岩石三轴流变扰动效应损伤演化特征试验研究

王 波，陆长亮，黄子康，胡仕宇

( 华北科技学院 安全工程学院，河北 三河 101601 )

由于浅部煤炭资源逐渐枯竭，导致许多矿井进入深部开挖，深部开挖致使围岩应力逐渐增大，岩石进入高应力状态，当巷道附近范围内的围岩接近岩石“强度极限邻域”[1-2]时，岩石极易受外界扰动发生失稳破坏。针对这一工程现象，范庆忠[3]等提出了“岩石流变扰动效应”理论，并开展了相关理论及试验研究，而研究的关键在于判断岩石是否进入了“强度极限邻域”。因此，从微观损伤角度建立不同围压下岩石是否进入“强度极限邻域”的判别标准，对于“岩石流变扰动效应”研究具有重要的理论价值。

诸多学者进行了岩石流变和微观损伤演化研究，高延法[4]等利用自主研发的流变扰动试验仪器，对岩石进行流变扰动试验，得出不同阶段扰动具有不同效应，并建立了流变本构方程；徐卫亚[5]等通过三轴压缩流变试验，研究了处于饱和的大理岩、绿片岩纵向与横向变形之间的规律；秦跃平[6]等分析岩石不同阶段的特性曲线及流变特性，得出了在特定条件下的损伤演化方程；于永江[7]等运用自主研发的流变试验仪器，对不同含水率的软岩进行流变扰动试验，表明扰动能量造成岩石破坏速率与岩石的含水率有关，运用精确的算法得出了本构模型参数；崔希海[8]等通过单轴流变试验，进一步确定了红砂岩的长期强度变化范围，得出纵向变形应力相比横向变形应力更强；王波[9-11]等采用红砂岩在自主研制的岩石流变扰动试验仪器进行单、三轴流变扰动逐级加载试验，分析岩石在单轴压缩蠕变中，处于扰动敏感邻域内外扰动效应规律，绘制扰动变形曲线，建立本构模型与岩石在不同围压下冲击扰动在不同区域造成的破坏；万玲[12]等分析岩石结构机理，引入各向异性微观损伤张量，建立了流变损伤本构方程；王伟[13]等采用室内试验，以Burgers模型等为基础建立了流变3阶段的本构模型，进行了参数识别验证模型的合理性；胡振襄[14]等以红砂岩为岩样利用核磁共振技术分析红砂岩在常规三轴卸荷下不同围压岩石内部损伤演化特性；张磊[15]等运用核磁共振技术分析了鄂尔多斯盆地页岩的T2谱曲线与孔隙度分布范围，得出页岩内部的微观结构变化。上述对岩石单、三轴压缩流变试验和岩石常规三轴卸荷试验微观损伤变化都有深入的研究，但对三轴流变微观损伤试验研究较少，尤其缺乏通过微观损伤变化判断岩石是否进入“强度极限邻域”范围。

针对以上不足，以红砂岩为研究对象，以逐级加载方式进行不同围压下的常规三轴压缩流变试验，运用核磁共振技术对不同围压、轴压下的岩石试件进行测量，得出岩石微观下的T2谱曲线、孔隙结构变化特征以及核磁共振成像图谱，并进行分析与对比，从微观损伤角度建立不同围压下岩石是否进入“强度极限邻域”的判别标准。

1 核磁共振与流变扰动试验设备

1.1 岩石流变扰动三轴试验系统与三轴围压系统

如图1所示，RRTS-IV型岩石流变扰动效应试验机采用杠杆原理，杠杆扩力比达100倍，额定载荷为50 kN，采用逐级加载方式。三轴压力室采用RLSS-2煤岩流变扰动效应三轴渗流试验装置( 图2 )，正负误差0.1 MPa。

图1 流变扰动试验系统 Fig. 1 Flow disturbance experiment system

图2 RLSS-2煤岩流变扰动效应三轴渗流试验装置 Fig. 2 RLSS-2 triaxial seepage test device for rheological disturbance effect of coal and rock

1.2 核磁共振试验系统

通过核磁共振CPMG序列采集岩芯的回波串，标准样定标，测量岩芯的孔隙度、T2截止值、可动流体饱和度、束缚流体饱和度、渗透率等参数。核磁共振系统如图3所示。

图3 核磁共振系统 Fig. 3 NMR system

2 试验原理与试验方案

2.1 岩石试件

试验选取的红砂岩均来自同一块岩石；依据岩石试验操作规程[16]，将岩石加工成高50 mm、直径25 mm的试件，为剔除岩石试件离散型对试验造成的影响，对已加工好的试件进行核磁共振分析和核磁共振成像测量，选出初始孔隙度相似、孔径分布相同的岩样试件。试验前选取2块试件在围压为0.5，1.0，3.0 MPa时进行三轴压缩试验；三轴压缩试验采用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴试验，测得三轴压缩数据为三轴流变扰动逐级加载试验提供依据，测得试验数据见表1。由表1可知，围压与岩石的强度、应变极限成正相关，围压改变了岩石的力学特性。

