田小朋 高萍 張伯虎

1. 甘肅省建筑科學(xué)研究院（集團）有限公司 甘肅 蘭州 730070

2. 西南石油大學(xué) 四川 成都 610500

頁巖是一種層理性及其明顯的巖石，由于構(gòu)成頁巖的礦物顆粒形狀大小不同，且散亂分布和組合，使得頁巖體的力學(xué)特性和破壞機制產(chǎn)生了十分明顯的各向異性特征[1-2]。在常用的頁巖水力壓裂過程中，層理面總是早于巖體發(fā)生破裂，從而導(dǎo)致水力裂縫在逐漸延伸時沿著軟弱面開裂，使得裂縫縫網(wǎng)難以產(chǎn)生，從而導(dǎo)致水力壓裂的效率下降[3]。巖石破裂過程中產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象是因為外荷載加載至巖石試樣上以后，其內(nèi)部積聚的能量以彈性波形式釋放引起的[4]。而頁巖所產(chǎn)生的聲發(fā)射現(xiàn)象，本質(zhì)上就是頁巖在受到荷載作用而發(fā)生破壞時，自身內(nèi)部從開始萌發(fā)微裂隙并逐漸擴展，直到最后發(fā)生貫通的這整個過程中伴隨著一些聲發(fā)射信號出現(xiàn)[5]。進行不同層理角度頁巖變形破壞及聲發(fā)射特征研究，對于分析水力壓裂過程中遇到的井壁穩(wěn)定性以及水力裂縫擴展規(guī)律有著非常深刻的現(xiàn)實意義。

張茹等[6]對花崗巖受荷破壞的全過程進行了聲發(fā)射信號的采集監(jiān)測，最終分析得到其花崗巖應(yīng)力-應(yīng)變、聲發(fā)射相關(guān)參數(shù)與應(yīng)力和時間之間的關(guān)系。張朝鵬等[7]分析研究了煤巖自身存在的層理對于其聲發(fā)射時序參數(shù)、能量的釋放規(guī)律、以及空間演化特征和聲發(fā)射振幅分布的作用和影響。索彧等[8]研究了頁巖從受荷到發(fā)生破壞的整個過程中的力學(xué)性質(zhì)和聲發(fā)射特征。王林均等[9]使用累積聲發(fā)射計數(shù)、累積聲發(fā)射能量、AF值、RA值、b值等聲發(fā)射參數(shù)分析了其力學(xué)性質(zhì)和聲發(fā)射特征。

基于聲發(fā)射技術(shù)開展的巖石破壞過程的研究工作形式多樣，研究所采用的聲發(fā)射參數(shù)也有所區(qū)別，本文不再一一引用和贅述。單軸壓縮下巖石的破壞過程是研究復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖石力學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，且本文所研究的頁巖具有很強的各向異性特征，因此對于利用聲發(fā)射技術(shù)并且考慮頁巖各向異性特征所開展的單軸壓縮變形破壞研究，是非常必要的。

1 試驗概況

1.1 試樣采集與制備

試驗中所采用的頁巖取自于川南地區(qū)的頁巖露頭，取層理角度為0°、4 5°和9 0°的頁巖試樣，樣品規(guī)格按照國標要求加工成Φ50mm×100mm的圓柱試樣，其中，層理角度表達的是頁巖層理面法線與圓柱試樣軸線的夾角。層理面與水平面平行的試樣層理角度定義為0°，層理面與水平面垂直的試樣層理角度為90°。

1.2 試驗設(shè)備及方法

試驗設(shè)備主要是力學(xué)加載系統(tǒng)和聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。力學(xué)加載系統(tǒng)采用的設(shè)備為液壓式萬能試驗機；聲發(fā)射數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用設(shè)備為德國全數(shù)字化聲發(fā)射儀，試驗聲發(fā)射檢測設(shè)置的采集頻率為1～400kHz，門檻值為40 dB，前置增益采用40 dB。

