李小龍，李 進(jìn)，黃 輝，李立波

(1.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司靈新煤礦，寧夏 靈武 751410；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083；3.國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司梅花井煤礦，寧夏 靈武 751410)

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，對于能源的需求日益增加，中部地區(qū)、東部地區(qū)的煤炭資源已經(jīng)無法支撐我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此煤炭開采逐漸向深部發(fā)展[1-2]、向西部地區(qū)發(fā)展[3-4]。但西部地區(qū)巷道圍巖的成巖過程特殊，分布著大量的弱膠結(jié)巖層，這類巖石具有膠結(jié)程度低、遇水易崩解、強(qiáng)度低等特殊性質(zhì)[5-6]，因此弱膠結(jié)圍巖巷道容易出現(xiàn)煤層強(qiáng)度高于巖層強(qiáng)度的現(xiàn)象，同時弱膠結(jié)巖石中含有大量親水性黏土礦物，如伊利石、蒙脫石、高嶺石等[7]，這些特性造成弱膠結(jié)圍巖巷道支護(hù)成本大大增加，并且相比于其他巷道其變形量更大，更易產(chǎn)出冒頂、底臌等現(xiàn)象，極大制約了煤礦的快速開采。

隨著西部礦區(qū)的逐漸開發(fā)，弱膠結(jié)巖石的相關(guān)物理力學(xué)特性問題逐漸得到大量學(xué)者的關(guān)注[8-9]，相關(guān)研究成果也逐漸增加。滕騰等[10]研究了加載速率對砂巖力學(xué)和聲發(fā)射特性的影響；韓心星等[11]研究了三軸壓縮下砂巖的本構(gòu)模型；侯憲港[12]對弱膠結(jié)砂巖、弱膠結(jié)泥質(zhì)中砂巖進(jìn)行了單軸壓縮下的力學(xué)、聲發(fā)射試驗，得到了兩種弱膠結(jié)砂巖的強(qiáng)度、破壞特征、聲發(fā)射特征以及沖擊傾向性等結(jié)果；NGUYEN等[13]使用高分辨率數(shù)字照片和數(shù)字圖像相關(guān)法(DIC)分析了在平面應(yīng)變單軸壓縮下變形的軟巖中傾斜缺陷(切口)的裂縫演化；趙維生[14]對巖石礦物成分含量和含水率影響下的泥質(zhì)弱膠結(jié)巖石的基本物理力學(xué)特性進(jìn)行研究；吳寶楊[15]發(fā)現(xiàn)單軸抗壓強(qiáng)度增加與孔隙堵塞引起的孔隙水壓力有關(guān)；張娜[16]發(fā)現(xiàn)內(nèi)部孔隙率的增加是導(dǎo)致頁巖試樣吸水之后強(qiáng)度衰減的重要原因；紀(jì)洪廣等[17]發(fā)現(xiàn)弱膠結(jié)砂巖的礦物成分、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、成巖過程造成了其易遇水軟化、崩解的特點。

綜合以上研究，大量學(xué)者在巖石力學(xué)特性、聲發(fā)射特征方面取得了豐富的研究成果，但對于加載速率對弱膠結(jié)砂巖劈裂特性的影響研究較少，因此，本文開展了加載速率對弱膠結(jié)砂巖抗拉強(qiáng)度、聲發(fā)射特征、全場應(yīng)變演化的影響研究，以期為弱膠結(jié)軟巖巷道變形破壞分析提供參考。

