红庆河煤矿弱胶结砂岩单轴加载条件下声发射特征研究

纪洪广 陈 波 孙利辉 宋朝阳 郭玉超 贾怀晓

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；3.内蒙古伊泰广联煤化有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

红庆河煤矿弱胶结砂岩单轴加载条件下声发射特征研究

纪洪广1,2陈 波1,2孙利辉1,2宋朝阳1,2郭玉超1,2贾怀晓3

(1.北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083；2.金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室，北京 100083；3.内蒙古伊泰广联煤化有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017000)

对红庆河煤矿弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究，根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了全过程应力-应变、应力-时间-累计计数率、应力-时间-绝对能量率以及峰值前、后的应力-应变-累计计数率、应力-时间-绝对能量率曲线。据所得应力-应变曲线将该类砂岩破坏分为2种形式：一种为传统4阶段岩石破坏形式，另一种为5阶段破坏形式。5阶段破坏模式在应变软化阶段后出现了应力不变,应变继续增大的胶结延性阶段。对比2种破坏模式的声发射特征，峰值后的声发射现象较峰值前的均有量级的变化,抗压强度相近时，弹性模量小的试样产生更多的声发射现象，但产生的绝对能量属于同一量级。累计计数率能够作为判断试样是否发生完全破坏的参数。

弱胶结砂岩 单轴加载 声发射 破坏模式 胶结延性阶段

1 研究现状

随着国家战略资源往西部地区的转移,由该地区特有的沉积环境而形成的具有特殊岩性(常具有典型的弱胶结、易风化、塑性变形大、各向异性强、强度低等力学特性)的岩石也将逐步成为科研工作者研究的重点[1]。对于砂岩的研究,国内外学者做了大量的工作,主要分为以下几类：

(1)水对砂岩的影响。文献[2-5]研究了不同加载条件下砂岩在干湿循环加载过程中的强度特征，指出在干湿循环的过程中，砂岩的强度均有不同程度的降低。文献[6]研究了三轴加载条件下饱水度对砂岩力学特性的影响，指出砂岩模量随围压增加而增加，且二者近似成直线关系，砂岩模量与强度随饱水度增加而降低。

(3)温度对砂岩的影响。文献 [9]研究了负温条件 下红砂岩强度特性及变形规律，指出在冻结条件下红砂岩轴向抗压强度与围压、弹性模量与围压均呈线性关系，岩石破坏形式与围压大小相关。文献[10]研究了高温后节理砂岩强度及变形破坏特性，节理砂岩的峰值和弹性模量在400 ℃内先降低后升高，超过400 ℃后降低，节理砂岩经历高温后，岩石的破坏模式由脆性破坏向延性破坏转变。

材料受外力或内力作用产生变形或断裂,以弹性波形式释放出应力-应变的现象称为声发射[11]。岩石作为一种材料,对于其在加载破坏过程中的检测一直是个研究重点,而声发射作为一种无损检测被广泛应用于广大科研工作者的实践中。纪洪广、王宏伟等[12]研究了花岗岩在单轴受压条件下的声发射信号,分析了不同阶段的声发射信号频率特性,发现声发射信号优势频率主要集中在岩石破裂前塑形破坏和主破裂阶段。汪泓、杨天鸿等[13]研究了以陕西小纪汗煤矿砂岩为例的弱胶结砂岩在单轴压缩下的声发射特征及破坏形式,将该煤矿砂岩的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种。试件破坏形式可分为X型共轭破坏和单斜面剪切破坏2种。前者对应崩裂型曲线,试件强度较大;后者对应破裂型曲线,试件强度较小。李术才、许新骥等[14]研究了砂岩在单轴压缩条件下破坏全过程电阻率与声发射响应特征及损伤演化,发现电阻率和声发射的响应信息有很强的规律性和互补性,同时推导出基于电阻率表征的岩样损伤变量的解析表达，并提出岩样损伤破坏状态的判别标准和破坏前兆特征。