2 頁巖變形破壞特征

2.1 強度變化分析

從圖1可以看出當不同層理角度頁巖各個試件進行單軸壓縮時，其各層理角度的平均抗壓強度在層理角度為0°時最大，45°時最小，這是頁巖各向異性特征的一種表現(xiàn)。

圖1 不同層理角度頁巖單軸抗壓強度

2.2 破壞形式分析

圖2為不同層理角度頁巖單軸壓縮試驗破壞后的照片。

圖2 不同層理角度頁巖單軸壓縮破壞形式

（1）0°頁巖，由于試樣在荷載作用下軸向變形受到抑制，試樣會沿著徑向方向擴張，最終在試樣內(nèi)部形成了貫穿層理面的張拉破壞，而這種破壞又使得試樣沿著層理、節(jié)理或者裂隙等軟弱結(jié)構(gòu)面開裂成平行的幾部分，且局部有少量的剪切裂縫。

（2）45°頁巖，形成了多個貫穿層理的剪切破裂面和較少的張拉破裂面，而發(fā)生這種情況的原因是由于基質(zhì)體中裂紋擴展和層理弱面共同的作用，它們一起主導(dǎo)了試樣的剪切滑移破裂。

（3）90°頁巖試樣，拉張力使層理面張開發(fā)生張拉劈裂破壞，層理弱面是其破裂的主導(dǎo)因素。破壞時試樣產(chǎn)生了多個貫穿頂部及底部，且和試樣層理面平行的張拉破裂面。這主要是由于頁巖試樣在受到軸向荷載時，其試樣軸向被壓縮，而與軸向垂直的方向卻產(chǎn)生張拉應(yīng)力，又由于層理面本身的膠結(jié)程度較弱，所以便形成多個平行于層理面及受壓方向的張拉破壞面。

3 頁巖聲發(fā)射特征分析

3.1 軸向應(yīng)力與聲發(fā)射振鈴計數(shù)的關(guān)系

圖3為不同層理角度頁巖在單軸壓縮試驗下其軸向應(yīng)力與聲發(fā)射振鈴計數(shù)的試驗曲線。

圖3 不同層理角度頁巖軸向應(yīng)力與聲發(fā)射振鈴計數(shù)關(guān)系

（1）在試驗初始加載階段，頁巖試樣中的微裂隙或者節(jié)理等被壓實，在這個階段各個層理角度頁巖試樣都只出現(xiàn)了很少量的聲發(fā)射事件，振鈴計數(shù)也都非常低。

（2）當加載繼續(xù)增加，頁巖試樣里面的微裂隙和節(jié)理等基本上已經(jīng)沒有空隙，因此聲發(fā)射信號相對較少。但是，從圖中可以看出試樣在此時會出現(xiàn)應(yīng)力突然跌落的現(xiàn)象，這可能是因為試樣應(yīng)力集中發(fā)生局部破壞所引起的。并且，每一次應(yīng)力跌落都會伴隨有較大的聲發(fā)射振鈴計數(shù)產(chǎn)生，這表明試樣每一次較大的破壞都表現(xiàn)為聲發(fā)射活動的增強，振鈴計數(shù)的增加。這對于正確判斷巖體逐漸破壞時的程度及范圍有借鑒意義。

（3）隨著軸向載荷的不斷加大，在這個過程中各個試件原微裂隙逐漸被壓實，但試樣里面新的微裂紋逐漸發(fā)生變化、擴展，聲發(fā)射活動又慢慢增強。當所加載的荷載趨近于頁巖試樣峰值強度值時，振鈴計數(shù)顯著增高，此時頁巖內(nèi)部的微裂隙擴展最終達到匯合貫通，從而構(gòu)成了宏觀斷裂面，最終使得試樣破壞時聲發(fā)射活動劇烈，從應(yīng)力—時間關(guān)系上顯示為應(yīng)力的突然下降，同一時刻，聲發(fā)射振鈴計數(shù)上升到最大。