1 弱膠結(jié)砂巖礦物成分和微觀結(jié)構(gòu)特征

1.1 礦物成分分析

試驗巖樣均取自神華寧煤集團(tuán)梅花井煤礦，弱膠結(jié)砂巖的宏觀性質(zhì)與其內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)和礦物成分含量有密切關(guān)系，采用XRD礦物成分分析和SEM電鏡掃描，分析其微觀結(jié)構(gòu)特征(圖1)。由XRD礦物分析試驗所得砂巖中SiO2(石英)衍射峰值最高且衍射峰最多，峰形多呈現(xiàn)細(xì)、高狀，說明其結(jié)晶度高、顆粒大，礦物含量最多，其次分別為Na2O·Al2O3·6SiO2(鈉長石)、KAISi3O8(正長石)、Al2Si2O5(OH)4(高嶺石)。其中，鈉長石、正長石相對應(yīng)衍射峰也呈細(xì)高狀，說明其礦物結(jié)晶度較高、顆粒較大，高嶺石相對應(yīng)的峰形略寬，其礦物結(jié)晶度低、顆粒較小。

圖1 巖樣X-衍射圖Fig.1 X-ray diffraction of rock samples

1.2 微觀結(jié)構(gòu)特征

對弱膠結(jié)砂巖樣品進(jìn)行不同倍數(shù)下的電鏡掃描分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，砂巖結(jié)構(gòu)面顆粒感比較明顯，顆粒邊界比較清晰，但是其表面非常的粗糙、不光滑，在低倍數(shù)條件下，可觀察到礦物呈現(xiàn)塊狀及片狀分布，結(jié)構(gòu)較完整，少量呈蜂窩狀分布，孔隙裂隙發(fā)育明顯，大孔隙存在較多，且貫通性較好，結(jié)構(gòu)疏松，致密性差；在高倍數(shù)條件下，可觀察到膠結(jié)物多呈現(xiàn)纖維狀或絮狀，與周圍礦物接觸面少，可明顯觀察到層狀礦物分布，導(dǎo)致膠結(jié)狀態(tài)差，強(qiáng)度低。

圖2 微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Micro structure

2 試驗方案

2.1 巖樣制備

取樣方法為現(xiàn)場取芯，取樣后加工制作成Ф50 mm×25 mm圓柱巖樣。樣品的兩端經(jīng)過研磨，以獲得平行、平坦和光滑的表面，確保均勻的載荷分布。圖3為部分試件。

2.2 試驗方案

圖3 部分巖樣Fig.3 Rock samples

圖4 聲發(fā)射探頭布置Fig.4 Layout of acoustic emission probe

本次試驗采用YAD-2000型液壓伺服試驗機(jī)，試驗采用0.01 mm/min、0.05 mm/min、0.1 mm/min、0.3 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min六級加載速率進(jìn)行加載，為控制試驗效果的離散性，每種速率下進(jìn)行巖樣成功實驗各三塊，對異常試件進(jìn)行補(bǔ)做，試驗過程中采用聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)和DIC監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行同步信號采集，試件表面共布置四個探頭(圖4)，放大器前置放大增益為40 dB，采集固定門檻為30 dB，采樣頻率設(shè)置為1 MHz。DIC監(jiān)測系統(tǒng)主要包括高速相機(jī)、照明系統(tǒng)、同步控制系統(tǒng)。試驗系統(tǒng)如圖5所示。

3 試驗結(jié)果

3.1 抗拉強(qiáng)度

圖5 試驗系統(tǒng)Fig.5 Test system

圖6 加載速率對巖石抗拉強(qiáng)度的影響Fig.6 Effect of loading rate on tensile strength of rock

根據(jù)巖樣的拉伸試驗結(jié)果計算巖樣的抗拉強(qiáng)度，其隨加載速率的變化如圖6所示。由圖6可知，弱膠結(jié)砂巖的抗拉強(qiáng)度與加載速率密切相關(guān)，試樣的抗拉強(qiáng)度的離散型均在正常范圍內(nèi)，以試樣的平均抗拉強(qiáng)度表征巖樣抗拉強(qiáng)度隨加載速率的變化規(guī)律，試樣的抗拉強(qiáng)度隨加載速率也呈正相關(guān)關(guān)系，對弱膠結(jié)砂巖的平均抗拉強(qiáng)度進(jìn)行多項式擬合，確定其R2為0.96，可以看出擬合曲線與平均抗拉強(qiáng)度較吻合。

