骆柯,白宇鑫,赵森,夏冬,2,3*,吴朝松,贾淯斐
(1.华北理工大学 矿业工程学院,河北 唐山 063210;2.华北理工大学 河北省矿业开发与安全技术重点实验室,河北 唐山 063210;3.华北理工大学 河北省矿区生态恢复产业技术研究院,河北 唐山 063210;4.首钢滦南马城矿业有限责任公司,河北,唐山 063701)
在影响岩体工程安全稳定的诸多因素中,地下水是最活跃的因素之一,若岩体长时间处于饱水状态,将导致其稳定性持续降低[1-2],对于含泥质矿物的岩石而言,这种影响尤为显著[3].声发射信号包含岩石破裂失稳的丰富信息,因此,开展不同浸水时间作用下含泥质矿物岩石破裂失稳过程中的声发射特性研究,对于实际工程中围岩稳定性监测及灾害预警具有重要的理论意义和实际应用价值.
研究发现,水对含泥质矿物岩石强度、变形、纵波波速、声发射特性等物理、力学参数均具有显著影响.砂岩、砂质泥岩、泥岩等含泥质矿物岩石的抗压强度随含水率或饱和度的增加呈现不同程度的降低[4-6],有时降低幅度超过90%[7-8];同样,岩石的抗拉强度[9]、弹性模量[10]、纵波波速[11]、声发射事件累积计数[12]、振铃计数[13]等均随含水率的增加而降低.
对于水文地质条件复杂的岩体工程或涌水量大的矿山,部分受工程影响的岩体可能长期处于饱水状态,而长期饱水对岩石的物理力学参数具有一定的损伤劣化作用[14],这种劣化作用对含黏土等泥质矿物岩石的影响尤为明显,众多学者采用试验研究的方法,分析了浸水时间对含黏土矿物岩石的强度、弹性模量等物理力学参数的影响规律[15-22].上述研究成果对水文地质条件复杂的岩体工程稳定性分析、支护方案设计等具有重要的指导意义.长期饱水除对岩石强度、变形等参数产生重要影响外,对其声发射特征也会产生重要影响[14],而对于长期饱水作用下含泥质矿物岩石破裂失稳过程中声发射特征方面还有待于进行系统而深入的研究,鉴于此,本文以白砺滩煤矿含泥质矿物的砂岩为试验样本,对不同浸水时间的岩样进行单轴压缩条件下的力学试验和声发射试验,探讨浸水时间对声发射计数率、能率、累积计数、累积能量等时域参数的影响规律,重点分析不同浸水时间岩石破裂失稳各受力阶段声发射信号的差异性,以期为水文地质条件复杂的岩体工程稳定性评价提供参考.
1.1 试样制备
将现场取得的含泥质矿物的砂岩按《水利水电工程岩石试验规程》(SL264—2001)的要求加工成φ50 mm×100 mm的符合岩石力学试验要求的标准岩样.选100块无外观缺陷的岩样进行筛选与分组,部分岩样如图1所示.
图1 砂岩试件
1.2 岩石成分与结构分析
对样品进行XRD衍射分析后可知,岩石内主要成分为石英,并含有少量的黏土矿物蒙脱石.图2为XRD衍射图谱.
图2 黄砂岩XRD衍射图谱
为充分了解砂岩的内部结构,采用光学显微镜OLYMPUS BX53对其进行成像分析,如图3所示.通过光学成像结构分析可知,岩样以细砂为主,碎屑颗粒以石英为主,少量岩屑和长石,三者皆具溶蚀特点.石英颗粒多具次生加大,加大边宽度5～25 μm,石英呈次圆状-次棱状,石英长轴120～250 μm,短轴50～130 μm,细砂.岩屑以花岗岩和火山碎屑岩岩屑为主,次圆状,岩屑长轴90～180 μm,短轴50～90 μm,极细砂-细砂.长石主要为钾长石,次圆状,长石长轴70～100 μm,短轴45～60 μm,极细砂.粒间以硅质为主,少许黏土矿物,偶见重矿物.硅质主要为石英次生加大,为一期加大.黏土矿物呈隐晶状,多附着在碎屑颗粒表面.
