自然与饱水状态下砂岩压缩破坏力学特性及声发射特征

张 寅 ，李 哲 ，宋士康 ，赵 毅 ，李 皓

(1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院，辽宁 阜新 123000；2.陕西正通煤业有限责任公司，陕西 咸阳 712000)

煤炭开采转入深部开采后，很多煤矿面临更加复杂的水文地质条件，复杂的顶板水成为影响煤矿安全生产的又一隐患。鄂尔多斯地区，许多矿井煤层顶板以砂岩为主，大量顶板水下渗，使顶板岩石长时间处于浸水甚至自然饱水状态，对岩层的各项力学性质及其他物理特性有很大影响。大量的研究表明岩石在损伤破坏过程中产生的声信号与岩石的各项力学性质、微观组成结构之间必定存在一定的内在联系，而水的作用必将对上述联系产生一定影响。

为探究浸水甚至饱水对岩石各项力学特性及岩石破坏过程中声发射特征的影响，学者们做了大量研究工作[1-3]。滕腾等[4]通过不同变形加载速率下干燥和饱水岩样的单轴压缩试验，研究了砂岩抗压强度、弹性模量、峰后应变和声发射特性的变形率效应和水理效应；张艳博等[5]通过对单轴压缩下饱水花岗岩破裂过程中声发射频谱特征进行研究，进而实现对岩石破坏前兆信息的快速有效识别；许江等[6]对饱和度分别为0%，50%和100%3 种不同含水状态下砂岩剪切破坏过程中的声发射特性进行试验研究，探讨了声发射信号随时间的演化规律及其与砂岩裂纹的开裂、扩展之间的关系；唐书恒等[7]为模拟研究煤储层的压裂特征，进行了饱水煤岩的三轴压缩声发射试验，将煤岩压裂过程分为迸裂型、破裂型和稳定型；文圣勇等[8]对不同含水率红砂岩进行了单轴压缩条件下的声发射试验，结果表明含水率越高，砂岩声发射累积数越少且时间越滞后；陈结等[9]对卤水浸泡后岩盐声发射特征进行了试验研究，分析了岩盐在卤水、温度、应力共同作用下的损伤演化过程；童敏明等[10]在不同的应力速率下对含水煤岩声发射信号特征进行了研究，表明含水率的不同对煤岩声发射信号的强度具有一定的影响；夏冬等[11-12]对干燥及饱水岩石循环加卸载过程中的声发射特征及能量机制进行了试验研究；A.Torok 等[13]对比了饱水岩石和自然干燥岩石的密度、超声波速度、有效孔隙率和单轴抗压强度，利用统计学方法进行了分析；D.P.Jansen 等[14]应用声发射技术研究了岩石破裂过程中随时间变化的三维微裂纹分布，描述了岩石的损伤累积、裂纹成核以及宏观裂纹扩展的过程。

综上研究成果可以发现，目前学者对岩石破坏特性及其破坏过程中伴随的声信号研究较多，但缺少从宏微观角度入手对不同粒径砂岩饱水前后力学特性及声发射特征相关研究。因此，笔者以鄂尔多斯某矿工作面顶板不同粒径砂岩为研究对象，通过对饱水与自然状态下砂岩试样进行单轴压缩试验和声发射试验，研究2 种状态下不同粒径砂岩破坏过程中力学特性和声发射特征，以期为水文地质条件复杂且围岩以砂岩为主的矿山进行围岩稳定性评价提供参考。

1 试验方法及试验设计

1.1 试样制备

试样取自鄂尔多斯某矿工作面顶板，根据钻孔柱状图挑选粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩大块岩样加工成直径为 50 mm，高为 100 mm 的标准试样，试样两端面不平行度不大于 0.05 mm。在制备好的标准试样中每种粒径砂岩各挑选6 个质地均匀、外观完整试样，平均分为2 组，A 组为处于自然条件下的试样，B 组为进行饱水处理的试样。部分试样照片如图1 所示。

图1 部分岩样Fig.1 Some of the rock samples

1.2 试验设备

力学和声发射试验系统是由加载系统、AE 监测系统组成。加载系统采用TAW-2000 型刚性电液伺服压力机，该试验机最大负荷2 000 kN。声发射监测系统采用声华科技多通道监测仪器，采样频率设定为1 000 kHz，波形门槛值为40 dB，采样点为1 024，如图2所示。