表1 岩石三轴压缩试验数据 Table 1 Data of rock triaxial compression test

2.2 岩石三轴流变试验数据分析

选取3个试件分别在围压为0.5，1.5，3.0 MPa时进行流变试验，3个试件分别标记为L-1，L-2与L-3，依据三轴压缩试验轴压逐级加载。由三轴压缩试验数据可知，L-1试件逐级加载轴压值为22，37，42，53，58 MPa；L-2试件逐级加载轴压值为15，32，37，54，64，70 MPa；L-3试件逐级加载轴压值为15，30，35，53，65，72，77 MPa。施加下一级轴压时立即读取瞬时应变变化值，各级轴压下试件应变变化值每隔10 min记录1次，每级流变时长依据应变梯度来决定，表2为岩石分级加载下的初始、末应变。不同围压和逐级加载下的岩石流变曲线如图4～6所示。

图4 围压0.5 MPa流变曲线 Fig. 4 Rheological curves of confining pressure of 0.5 MPa

图5 围压1.5 MPa流变曲线 Fig. 5 Rheological curves of confining pressure of 1.5 MPa

图6 围压3.0 MPa流变曲线 Fig. 6 Rheological curves of confining pressure of 3.0 MPa

表2 岩石分级加载下的初始、末应变变量 Table 2 Initial and final strain variables of rock under graded loading

由图4可知，岩石试件在轴压为22，37，42 MPa时流变变化速率相对平稳且基本保持不变，而在53，58 MPa时流变曲线变化较为明显，由王波[9]等通过分析不同轴压下岩石流变曲线变化来确定岩石的长期强度范围，确定在围压0.5 MPa时岩石长期强度变化范围为55.5 MPa( 轴压53 MPa与58 MPa之和的平均值 )，因此，在轴压为22，37，42 MPa时试件处于弹性可恢复状态，该阶段不会发生较大流变变形，巷道围压不存在应力自由状态[15]，此阶段流变不考虑，选择轴压为53，58 MPa判断其“强度极限邻域”范围；同时围压为1.5，3.0 MPa时分别选择轴压为64，70 MPa与72，77 MPa判断岩石“强度极限邻域”范围。

2.3 试验步骤

( 1 ) 共选取24块试件，将其分为3组，每组各8块，分别标记为A组、B组与C组，再将各组试件均分为二，每等分为4块；根据上述岩石三轴流变试验数据分析以及岩石流变压缩试验结果，A组分别在轴压为53，58 MPa时进行流变与流变扰动试验；同样B组在轴压为64，70 MPa，C组在轴压为72，77 MPa时进行流变与流变扰动试验；每组扰动幅值与高度相同，扰动方式为自由下落，同一轴压与围压下的试件流变到纵向应力相同的情况下将其取出，各组轴压与扰动部分情况见表3。

表3 末孔隙率变化特征 Table 3 Change characteristics of porosity at the end

( 2 ) 岩样试件饱和处理。分别将各组试件进行饱和处理，真空抽取时间为4 h，真空压力阈值为0.1 MPa，真空抽取完毕后向真空罐内加入适量的液体，持续浸泡4 h，使试件快速吸收。在浸泡过程中，对岩芯罐施加10 MPa的围压。

( 3 ) 依次将饱和后的试件放入核磁共振装置中测量，得出不同围压下的孔径分布图、T2谱曲线变化图以及核磁共振成像图，然后进行分析对比，确定不同围压下岩石的“强度极限邻域”范围。

3 试验结果分析

3.1 岩石孔隙度

采用核磁共振技术，对每轮加载后的岩样进行核磁共振测试，得出应变扰动后岩石的孔隙度及部分孔径变化规律。

由表3可知，不同围压下岩石孔隙率均有不同变化，其变化规律各不相同。在围压为0.5 MPa时，处于“强度极限邻域”外的岩石与初始岩石孔隙率相比减少0.98%，当围压增加到1.5，3.0 MPa时，各孔隙率分别减少0.82%，0.51%，说明当施加的轴向应力未在“强度极限邻域”内时，岩石试件在受到扰动作用下其内部部分较大孔隙出现压密，受扰动后的岩石试件孔隙率会出现减小，致使扰动后的孔隙率小于未扰动时的孔隙率。同样在围压为1.5，3.0 MPa下也会出现部分孔隙压密，受扰动后的岩石试件孔隙率出现减小现象。因此，未扰动比扰动3次后的末孔隙率均值大。