图3 黄砂岩显微结构
1.3 试验方法
对选取的100个岩样干燥处理后,进行纵波波速测试,剔除波速异常的岩样,将剩余的60个岩样依据波速从小到大依次排列,然后将波速均匀的岩样分布到各组岩样中,如表1所示.根据试验设计需将岩样分为12组,每组5个.其中A组为干燥岩样,B组为饱水岩样,C～L组分别为浸水5,10,15,30,45,60,75,90,105,120 d的岩样.
表1 各组岩样波速
在完成岩样的加工、筛选、分组后,采用真空抽气法对所需岩样进行饱水处理,试验过程中所用水均为纯净水,以减小由不同水质导致水岩相互作用中化学腐蚀对试验结果的影响.实验周期最长为120 d,因此对浸水时间最长的L组进行长期浸水质量监测,计算L组5个试件的平均质量,砂岩进行饱水后质量呈现快速增长,总计增长20.65 g,占总吸水量的70.31%,这是由于砂岩孔隙率较大,水分通过较大裂隙或相互贯通裂隙进入岩石内部,经过长时间浸水处理,导致吸水较多.随浸水时间增加,砂岩质量总体呈现缓慢增长趋势,在最初5 d内质量增速较快,总计增长4.95 g,占总吸水量的16.85%,此时主要是由水分逐渐浸入岩石内部导致,岩石内部微裂隙并未全部相互贯通,水分无法通过微裂隙进入岩石内部,只能通过长时间的缓慢浸入,因此在浸水第5天时含水率出现增长现象，之后增长趋势逐渐变缓,到最终时间120 d时,与初始浸水5 d相比总计增长3.77 g,此阶段总计浸水115 d,占总吸水量的12.84%.在整个试验过程中,随浸水时间的增加,岩样的尺寸没有发生变化.
图4 加载系统、声发射监测系统及处理好的岩样
加载设备采用TAW-3000电液伺服岩石常规三轴试验机、声发射监测系统采用PCI-2型声发射系统.试验开始前需在试件上做4个用于固定声发射传感器的皮筋,具体做法为先用强力胶水将双面胶固定于安放声发射传感器的位置,然后将皮筋粘在双面胶的另一端.试验开始前先将试样加载至2 kN,之后安装声发射传感器,传感器安装完成后,采用加载速率为0.12 mm/min的加载方式进行加载.
在放置声发射探头时需在声发射探头与岩样接触区域涂抹凡士林,使试件与探头更好耦合,以利于声波信号传输.
岩石的应力-应变曲线可反映其损伤演化过程,依据试验结果,绘制干燥、饱水及不同浸水时间砂岩的应力-应变关系曲线,如图5所示.因A-2和D-2岩样在试验过程中，试验设备出现故障，故干燥和浸水10 d的岩样只有4条应力-应变曲线.
图5 不同浸水时间砂岩的应力-应变关系曲线
由图5可见,各组岩样在微裂隙压密阶段曲线的形状没有明显的差别,这是由于岩石在低应力状态下,其内部原始存在的裂隙逐渐愈合,这是岩石的一种固有属性.岩石饱水后,内部蒙脱石等泥质矿物吸水后体积膨胀为原体积的10～30倍[23],对裂隙会产生一定的挤压作用,进而对岩石内部微裂隙的产生具有一定的促进作用.通过对比不同浸水时间砂岩的应力-应变曲线可发现,微裂隙在压密阶段未产生显著变化,表明长期浸水对砂岩的初始微裂隙影响较小.岩样进入弹性变形阶段后,能量在岩样内部持续积聚.对图5a～图5h进行对比分析后发现,随浸水时间的逐渐增加,弹性变形所对应的应变量占比逐渐增大.当应力达到并超过岩石本身承载的极限时,内部会产生新的微裂隙,并逐渐扩大,此时岩石进入塑性变形阶段,在应力-应变曲线上表现为斜率变小.对比分析图5中的曲线可以看出,塑性变形阶段在岩石破裂失稳的3个阶段中变化最为明显,随浸水时间增加,塑性变形阶段逐渐减小.当浸水达到10 d时,岩样经过弹性变形阶段后,内部微裂隙会快速发展并相互贯通,从而导致塑性阶段变短,岩样呈现骤然破坏.