图2 力学和声发射试验系统Fig.2 Mechanical and acoustic emission test system

电镜扫描试验采用QUANTA250 型扫描电子显微镜，最大放大倍数达30 000 倍，图像处理器高达4 096×3 536 像素。

1.3 试验方法

试样制备好后在室内静置一周，将B 组试样放入容器，间隔2 h 注水1 次，5 次使试样全部淹没，每隔24 h 称重一次，浸泡2 d 后，前后2 次质量相差小于0.01 g 认为试样达到自然饱水状态，自然状态下粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩含水率分别为0.60%、0.64%、0.96%，饱水状态下粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩含水率分别为2.0%、2.2%、2.3%。

采用TAW-2000 型刚性电液伺服岩石力学试验系统进行单轴压缩试验，采用位移控制，轴向加载速率为0.002 mm/s。

给试样编号，字母C、Z、X 分别表示粗粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩；字母A 表示自然条件试样，B 表示饱水试样；阿拉伯数字表示该小组的第几个试样。

2 试验结果与分析

2.1 水–岩作用对砂岩微观结构作用

以往研究表明，水–岩作用对岩石力学性质的影响是一个从微细观结构变化到宏观物理力学特性劣化的过程[15-17]。当岩石外部或内部应力达到一定程度，就会发生微观层面上晶界面移动以及宏观层面上矿物颗粒的分离、结构面的滑移，这些过程都会伴随着声发射信号的产生，其信号特征与岩石破裂机制具有密切关系[18-21]。因此，观察分析饱水与自然状态下不同粒径砂岩微观结构变化对研究2 种状态下砂岩单轴破坏过程中的力学特性与声发射特征具有一定意义，观察结果如图3 所示。

图3 水–岩作用下不同粒径砂岩SEM 照片(×200)Fig.3 SEM photos of sandstone with different grain sizes under water-rock interaction(×200)

从图3 可以看出，与自然状态相比，饱水状态下砂岩微观特征变化明显。

(1) 自然状态下粗粒砂岩(图3a 左侧图)试样微观结构表面平整，整体性较好，看不到空隙与孔洞；饱水条件下粗粒砂岩(图3b 左侧图)可以看到有明显的裂隙与孔洞，微观颗粒轮廓明显、棱角分明。

(2) 自然状态下中粒砂岩(图3a 中间图)可以看到表面虽然存在少量原生孔隙与凸起，但整体平整度较好；饱水条件下中粒砂岩(图3b 中间图)表面整体依旧平整，但可以看到胶结物质流失严重，表面出现许多小孔洞，微观组成颗粒逐渐被孤立开来。

(3) 自然状态下细粒砂岩(图3a 右侧图)表面有少量原生孔隙，虽然整体不是很平整，但表面比较密实；饱水细粒砂岩(图3b 右侧图)明显可以看到有较多的孔洞与裂隙，颗粒间胶结物质流失严重。

通过上述观察可以发现，自然状态下砂岩试样微观结构整体性较好，表面平整光滑；饱水状态下各种粒径砂岩由于内部胶结物质有所流失导致微观结构变得松散，结构整体性下降，表面也变得凹凸不平。

2.2 饱水与自然状态下砂岩力学特性

统计所有试样单轴压缩试验结果，见表1，选取各小组1 号试样绘制其单轴压缩应力–应变曲线，如图4所示。

表1 自然和饱水状态下不同粒径砂岩单轴压缩力学参数Table 1 Uniaxial compression mechanical parameters of sandstone with different grain sizes under natural and saturated conditions

图4 部分试样应力–应变曲线Fig.4 Stress-strain curves of some samples

从图3 和表1 可以看出，不同粒径砂岩在进行单轴压缩时饱水对抗压强度有明显的软化作用。粗粒砂岩在自然状态下变化幅度为9.36%，饱水后抗压强度变化幅度为6.8%，平均软化系数为0.66；中粒砂岩在自然状态下变化幅度为15.4%，饱水后抗压强度变化幅度为16.3%，平均软化系数为0.59；细粒砂岩在自然状态下变化幅度为6.0%，饱水后单轴抗压强度变化幅度为11.5%，平均软化系数为0.49。

可见饱水后不同粒径砂岩的抗压强度都有所降低，软化系数为0.49～0.66，且软化系数递减次序与砂岩粒径递减次序有一定的一致性，表明砂岩粒径越小，单轴抗压能力受饱水影响越明显。

