáng)度降低，破碎程度增加，對(duì)保持巷道圍巖整體強(qiáng)度不利。