3.2 聲發(fā)射計數(shù)

通過獲取劈裂試驗過程中不同巖樣的聲發(fā)射計數(shù)，可以研究其內(nèi)部損傷變化規(guī)律。本文對聲發(fā)射計數(shù)進(jìn)行了研究，得到的劈裂試驗中不同加載速率下巖樣應(yīng)力-時間-聲發(fā)射計數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 砂巖應(yīng)力-時間-聲發(fā)射計數(shù)曲線Fig.7 Sandstone stress-time-acoustic emission counting curve

由圖7可知，巖樣在不同加載速率下的應(yīng)力、聲發(fā)射計數(shù)隨時間的變化規(guī)律基本一致，通過對比發(fā)現(xiàn)，圖中應(yīng)力曲線均可劃分為三個階段：①壓密階段，該階段巖樣應(yīng)力-時間曲線斜率逐漸增大，同時該階段巖樣聲發(fā)射計數(shù)較少，這是因為巖樣內(nèi)部存在原生孔隙和微裂隙，在應(yīng)力作用下逐漸被壓密，巖樣內(nèi)部也沒有新裂隙的產(chǎn)生；②彈性階段，該階段巖樣應(yīng)力隨時間變化呈線性增長，巖樣聲發(fā)射信號依舊較少，巖樣內(nèi)部微裂隙穩(wěn)定擴(kuò)展；③破壞階段，該階段巖樣應(yīng)力-時間曲線斜率逐漸減小，曲線開始出現(xiàn)波動，巖樣產(chǎn)生塑性變形，同時聲發(fā)射信號明顯活躍，計數(shù)增加明顯，并且伴隨應(yīng)力達(dá)到峰值，聲發(fā)射計數(shù)突增達(dá)到最大值，說明聲發(fā)射信號的激增點與巖樣的峰值應(yīng)力點一致，大量的聲發(fā)射事件發(fā)生在巖樣破壞的瞬間。

3.3 聲發(fā)射事件分布特征

巖石的破壞實際上是其內(nèi)部裂隙起裂、擴(kuò)展直至貫通的動態(tài)演化過程。巖石的AE事件分布與其內(nèi)部損傷密切相關(guān)，通過AE事件分布可以判斷裂紋的起始位置和傳播趨勢，并根據(jù)位置圖中的損傷位置和演變趨勢直接確定AE事件源的位置。所以為研究巖樣裂隙擴(kuò)展與破壞損傷的關(guān)系，采用聲發(fā)射與攝影相結(jié)合的方法，對巖樣破壞過程進(jìn)行分析。

圖8展示了劈裂過程中應(yīng)力、聲發(fā)射累積計數(shù)隨時間的變化關(guān)系以及AE事件分布和宏觀破裂特征。在巖樣的壓密階段(0.3p0)，巖樣內(nèi)部的聲發(fā)射定位事件非常少而且零星分布于巖樣中，此階段產(chǎn)生的聲發(fā)射事件主要是由巖樣中原有缺陷、微裂紋被壓縮引起的，此時的聲發(fā)射累積計數(shù)曲線斜率很小，曲線近似水平，說明此時計數(shù)緩慢增長，巖石無破壞產(chǎn)生；當(dāng)巖樣被加載到彈性階段(0.6p0)時，處于初始裂紋出現(xiàn)階段，聲發(fā)射事件略有增加，并開始在一部分區(qū)域內(nèi)集中，此時聲發(fā)射累積計數(shù)曲線斜率開始增大，說明此階段隨著應(yīng)力的逐漸增加，聲發(fā)射信號開始活躍；當(dāng)巖樣被加載到破壞階段(0.9p0)時，聲發(fā)射事件數(shù)突增，信號明顯活躍，聲發(fā)射事件在一定區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)明顯的集中，巖樣的主裂隙已經(jīng)出現(xiàn)，此時的聲發(fā)射累積計數(shù)曲線斜率突增，呈現(xiàn)臺階躍增現(xiàn)象，隨著繼續(xù)加載達(dá)到峰值應(yīng)力(p0)時，伴隨主裂隙瞬間貫通，聲發(fā)射累積計數(shù)突增到最大值，巖樣失去承載能力。