弹性模量是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度。饱水后所有砂岩的弹性模量都有不同程度的降低，粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩的弹性模量分别降低19.6%、32.7%和33.7%。饱水后砂岩弹性模量变化与粒径变化顺序呈负相关，即粒径越小的砂岩饱水后弹性模量变化越明显。

泊松比是反映材料横向变形的弹性常数，饱水后不同粒径砂岩的泊松比发生不同程度的增加，粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩分别增加了9.6%、10.4%和19.5%。说明饱水后砂岩横向变形比轴向变形更加敏感，同时，泊松比变化率与砂岩粒径变化呈负相关，即随着砂岩粒径越小，饱水后泊松比变化越大。

综上所述，饱水对3 种粒径砂岩的抗压强度、弹性模量及泊松比均有不同程度的影响，且影响程度与砂岩粒径变化趋势具有一定的规律性，由此可见，地下水是影响井下煤岩巷道稳定性的重要因素之一，因此，在进行井下巷道围岩稳定性评价及支护设计的时候，特别是围岩以砂岩为主的巷道，应当充分考虑水对巷道围岩力学及变形参数的影响。

2.3 饱水与自然状态下砂岩声发射特征

不同粒径砂岩饱水后其声发射特征也将发生一定的变化。选取声发射能量值为参数，分析不同粒径砂岩饱水与自然状态下声发射信号与岩石变形破坏之间的内在联系。在确保可以反映试验规律的前提下，选取同条件下具有代表性的试样进行分析。根据试验结果，绘制不同粒径砂岩饱水与自然条件下岩样的全应力−应变−声发射能量关系曲线，如图5 所示。为更好地说明饱水对砂岩声发射特征的影响，将应力−应变−声发射能量曲线划分为4 个阶段来分析其主要特征，图5 上从左到右依次为初始压密阶段、弹性变形阶段、损伤演化阶段和失稳破裂阶段。统计各代表试样不同阶段声发射总能量，见表2。

图5 不同粒径砂岩饱水与自然条件下全应力–应变–声发射能量关系曲线Fig.5 Relation curves of total stress-strain-AE energy of sandstone with different grain sizes under saturated and natural conditions

表2 代表试样压缩破坏各阶段声发射总能量Table 2 Total AE energy in each stage of compression failure of samples

1) 初始压密阶段

在该阶段，所有试样都有少量的声发射信号产生，此阶段岩样内部各处所受应力水平较低，声发射信号产生主要是岩样内部的原生裂隙在外力作用下发生压密闭合，裂隙在闭合过程中2 个互相接触的裂隙面发生轻微咬合破坏，因而，各试样AE 能量值都处于较低的水平。

2) 弹性变形阶段

该阶段随着试样所受应力的增加，各试样内部颗粒间的摩擦咬合加剧，较上一阶段各试样声发射总能量值都出现增高，其中自然状态下的粗粒砂岩增幅最大为292%，其他试样较上一阶段的增幅在43%～144%。饱水后各试样声发射总能量发生不同程度的减少，粗粒砂岩为67.4%，中粒砂岩为32.4%，细粒砂岩为29.3%。该阶段岩石主要以弹性变形为主，几乎不发生塑性破坏，所以声发射信号较为平稳。

3) 损伤演化阶段

该阶段试样变形破坏加剧，试样开始发生塑性破坏，声发射能量单值与声发射能量总值较上一阶段都发生明显增加。所有试样该阶段声发射总能量较上一阶段增幅在101%～149%。说明在该阶段各岩样内开始萌生新裂纹同时原有裂纹开始发育、贯通，更多的微观颗粒发生摩擦甚至破裂。该阶段饱水试样声发射总能量较自然状态发生明显下降，粗粒砂岩最为明显降幅为73.5%，中粒砂岩为36.0%，细粒砂岩为62.0%。说明在水的软化作用下，不同粒径饱水砂岩强度降低，裂隙的萌生和发育更加容易。

4) 失稳破裂阶段

该阶段声发射能量出现峰值后迅速回落，试样最终破坏过程完成。饱水后声发射能量值较自然状态依旧出现不同程度的减少，粗粒砂岩为30.7%，中粒砂岩为29.5%，细粒砂岩为38.3%。较上一阶段各试样声发射总能量减少幅度在9.1%～66.5%。该阶段后半段由于试样破坏后变形较大，试样不再受力，因此，声发射能量几乎归零。