水对砂岩强度的影响较大,干燥状态时其抗压强度为53.52 MPa,饱水后降低为49.51 MPa,岩石的软化系数为0.92;浸水5,10,15 d后,其强度值分别为44.93,43.08,41.20 MPa,这表明,水对岩石强度产生持续的弱化作用且弱化作用较为显著;浸水时间为30,45,60,75,90,105,120 d时,强度分别为42.11,41.82,41.19,41.44,39.21,39.58,39.73 MPa,这表明浸水时间超过30 d后,岩石强度虽总体呈下降趋势,但水岩耦合作用逐渐减小,强度趋于稳定.试验结果中存在浸水时间较长而岩石强度相对较高的情况,如浸水45 d的强度比浸水30 d的强度高0.71 MPa,浸水75 d的强度比浸水60 d的强度高0.25 MPa,这可能是由于岩石内部存在各向异性或人为操作误差等因素导致的,但总体而言,岩石强度随浸水时间的增加而降低.
当岩石内部产生新生微裂隙或旧裂隙扩展时,会产生微弱的声信号,可利用声发射仪器实时记录岩石在加载过程中内部微裂隙的发育情况.计数率、能率等声发射时域信息,可反映岩石裂隙发育和能量释放在时间上的变化特征.可通过声发射计数率反映岩石内部微裂隙发育在时间上的变化情况,通过能率反映声发射过程中能量的大小.本文主要从计数率、能率、累积计数和累积能量这4个参数进行分析,研究不同浸水时间的岩石加载过程中声发射信号随时间的变化规律.
通过分析浸水时间对岩石单轴抗压强度试验结果可知,浸水10 d内,水岩耦合作用对岩石强度产生较为明显的影响,而超过15 d后,这种影响逐渐减小并趋于稳定,但为观测长期浸水对砂岩岩样的影响,保证试验准确性,力学试验和声发射试验每浸水15 d进行一次,试验最长周期为120 d.因试验数据较为庞大,受篇幅限制,在能够体现试验规律的前提下,对试验前期的干燥、初始饱水、浸水5 d和浸水10 d的声发射特征参数进行详细分析,对试验后期规律较为稳定的阶段,试验分析数据选用30,60,90,120 d的声发射参数,对其进行综合分析,并选取各组中具有代表性的岩样进行详细分析,观察长期浸水对岩石声发射参数的时域信息的影响规律,所选代表性岩样可说明不同浸水时间声发射参数随加载过程的变化规律,其声发射累积计数和累计能量可能少于浸水时间更长的岩样.
3.1 干燥岩石声发射信号特征
岩样经烘干处理后,泥质矿物成分未受水的影响,此时岩石强度最高,加载过程中的声发射计数率、能率及累积计数、累积能量如图6所示.
图6 干燥岩样声发射参数变化曲线
由图6可见,干燥岩样在加载过程的阶段A(微裂隙压密阶段)产生少量的声发射信号并释放较少的能量,声发射信号产生的原因是岩石内部原始微裂隙被压密.
岩样加载到阶段B(弹性变形阶段)的后期时,计数率与能率均呈小幅增长,且计数率的增长幅度大于能率.因砂岩具有较大的颗粒结构,因此岩样在发生弹性变形时,内部颗粒结构相互挤压产生微量波动,这是该阶段产生声发射信号的主要原因.