圖8 不同加載速率下砂巖AE事件分布Fig.8 AE event distribution of sandstone under different loading rates

3.4 基于DIC的全場應(yīng)變演化

為了分析弱膠結(jié)砂巖在巴西劈裂過程中的劈裂破壞特征和應(yīng)變場演化，利用DIC對加載過程中巴西圓盤表面破裂演化情況進(jìn)行監(jiān)測。DIC是一種根據(jù)試樣表面斑點運(yùn)動來得到對象表面應(yīng)變的非接觸變形測量方法，可用于研究巖石試樣表面變形和裂紋的演化。試驗開始前，在巴西圓盤表面制作散班，試驗過程中利用攝像設(shè)備采集圖像，分析過程通過VIC-2D軟件進(jìn)行，處理得到加載時試樣表面應(yīng)變變化數(shù)據(jù)和破裂過程。 鑒于篇幅，選取0.01 mm/min、0.1 mm/min、1 mm/min試驗結(jié)果進(jìn)行分析。

圖9為不同加載速率下巖樣破壞過程中的全局應(yīng)變場。由圖9可知，隨著荷載逐漸增加，在0.7p0時，試件首先會在頂部或者底部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，荷載繼續(xù)增加，在0.9p0時，兩端應(yīng)變向中間擴(kuò)展，在達(dá)到p0時，形成貫通，加載速率的變化對劈裂過程中的應(yīng)變演化沒有較大影響，不同速率下巖樣應(yīng)變場演化規(guī)律基本相同。

圖9 全場應(yīng)變演化規(guī)律Fig.9 Evolution law of full-field strain(注：圖(a)、圖(b)和圖(c)中，從左到右小圖分別對應(yīng)峰值荷載的70%、90%、100%，對應(yīng)彈性變形中間階段、彈性變形階段末期、破壞時刻)

3.5 巖樣宏觀破壞特征

圖10為劈裂試驗下弱膠結(jié)中砂巖宏觀破壞圖。由圖10可知，試件的破壞主要沿加載方向發(fā)生劈裂破壞，破壞后不同裂紋走向與巖樣中原有弱面和裂隙有關(guān)，加載速率的變化對其破壞模式基本無影響。

圖10 劈裂試驗巖樣宏觀破壞圖Fig.10 Macroscopic failure diagram of tensile test rock samples

4 結(jié) 論

對弱膠結(jié)結(jié)砂巖在0.01 mm/min、0.05 mm/min、0.1 mm/min、0.3 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min六級加載速率下進(jìn)行劈裂試驗，分析了加載速率對弱膠結(jié)砂巖的抗拉強(qiáng)度、聲發(fā)射特征、全場應(yīng)變演化的影響，得出以下結(jié)論。

1) 試樣的抗拉強(qiáng)度隨加載速率的變化呈正相關(guān)關(guān)系，對弱膠結(jié)砂巖的平均抗拉強(qiáng)度進(jìn)行多項式擬合，確定其R2為0.96，擬合曲線與平均抗拉強(qiáng)度較吻合。

2) 巖樣在不同加載速率下的應(yīng)力、聲發(fā)射計數(shù)隨時間的變化規(guī)律基本一致，均可劃分為三個階段：壓密階段、彈性階段、破壞階段，并且聲發(fā)射信號的激增點與巖樣的峰值應(yīng)力點一致，大量的聲發(fā)射事件發(fā)生在巖樣破壞的瞬間。

3) 隨著荷載逐漸增加，試件首先會在頂部或者底部出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，然后向中間擴(kuò)展，在達(dá)峰值應(yīng)力時，形成貫通，加載速率的變化對劈裂過程中的應(yīng)變演化沒有較大影響，不同速率下巖樣應(yīng)變場演化規(guī)律基本相同。