综上分析，全部试样在变形破坏的各个过程中都有声发射信号产生，且各阶段声发射能量曲线变化趋势与试样各阶段受力破坏程度具有较高的一致性，同时可以发现，声发射能量的最高值均出现在应力–应变曲线峰值附近。以上分析表明，砂岩在载荷作用下的损伤破坏程度可以用声发射能量值来近似表征。不同粒径砂岩试样在饱水状态下压缩破坏各阶段产生的声发射总能量值较自然状态都有不同程度的降低，结合微观电镜扫描结果，可以认为主要原因是试样饱水后胶结物质流失，微观结构变得松散，大颗粒矿物受到软化导致试样在破坏过程中的微裂隙压密、微裂纹萌生和岩石内部摩擦滑移等事件减少，从而导致声发射总能量减少。

3 声发射能量表征岩石脆性研究

目前，关于岩石脆性的表述有多种不同说法。国外部分学者将脆性定义为材料塑性的流失[22-23]；J.G.Ramsey[24]认为岩石黏聚力破坏即为岩石脆性破坏；L.Obert 等[25]通过对铸铁和岩石进行研究，认为试样达到屈服强度附近破坏的特性即脆性。地质学领域学者将材料破裂或破坏前没有或极少出现塑性变形的特性视为脆性。笔者发现，现有脆性含义缺乏考虑试样破坏时微观破裂机制及相关特征。

关于脆性的衡量方法超过20 种[26]，而关于岩石脆性的表述主要是从岩石成分和岩石宏观力学性质入手。目前公认的岩石力学参数简易计算公式定义的岩石脆性指数[27]如下式：

式中：E为弹性模量，104MPa；μ为泊松比，无量纲；BI为脆性指数，%

将表1 数据代入式(1)对不同粒径饱水与自然状态下砂岩脆性指数进行计算，计算结果和各小组试样单轴压缩破坏声发射能量峰值均值见表3。

表3 所有试样脆性指数及声发射能量峰值Table 3 Brittleness indexes and the peak value of AE energy of all samples

用2 种状态不同粒径砂岩单轴破坏时脆性指数与各试样声发射能量峰值进行拟合，拟合结果如图6 所示，拟合度为0.96。由图6 可知，砂岩脆性指数随着试样单轴压缩破坏声发射峰值的增大而增大，两者之间满足如下函数关系：

图6 声发射能量峰值与脆性关系Fig.6 Relationship between the peak value of AE energy and brittleness

通过拟合，式(2)中系数B1=1.11×10−7，B2=−0.000 559，截距C=63.45。

由图6 可见，岩石脆性随着单轴压缩破坏声发射能量峰值的增加而增加，两者大体呈正相关形态。笔者认为，上述6 种砂岩试样可以很好地涵盖自然界中存在的砂岩状态，通过拟合得出的公式(2)成功地将砂岩单轴压缩破坏的宏观力学特性与微观声发射特征联系起来，弥补了之前各领域学者脆性定义缺乏考虑试样破坏时微观破裂机制及相关特征的不足，同时得到了一种全新的岩石脆性衡量方法，即通过砂岩压缩破坏过程中声发射能量峰值评估砂岩脆性，也为岩石脆性研究提供了新的思路。

4 结论

a.粗、中、细粒砂岩的平均软化系数分别为0.66、0.59、0.49。较自然状态，饱水后粗、中和细粒砂岩的弹性模量分别降低19.6%、32.7%和33.7%，泊松比分别增加了9.6%、10.4%和19.5%。说明饱水后对不同粒径岩石的影响程度与砂岩粒径变化趋势具有一定的规律性。

b.饱水后不同粒径砂岩力学特性及声发射特征变化是岩石在水分子的作用下微观变化在宏观层面的体现。在水分子作用下，砂岩原有微观结构受到影响，其是导致岩石抗压强度降低、变形能力增强及声发射能量减弱的内在原因。

c.声发射事件几乎伴随试样破坏的整个过程，在试样破坏的不同阶段，声发射能量值呈现不同的变化规律。各阶段声发射能量曲线变化趋势与试样各阶段受力破坏程度具有较高的一致性；声发射能量的最大值均出现在应力–应变曲线峰值附近，表明岩石在载荷作用下的损伤破坏程度可以用声发射能量值来近似表征。饱水后各种粒径砂岩各阶段声发射总能量较自然状态都出现不同程度的降低。

d.通过对所有砂岩试样单轴破坏声发射能量峰值与岩石脆性指数进行拟合，得到砂岩单轴破坏声发射能量与脆性指数的关系，为岩石脆性研究提供新的思路。