由此可见声发射应用于岩石破坏过程中的检测已有很强的实用性和更宽广的应用空间。

2 试 验

2.1 试验装置

本试验采用的是长春市朝阳仪器有限GAW-2000型微机控制电液伺服刚性试验机；采用西德300 kN压力传感器和日本进口7V07程序控制记录仪进行数据记录；采用沈阳计算机技术研究所生产的AE21C声发射检测仪。GAW-2000型微机控制电液伺服刚性试验机可以通过控制位移和荷载2种加载方式对试样进行加载,本试验采用的加载方式为控制位移的加载方式,加载速率为6 mm/min。本试验声发射采用了单通道采集的方式,采用15γ探头,设置门槛值为30 dB。

2.2 试件采样与制备

本试验采用试样为内蒙古鄂尔多斯东胜煤田乃马岱井田红庆河煤矿-390 m处砂岩试样。根据相关钻孔资料和地质报告，该处砂岩的地层年代属于白垩系下统志丹群伊金霍洛组。岩性为深紫色、灰紫色,成分以石英、长石为主，暗色岩屑,夹薄层细砂岩，泥质胶结。

按照国际岩石力学试验建议的IRTM方法将试件打磨成φ50 mm×100 mm的标准试件。同时采用凡士林作为声发射探头与岩石试件的耦合剂,以减少人为和外界对加载过程中声发射采集的影响，使试件和传感器之间构建一个良好的声波传播路径。

曾经的我为自己是一名光荣的人民教师而骄傲自豪，曾经的我站在讲台上是那样从容与自信，曾经的我怀着一颗炽热的心去对待每一名学生，曾经的我对教书怀有一种激情、一种热爱、一份耐心，曾经的我相信自己能成为学生喜爱的好老师。

3 试验结果与分析

3.1 强度特征结果分析

本试验采用3组10块砂岩试件进行了单轴加载条件下的声发射试验。对采集到的力学参数、声发射信号参数进行了分析。主要的力学参数见表1。

表1 主要力学参数

根据试验数据做出各个试样的全过程应力-应变曲线如图1和图2，发现在试验的全过程中该类砂岩的强度与其他砂岩单轴抗压强度相比普遍偏低[9-10,15-17],天然状态下的单轴抗压强度最大值为15.40 MPa,最小值为8.36 MPa,均值为12.84 MPa。根据规范[18]中软岩的定义,该类岩石属于软岩。

图1 以s3为代表的应力-应变曲线

图2 以s4为代表的应力-应变曲线

根据全过程的应力应变曲线将该类砂岩的破坏模式分为2种：一种是以s3、s2、s5、s6、s7为代表的5阶段破坏模式如图3；一种是以s4、s1、s9、s10、s11为代表的4阶段破坏模式如图4。由图3，5阶段的破坏模式分成孔隙压密阶段(OA段)、弹性变形—微破裂稳定发展阶段(ABC段)、非稳定破裂发展阶段(CD段)、应变软化阶段(DE段)、胶结延性阶段(EF段)。由图4，4阶段的破坏模式分为孔隙压密阶段(OA段)、弹性变形—微破裂稳定发展阶段(ABC段)、非稳定破裂发展阶段(CD段)、应变软化阶段(DE段)[19]。为此本研究单独选出试样s3、s4的声发射数据加以分析。