同时在“强度极限邻域”外随着围压的加大，岩石损伤逐渐减小，且扰动前后孔隙率变化不明显，对扰动并不敏感；岩石处于“强度极限邻域”内，围压为3.0 MPa时，比1.5，0.5 MPa下扰动前后孔隙率变化快，说明虽然围压增大，处于“强度极限邻域”内的岩石受扰动影响变形速率加大，岩石内部大孔隙孔径扩张更快。

图7～9清楚地反映了不同围压下岩石内部孔径大小的分布规律，更能直观地反映出岩石“强度极限邻域”的变化范围。

图7 围压0.5 MPa部分孔径分布 Fig. 7 Distribution of partial pore throat with confining pressure of 0.5 MPa

图8 围压1.5 MPa部分孔径分布 Fig. 8 Distribution of partial pore throat with confining pressure of 1.5 MPa

图9 围压3.0 MPa部分孔径分布 Fig. 9 Distribution of partial pore throat with confining pressure of 3.0 MPa

3.2 T2谱曲线谱峰面积

T2谱曲线谱峰面积的大小与孔隙度大小、孔隙数量多少成正比，单个谱峰面积与孔径的孔隙度数量、孔隙度尺寸成正相关，根据前文所述，将第1谱峰视为小孔隙孔径，第2，3谱峰分别为大孔隙孔径与较大孔隙孔径，表4为不同围压下谱峰总面积以及单个谱峰面积占比。

表4 T2谱曲线谱峰面积变化 Table 4 T2 change of peak area

由表4可知，同一围压下，轴压与谱峰总面积成正比。初始岩样仅2个谱峰面积，当围压为0.5 MPa时，轴压53 MPa下未扰动岩石试件谱峰总面积与初始试件变化不大，且第1谱峰面积占谱峰总面积的平均值为5.16%，而初始试件的第1谱峰面积占谱峰总面积的平均值为1.88%，第2谱峰面积占谱峰总面积的平均值为94.84%，表明试件轴向出现压密或硬化状态，致使大孔隙孔径减少，由于轴压的增大产生新的小孔隙孔径；施加扰动后第1，2谱峰面积占总谱峰面积的平均值分别为4.88%和95.12%，并未产生较大变化，且未出现第3谱峰面积，说明岩石处于“强度极限邻域”外，扰动不会产生失稳破坏。当轴压逐级加载到58 MPa时，谱峰总面积是初始试件的3倍，且扰动前后谱峰总面积变化较大，第一谱峰面积占谱峰总面积的平均值分别为扰动前1.16%，扰动后0.73%，第2谱峰面积占谱峰总面积的平均值分别为扰动前90.71%、扰动后92.05%，且出现第3谱峰面积，说明岩石原有内部缺陷小孔隙孔径出现融汇和贯通现象，形成大孔隙孔径，而大孔隙孔径扩张演变为较大孔隙孔径，致使岩石极易发生扰动破坏，因此在围压为0.5 MPa时，岩石“强度极限邻域”范围为53～58 MPa。

同样，当岩石处于围压1.5 MPa与3.0 MPa时，岩石处于“强度极限邻域”范围内谱峰平均总面积是初始谱峰平均面积的5.21～5.62倍。围压为1.5 MPa与3.0 MPa下岩石“强度极限邻域”范围的界限，分别处于64～70 MPa与72～77 MPa。

3.3 核磁共振T2谱曲线分布

核磁共振分析测量仪可以通过核磁共振CPMG序列采集岩芯的回波串，标定标准样本，测量岩芯的孔隙度、T2谱曲线截止时间、渗透率等参数。

通过初始试件的T2谱曲线可知[17]( 图10 )，岩石内部原存有缺陷，初始试件由2个谱峰曲线组成，将第1谱峰曲线视为小孔隙孔径，第2谱峰曲线视为大孔隙孔径，且第1谱峰的高度比第2谱峰的略高，说明岩石内部原有的缺陷小孔隙孔径比大孔隙孔径多。