（4）在峰后階段，因為頁巖試樣本質(zhì)上沒有新的裂紋出現(xiàn)，所以聲發(fā)射活動較低。

3.2 軸向應(yīng)力與聲發(fā)射累計能量的關(guān)系

在聲發(fā)射的累計能量曲線上可以更好地查看裂紋的擴展過程。從圖4可看出，不同層理角度的頁巖試樣在初始階段基本無明顯的能量陡增點，說明在此階段，頁巖試樣中的微裂隙或者節(jié)理等被壓實，只出現(xiàn)了很少量的聲發(fā)射事件，能量也都非常低。而在彈性階段到破壞階段都有明顯的能量陡增點，說明試樣內(nèi)部新的微裂紋又開始萌生、擴展，或者繼續(xù)發(fā)生局部破壞，聲發(fā)射活動逐漸增強。而最后階段宏觀裂紋貫通時，內(nèi)部破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射能量在很大程度上高于中前期產(chǎn)生的聲發(fā)射能量。

圖4 不同層理角度頁巖軸向應(yīng)力與聲發(fā)射累計能量關(guān)系

3.3 聲發(fā)射RA 值及AF 值分布與破壞機制

研究發(fā)現(xiàn)當運用聲發(fā)射特征參數(shù)分析材料破裂時，通常考慮張拉和剪切破裂，而2種破裂方式可由聲發(fā)射參數(shù)中RA值和AF值來反映。RA值是上升時間和幅值的比值，AF值為振鈴計數(shù)和持續(xù)時間的比值，即為平均頻率。通常情況下，高AF值、低RA值代表張拉裂紋的萌生與發(fā)育，而低AF值、高RA值代表剪切裂紋的萌生與發(fā)育。兩者分布與裂縫類型之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 聲發(fā)射AF值、RA值分布及裂縫類型

通過統(tǒng)計分析不同層理角度頁巖AF和RA值情況，可以得出以下結(jié)論：

（1）0°頁巖破壞過程RA-AF散點在張拉區(qū)域分布較多、較密集，占比為69.68%，在剪切區(qū)域分布較少、較稀疏，占比為30.32%，說明0°頁巖單軸壓縮破壞為張剪復(fù)合破裂，但張拉破壞為主要破壞形式，剪切破壞為次要破壞形態(tài)；

（2）45°頁巖破壞過程RA-AF散點在張拉區(qū)域分布較少、較稀疏，占比為33.94%，在剪切區(qū)域分布較多、較緊密，占比為66.06%，說明45°頁巖單軸壓縮破壞為張剪復(fù)合破裂，但剪切破壞為主要破壞形式，張拉破壞為次要破壞形式；

（3）90°頁巖破壞過程RA-AF散點基本全都分布在張拉區(qū)域，占比為92.23%，在剪切區(qū)域分布很少、很稀疏，占比僅為7.77%，說明90°頁巖單軸壓縮破壞基本為張拉破壞，剪切破壞只是在頁巖試樣局部的小破壞形態(tài)。

上述情況與圖2中各層理角度頁巖單軸壓縮宏觀破壞形態(tài)基本一致，這也說明聲發(fā)射參數(shù)中的RA、AF值分布可作為研究頁巖破裂機制的依據(jù)。

4 結(jié)論

結(jié)合聲發(fā)射技術(shù)對不同層理角度頁巖在單軸壓縮試驗下的變形破壞過程進行分析研究，得出以下結(jié)論：

（1）平均抗壓強度在層理角度為0°時最大，45°時最小，表明了頁巖各向異性的特征。

（2）不同層理角度頁巖破壞形式主要是張拉劈裂破壞和剪切滑移破壞，層理角度越大對破壞形式影響越大，破壞面沿層理面發(fā)育越明顯。

（3）單軸壓縮試驗下，不同層理角度頁巖的軸向應(yīng)力值和破壞的各個階段與聲發(fā)射振鈴計數(shù)和累計能量之間存在良好的相關(guān)性。

（4）通過聲發(fā)射參數(shù)中的RA、AF值所判斷的各層理角度頁巖單軸壓縮的破壞形式和試樣宏觀破壞形態(tài)基本一致。