图3 5阶段破坏模式全过程应力-应变图

3.2 声发射分析3.2.1 5阶段破坏模式的声发射特征分析

根据试验采集数据分别做出s3试样的应力-时间-累计计数率曲线图、应力-时间-绝对能量率曲线、峰值前后的应力-时间-累计计数率曲线、峰值前

图4 4阶段破坏模式全过程应力-应变图

后的应力-时间-绝对能量率曲线如图5～图10所示。发现在加载初期，由于试件内部颗粒之间存在着孔隙和胶结力，且试件的强度值较低，颗粒之间的孔隙开始减小，颗粒之间的原始状态开始被打破，在这“打破”的过程中，产生了较多的声发射现象，累计计数率出现了一个4.04×104的突变值(图7)。随着颗粒孔隙的压实，颗粒之间开始共同承载，在到达峰值前的加载过程中产生较为稳定的累计计数率，数量级在102～103内。在峰值后的应变软化阶段，当应力由峰值降到A点，累计计数率开始呈现上升趋势,即对应A′点(如图8)，在到达胶结延性阶段前达到最大值9.41×103，在此阶段内，试样虽然已经达到了最大抗压强度值，但随着加载的继续，试样并不立即破坏，其内部仍存在颗粒之间的胶结力、摩擦力和分子力。应变继续增加，应力减小，试样内部之间的损伤更多，反映在声发射参数特征上为产生更多的累计计数率。在图8中AB阶段，岩石试样本应在应变软化阶段后破坏,而在此阶段由于该砂岩属于易风化、易水解、弱胶结、强度低的弱胶结砂岩,故呈现出应变继续增长而应力不变的现象,而且该阶段内的累计计数率较大且均匀分布，数量级为103～104。临近破坏点B点时,累计计数率有个1.34×105的突变值，与其前后的值不属于同一量级。该类岩石在峰值后继续加载时，应力快速下降到一定程度后由于颗粒之间的摩擦,以及该类砂岩颗粒组成成分所存在的特殊性,又形成了颗粒之间短暂的弱胶结状态,应变继续增加，应力不变,一直伴随着较多的声发射事件数(量级为104～105)。随着荷载的增加,在达到破坏这种短暂弱胶结状态的极限之前,累计计数率有缓慢上升的趋势，在达到破坏点B时，发生值的突变。试件破坏后，声发射的累计计数率开始急剧减少。可以将累计计数率作为判断试样破坏的前兆参数。从绝对能量率上看，试样在初始加载时，与累计计数率同步产生一个突变值，且突变值较峰值前的其他突变值较大，数值为1.31×106(图9)。由孔隙压密阶段到弹性变形—微破裂稳定发展阶段和由非稳定破裂发展阶段到应变软化阶段过程中，绝对能量率均有突变，突变值的量级为105，绝大部分数值的量级为101～103。对于峰值后的胶结延性段，绝对能量率的量级集中在103～105，试件破坏时无征兆地产生了值为7.42×107的突变(图10)。在绝对能量率上，试样总体表现平稳，破坏时产生突变，在此不能作为一个预判试件破坏的前兆参数。

图5 s3应力-时间-累计计数率图

图6 s3应力-时间-绝对能量率图

图7 s3峰值前应力-时间-累计计数率图

图8 s3峰值后应力-时间-累计计数率图

图9 s3峰值前应力-时间-绝对能量率图

图10 s3峰值前应力-时间-绝对能量率图

3.2.2 4阶段破坏模式的声发射分析

根据试验采集数据分别做出s4试样的应力-时间-累计计数率曲线图、应力-时间-绝对能量率曲线、峰值后的应力-时间-累计计数率曲线、峰值后的应力-时间-绝对能量图，如图11～图14。

图11 s4应力-时间-累计计数率图

图12 s4应力-时间-绝对能量率图

图13 s4峰值后应力-时间-累计计数率

图14 s4峰值后应力-时间-绝对能量率图

以s4为代表的试样具有典型的岩石力学破坏特征。加载初期，由于试件强度较低，在较小的压力下就会产生很强的声发射现象，产生了3.87×103的突变值(图11)，随着孔隙压密，颗粒间开始共同承载后，累计计数率在峰值前的曲线近似为一条直线，数量级为101～102。在峰值阶段和峰后的应变软化阶段内,随着加载的继续，试样内部产生较多损伤，声发射现象较峰前有量级的增强，累计计数率近似为缓慢增长的曲线，数量级为102～103。试样完全破坏前，累计计数率有个短暂的快速增长期，破坏时产生了突变值6.49×104(图13)，可以作为试样完全破坏的前兆参数。绝对能量率在加载初期，与累计计数率同步产生了量级的突变，突变值为1.83×104(图12)，在全程曲线上基本成一条直线(除试样破坏点的急剧突变阶段)，绝对能量率在峰值前的数量级为101～103，峰值后的数量级为103～105，完全破坏时，试样产生突变值9.67×107(图14)。较之前期的数值，破坏时产生的能率突变的量级远大于其他值，且在峰值阶段和应变软化阶段，能量计数率在突变之前没有明显的征兆，在此不能用作试样完全破坏的前兆。