图10 初始试件 Fig. 10 Initial specimen

当围压为0.5 MPa时( 图11 )，在轴压为53 MPa且未施加扰动前( 图11( a ) )，第1谱峰曲线的高度比初 始试件的高，第2谱峰曲线的高度突然降低；施加扰动后第2谱峰曲线的高度略微减小，变化不明显，说明当轴压增大时岩石内部产生新的小孔隙孔径，大孔隙孔径由于轴压的增大而出现压密闭合的状态，表明在轴压为53 MPa时扰动作用并未在岩石内 部产生较大缺陷。当轴压达到58 MPa时，岩石的2个谱峰曲线高度均有突增，产生新的T2谱曲线，且谱峰曲线出现向右偏移现象，说明岩石内部在轴压 增大时产生新的孔隙孔径，小孔隙孔径出现融汇并贯通形成大孔隙孔径，而大孔隙孔径向外扩张形 成较大孔径。受到扰动时T2谱曲线出现较大的偏移，且谱峰高度都有增大，表明岩石在轴压58 MPa时进入“强度极限邻域”。因此，在围压为0.5 MPa时轴压53～58 MPa是岩石的“强度极限邻域”范围。

图11 围压0.5 MPa下T2谱曲线 Fig. 11 T2 spectrum curves under confining pressure of 0.5 MPa

当岩石处于围压为1.5，3.0 MPa时与围压0.5 MPa下T2谱曲线变化相同( 图12～13 )，但较大围压下T2谱曲线高度更为突出，说明围压的增加使岩石的变形速率更快。

图12 围压1.5 MPa下T2谱曲线 Fig. 12 T2 spectrum curves under confining pressure of 1.5 MPa

图13 围压3.0 MPa下T2谱曲线 Fig. 13 T2 spectrum curves under confining pressure of 3.0 MPa

3.4 核磁共振成像分析

对不同围压下的岩石进行核磁共振成像分析，核磁共振测量岩石试件位置为距岩石试件上、下两端各17 mm处，得出二维成像图谱，如图14～16所示，图中亮点代表含水率的多少，即亮点越亮说明岩石试件含水率越高，表明此处孔隙结构越大，黑色区域为成像底色[18]。

图14 初始岩石试件 Fig. 14 Initial rock specimen

图15 围压0.5 MPa时不同轴压下的部分核磁共振成像 Fig. 15 Partial NMR under different axial pressures at confining pressure of 0.5 MPa

图16 围压1.5 MPa时不同轴压下的部分核磁共振成像 Fig. 16 Partial NMR under different axial pressures at confining pressure of 1.5 MPa

由图14可知，初始岩石试件内部小孔隙孔径 较多，无较大集中的亮点，端部有几处孔隙信号较弱，表明岩石在此部位岩性较完整；当围压0.5 MPa轴压53 MPa时( 图15 )，岩石未扰动时与初始岩石试件相比，亮斑面积无明显变化，仅仅内部有少量的孔隙结构发生变化，当扰动3次后只是出现了少许亮点，并未有汇聚的亮斑，说明在“强度极限邻域”外，岩石内部只是出现略微损伤，施加扰动后岩石内部较大的孔隙可能出现部分压密状态；当围压为0.5 MPa轴压施加到58 MPa时，亮点汇集形成亮斑，对比初始试件图谱( 图14 )，亮斑面积突增，扰动作用不仅致使岩石内部小孔隙汇聚成大孔隙结构，且内部出现更多新的孔隙孔径，说明岩石在“强度极限邻域”外扰动时，内部损伤变化较小，扰动不敏感，当扰动发生在“强度极限邻域”内时，岩石内部亮斑变化显著，损伤更加突出；同样，在围压为1.5 MPa( 图16 )和3.0 MPa时核磁共振图像直观地反映出岩石“强度极限邻域”内、外微观损伤演化特征。

4 结 论

( 1 ) 不同围压下的岩石存在一个流变应力阈值，当岩石应力状态小于该阈值时，岩石内部未出现 较大的孔隙结构，施加扰动载荷后T2谱曲线谱峰高度均无明显的变化；当岩石应力状态大于该阈值，谱峰不仅出现突增现象，而且均出现新的谱峰曲线，同时曲线发生向右偏移现象，说明该应力阈值是判别岩石是否进入“强度极限邻域”内、外的界限。

( 2 ) 不同围压下T2谱曲线谱峰总面积均出现增大现象，当岩石处于“强度极限邻域”外，扰动前后谱峰面积未出现明显变化，反之处于“强度极限邻域”内扰动变化极其明显，说明处于“强度极限邻域”外的岩石损伤较小，不易产生流变扰动破坏，处于“强度极限邻域”内的岩石扰动会加大岩石内部损伤，最终致使岩石发生失稳破坏。

( 3 ) 岩石在围压为0.5 MPa时比围压1.5，3.0 MPa下先进入“强度极限邻域”范围，围压的存在提高了岩石长期强度，随着围压的增大损伤逐渐减小；岩石的T2谱曲线、核磁共振成像图可以直观地反映岩石“强度极限邻域”内、外微观变化特征。