岩样加载到阶段C(塑性变形阶段)时,计数率与能率都呈指数增长.此时是由于岩石受载,导致岩石内局部达到承载上限,产生新生裂隙,并释放积蓄的能量,随加载逐渐进行,内部持续产生新生裂隙,并伴随着旧裂隙扩展,导致岩石声发射信号与能量的释放呈指数增长.
当加载到阶段D(失稳破裂阶段)时,岩样发生宏观破坏.从应力-应变曲线可以看出,干燥岩样在阶段D有一定的时间持续产生大量的声发射信号,该阶段的能量释放也表现为持续大量释放,此时累积计数与累积能量都变为线性增长趋势,增长速度较快.这是由于岩石在轴向载荷下,受载压力超过岩石承受上限,内部微裂隙快速相互贯通,产生大量的声发射信号,并伴随能量大量且快速释放.
3.2 饱水岩石声发射信号特征
对岩样进行含水处理后,水分通过原生微裂隙进入岩石内部,对岩石内泥质矿物成分产生软化、泥化作用,并降低了岩石内部分胶结物之间的相互作用力,导致岩石抗压强度显著下降.通过前述力学试验结果可知,砂岩饱水后,水岩耦合作用并未完成,水对岩样强度及声发射信号特征的影响随浸水时间的延长还将继续.加载过程中饱水岩样声发射计数率、能率、累积计数及累积能量较干燥岩样皆产生了显著变化,变化曲线如图7所示.
图7 初始饱水岩样声发射参数变化曲线
对比分析图7与图6声发射计数率与能率曲线可以发现,初始饱水岩样的声发射特征参数较干燥岩样发生了较大变化.初始饱水后的岩样在阶段A和阶段B未发现明显的声发射信号,是因为水在岩石内部起到了润滑作用,岩石受润滑作用影响使岩石在压密和弹性变形时产生的声波较小,岩石受软化作用影响导致声波信号在砂岩内部传播时衰减较快,通过润滑和软化双重作用的影响,使声发射设备的接受探头在岩石表面监测到的声波信号极少.
与干燥岩样相比,初始饱水岩样塑性阶段的应变量较干燥岩样有所减少,该阶段声发射计数率与能率皆呈上升趋势,累积计数与累积能量表现为指数型增长,表明初始饱水砂岩在塑性变形阶段,其内部裂隙的扩展规律与干燥砂岩具有相似性;当应力达到抗压强度时,岩石内部声发射信号活动剧烈,在阶段D,计数率产生一个较大峰值,而能率则产生多个峰值,累积计数与累积能量皆表现为阶跃式快速增长,与干燥砂岩相比,饱水砂岩的总计数与总能量显著减小,饱水岩样声发射累积计数和累积能量分别为干燥岩样的20.8%和30.9%,表明砂岩浸水对声发射信号产生较大影响.
3.3 浸水5 d岩石声发射信号特征
饱水砂岩经过5 d的浸水后,其含水率趋于稳定,而塑性变形的占比进一步减小,强度进一步降低,声发射计数率与能率较前一阶段也发生了一定的变化,如图8所示.
图8 浸水5 d岩样声发射参数变化曲线
由图8可见,砂岩浸水5 d后,阶段A和阶段B基本无声发射信号产生,与初始饱水状态相比,这两个阶段声发射信号的数量及强度明显降低,这是因为水岩耦合作用降低了声波信号的产生;阶段C的应变量显著减小,计数率与能率开始上升,声发射信号逐渐活跃,这表明岩石内部开始出现新生裂隙,累积计数和累积能量都为指数型增长,但能率上升速率慢于计数率;阶段D岩石内部产生大量声发射信号并伴随能量的急剧释放,计数率与能率曲线中出现一个较大峰值,随后裂隙发育有所减缓,随应力的逐渐增大,计数率与能率表现为间断式峰值,表明岩石在能量积蓄到一定程度后,进行集中释放,累积计数和累积能量曲线在阶段D呈阶梯式快速增长.