3.2.3 4阶段与5阶段声发射特征对比

4阶段和5阶段破坏模式中声发射的累计计数率在峰后的数量级和突变值在量级上为峰值前的10倍，绝对能量率在峰后的数量级为峰值后的100倍。说明在峰后阶段，试件在发生损伤的基础上，承受较大荷载时较峰前产生更多的声发射现象。其中5阶段的破坏模式中累计计数率和突变值的量级为4阶段破坏模式的10倍，绝对能量率的量级二者一样。在所选的2种模式的代表中，s3的弹性模量较s4的弹性模量要低，但强度二者相差不大(表1)，说明强度相近时，在试样的压缩破坏过程中所产生的绝对能量二者差别不大，破坏时的突变值也属于同一量级；弹性模量较低者在受力时产生更多的撞击数，且5阶段中胶结延性段的累计计数率能够更好地预测试样是否快要破坏。

4 结 论

(1)红庆河煤矿弱胶结砂岩在单轴加载试验中，根据全程应力-应变曲线分成了传统的5阶段破坏模式和4阶段破坏模式。5阶段破坏模式下的胶结延性阶段累计计数率曲线较4阶段软化阶段能更好地预测试样是否快要破坏。

(2)由于该类岩石的强度低、弱胶结的特点,在单轴加载条件下,形成了不同于传统砂岩的破坏形式。在峰值应力过后，应力降低到一定程度时仍然具有一定承载力并且能够承载一段时间,而不是立即破坏。峰后的累计计数率和绝对能量率较之峰前的均有量级的变化。强度相近的岩石其绝对能量也相近，弹性模量较低者，更容易产生声发射现象。

(3)运用声发射累计计数率可以判断该类砂岩是否快要达到极限强度,在即将破坏之时,声发射检测到的事件数急聚增多而在某一时刻发生突变,试样破坏。

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(责任编辑 石海林)

Research on the Acoustic Emission of Weakly Consolidated Sandstoneunder Uniaxial Compression in Hongqinghe Coal Mine

Ji Hongguang1,2Chen Bo1,2Sun Lihui1,2Song Zhaoyang1,2Guo Yuchao1,2Jia Huaixiao3

(1.SchoolofCivilandEnvironmentalengineering，UniversityofScienceandTechnologyBeijing，Beijing100083,China;2.StateKeyLaboratoryforHigh-efficientMiningandSafetyofMetalMinesofMinistryofEducation，Beijing100083，China;3.InnerMongoliaGuanglianYitaiCoalLimitedLiabilityCompany，Erdos017000，China)

By means of investigation on acoustic characteristics during the failure process of weakly consolidated sandstone under uniaxial compression in Hongqinghe coal mine，and according to the mechanical parameters and acoustic emission signal collected from the tests，the curves of stress-strain，stress-time-cumulative count rate，stress-time-absolute energy rate，and the stress-strain-the cumulative count rate，stress-time-absolute energy rate before and after the peak value are drawn.According to the stress-strain curves，the rock failure is divided into two types：one is the traditional four stages of rock failure mode；the other is the five stages of failure modes.The ductility stage with stable stress and increasing strain appears at five-stage failure mode after the strain softens.Compared with the acoustic emission characteristics between the two failure modes，the acoustic emission changes a lot after the peak.Under the same compressive strength，samples with less elastic modulus produce more acoustic emission phenomena，but its absolute energy produced are the same.Cumulative count rate can be used to judge whether the samples are completely destructed.

Weakly consolidated sandstone，Uniaxial loading，Acoustic emission，Destruction form，Cementation ductile phase

2015-06-04

纪洪广(1963—),男，教授，博士,博士研究生导师。

TD315

A

1001-1250(2015)-10-056-06