3.4 浸水10 d岩石声发射信号特征
随浸水时间的增加,塑性阶段应变量继续减少,在应力-应变曲线上很难将其与弹性变形阶段进行区分,因此在对浸水10 d以后的曲线不再划分加载过程的4个阶段.浸水10 d后其计数率、能率、累积计数和累积能量曲线如图9所示.
图9 浸水10 d岩样声发射参数变化曲线
饱水砂岩持续浸水10 d后,水岩耦合作用导致岩石强度进一步降低,在岩石破裂前,声发射信号极少,仅在试件破裂前较短的应变量中声发射信号较为活跃,计数率和能率都产生小幅度上升.当应力达到试件峰值强度时,计数率和能率都在瞬间出现一个较大峰值,岩石内部微观裂隙快速产生、发育并相互贯通,在岩石试件进入失稳破裂阶段后,声发射计数率和能率归于平静.
3.5 长时间浸水岩石声发射信号变化特征
砂岩经过长时间浸水后,水岩耦合作用逐渐趋于稳定,力学性质弱化逐渐减缓,声发射参数变化特征也逐渐趋于稳定,因此,将浸水30,60,90,120 d这4组饱水岩样的声发射计数率与能率进行综合分析,总结其变化规律，具体见图10.
综合分析浸水30～60 d的试验结果可以发现：砂岩经过长时间浸水后,在加载过程中产生极少的声发射信号,仅在破裂时产生大量声发射信号,在计数率与能率的曲线中仅出现一个较大峰值,在试件失稳破裂后,声波信号又趋于平静,说明岩石长时间浸水可缩短岩石在加载过程中内部微裂隙的发育过程,相对增大岩石的弹性变形能力,导致裂隙发育与能量释放具有集中性,岩石的破裂具有突发性.从计数率和能率曲线图可以看出：岩样在破坏前,都存在裂隙发育阶段,此时声发射信号开始活跃；
随浸水时间的逐渐增加,裂隙发育阶段的应变量呈减小趋势,其中在浸水60 d和120 d的能率曲线中裂隙发育阶段已然消失,但在计数率曲线中还有所体现.
长时间浸水后岩样的声发射累积计数和累积能量在岩样破裂前都有大幅增长.由于声发射的总累积计数与总累积能量数值随浸水时间的延长而减少,导致岩样在破裂前产生的累积计数与累积能量的占比增加.在微裂隙压密阶段与弹性变形阶段产生一定数量的累积计数与累积能量,表明岩石含水后仅造成声发射信号的减少,未能完全消除声波信号,这是由于试件为非均质固体,在压缩过程中内部颗粒必然会产生相互摩擦,从而形成声发射信号;另外含水砂岩在受载过程中,水在岩石内部产生流动,部分水会逐渐被挤压出来,从而产生微小声波震动.
3.6 浸水时间对岩石声发射特征影响综合分析
综合分析图6～图10的声发射参数曲线可以看出:
1)在微裂隙压密阶段和弹性变形阶段,干燥岩样在计数率中具有少量的声发射信号,主要是内部存在微裂隙压密,导致岩石内部颗粒摩擦.而初始饱水岩样与不同浸水时间的岩样基本未产生明显的信号,是由于水在岩石内部产生了润滑作用,减少了岩石内部颗粒间摩擦产生的声发射信号,水在岩石内部还可使泥质矿物成分软化,产生一定的减震作用,导致较小的声发射信号无法传播到试件表面，声发射探头无法接收.
2)在塑性变形阶段,声发射计数率与能率开始逐渐增长,表明岩石内部开始产生新生微裂隙,并使旧裂隙扩展及相互贯通.干燥岩样在失稳破坏前,具有较长时间的裂隙发育期;岩石饱水后,塑性变形阶段的应变量减小,并随浸水时间的逐渐增加,塑性变形阶段的应变量持续减小.在浸水10 d后,塑性变形阶段开始不易划分;当浸水时间达到90 d和120 d时,从能率曲线中可以看出,塑性变形阶段未产生能量释放,表现为在失稳破坏时能量的骤然释放.
3)在岩样失稳破裂时,计数率和能率都出现一个峰值,此时裂隙大量出现并相互贯通,从而形成岩样的宏观破坏.干燥岩样在破裂阶段具有一定的持续时间,计数率与能率会在最大峰值后产生多个较小峰值,表明能量释放时产生的裂隙具有集中性,呈间歇性释放;砂岩饱水后破裂阶段持续时间减小,但计数率与能率的变化特征与干燥岩样相似,出现多个较小峰值,呈间歇性释放;随浸水时间逐渐增加,失稳破裂阶段逐渐消失,在浸水90 d和120 d时,计数率与能率都只产生一个最大峰值.
图10 浸水30,60,90,120 d饱水岩样声发射参数变化曲线
从图6～图10的累积计数和累积能量曲线可以看出,随浸水时间的逐渐增加,声发射累积计数与累积能量均呈降低趋势,将其汇总后绘制如图11所示的柱状图.
图11可直观地反映浸水时间对岩石声发射信号的影响规律,岩样饱水后声发射信号总量降低数值最大,浸水120 d后,声发射累积计数和累积能量分别为干燥岩样的0.24%和0.39%,表明岩石含水后,水对岩石产生了润滑作用,使砂岩岩样内部裂隙在发育扩展时,减少了声发射信号;水在岩石内部使泥质矿物成分软化,导致声发射信号在传播过程中衰减速度加快.通过水对岩石弱化作用的影响,造成声发射信号显著减少,之后随浸水时间的增加,降低趋势逐渐减缓,在浸水10 d后,产生较低的总计数和总能量.岩石本身的差异性和试验过程产生的误差等因素对声发射参数也会产生一定的影响.
图11 总计数与总能量累积数柱状图
声发射累积计数和累积能量随浸水时间增加,总量呈减少趋势,导致浸水10 d以后的岩样,在累积计数和累积能量的微裂隙压密阶段与弹性变形阶段出现显著上升趋势,表明岩石浸水并不能完全消除塑性变形阶段前的声发射信号,只起到削减和衰弱作用,导致含水岩样的计数率和能率曲线在该阶段仅产生少量声发射信号.
1)水对含泥质矿物砂岩的抗压强度具有显著影响.干燥状态时其强度为53.52 MPa,饱水后强度降低为49.51 MPa,软化系数为0.92;浸水5,10,15,30,45,60,75,90,105,120 d时饱水砂岩的强度分别为44.93,43.08,41.2,42.11,41.82,41.19,41.44,39.21,39.58,39.73 MPa;浸水120 d后,软化系数降低到0.74.
2)含水状态与浸水时间对含泥质矿物砂岩声发射信号的产生具有显著影响.初始压密与弹性变形阶段,干燥岩样声发射信号的数量与强度均高于饱水及不同浸水时间的岩样,且随浸水时间的增加,声发射信号数量与强度均呈降低趋势;岩样在破裂前存在微裂隙快速发育阶段,声发射信号开始活跃并迅速增长,随浸水时间的增加,信号活跃增长期的应变量逐渐减少,浸水90 d后,岩样破裂前能率增长期基本消失,表现为失稳破坏时的骤然释放.
3)长时间浸水除导致含泥质矿物砂岩在加载过程中裂隙发育和能量释放具有集中性外,还对声发射信号的累积计数和能量产生重要影响.饱水岩样声发射累积计数和累积能量分别为干燥岩样的20.8%和30.9%;随浸水时间的增加,岩石在破裂过程中的声发射信号会持续减少,浸水120 d后,声发射累积计数和累积能量分别为干燥岩样的0.24%和0.39%.
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