硬岩脆性损伤声发射特征及蠕变破坏机理研究

张子麟 曹嫣镔 翟明洋 李连崇

(1.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；2.中国石化胜利油田分公司石油工程技术研究院，山东 东营 257000)

0 引言

当岩体受到某种恒定的荷载其变形随着时间增长并随之增大的特性称之为蠕变。巷道变形破坏、采空区的塌陷冒顶、露天采场滑坡等都与之密切相关。因此，岩体细观破坏特征及其破坏预测方法是矿山安全开采的关键一环[1]。孙钧[2]通过一系列的室内试验及模型建立发现在岩体受到的荷载和加载时间是蠕变破坏最为重要的原因之一。一般情况下，在岩体蠕变破坏的时候加速阶段所用时间明显小于等速阶段，有一些岩性的加速蠕变阶段所耗时极短，在室内蠕变试验结果中曲线呈现陡直的状态。利用岩石声发射活动[3]与岩体裂隙演化发育规律建立联系，可很好的阐释室内延时压缩试验过程中裂纹的演化规律。在岩体破坏前的b值和声发射分形维数可以分析出较强的岩体破裂规律，可以用来预测预警岩体破坏特征。

对于岩体而言在漫长的受力过程中，极易受到各种外界环境因素的影响(例如像渗流、冻融等)而造成力学性质的劣化[4]。岩石的蠕变就是内部微观力学在宏观的一种体现[5]。所以可从岩石的内部细观受力变化的特性机制入手研究岩体宏观蠕变的变化特征。

针对某矿山硬岩开展单轴压缩试验和声发射矩张量反演，探究岩石内部损伤与蠕变之间的关系。之后利用细观损伤蠕变模型，尝试解释硬岩介质的蠕变破坏机制。

1 硬岩脆性损伤声发射震源机制

实验用岩心取自珲春紫金矿业有限公司曙光金铜矿露天矿446 m平台，取得试样均为闪长岩，如图1所示。其矿物组成主要为石英、角闪石、黑云母、长石。

图1 取样地点及岩样矿物组成观测

单轴压缩试验采用AW-2000B微机控制电液伺服压力试验机，该设备最大试验力为2 000 kN，试验力精度±1%。声发射试验采用PAC公司生产的PCI-2型采集系统，如图2。

图2 单轴压缩试验及声发射监测系统

系统主要包括Nano30型传感器(12个)，PCI-2主机和前置放大器(12个)、采集卡及相关分析采集软件。试验设计声发射监测系统具体参数设置见表1。

表1 声发射监测系统参数设置

声发射(AE)是指材料在外部载荷和内力作用下变形甚至破坏瞬间，应变能以弹性波形式快速释放的现象，而被采集探头捕捉处理反演后成为声发射事件。试样在裂缝周围存在大量的AE事件，大致主要分为三个主要的簇。在图3中，结合相应的矩张量反演结果可得出，裂纹2几乎都是发生剪切破坏的，但是裂纹3周围拉伸破坏占主要地位。对于1裂纹，经过统计概率可以得出此处破坏剪性破坏仍略胜一筹。

图3 声发射矩张量分析结果

根据声发射事件定位结果，试件的裂纹演化过程为：试件下部裂纹萌生—试件上部裂纹萌生—上、下部裂纹向部中发展—形成贯通试件的空间分布形态—试件破坏，如图4。

图4 声发射时空演化

图5是岩石应力与声发射参数演化曲线。岩石发生破坏前，幅值及能量处于较低值，有较小的上下波动；在高应力水平下，幅值及能量开始出现迅速升高的现象。在存在峰后阶段的岩石试件中，幅值及能量会有多个突增。

图5 岩石应力与声发射参数演化曲线

岩石不均匀度决定声发射b值的不同，进而可以描述岩石微破裂事件的频度-震级关系。b值与岩石的应力水平及稳定性密切相关。b值前中期剧烈下降，表明岩石在低应力水平下出现局部裂纹的剧烈演化，在经历局部裂纹剧烈演化阶段以后，b值会随着应力的上升逐渐增加发生波动，可认为是岩石破坏风险增加的标志。工程岩体的蠕变破坏或肉眼可见蠕变变形即是这些局部微裂纹或损伤长期发展、聚集的宏观表现。

2 蠕变力学模型及蠕变过程模拟

结合弹性力学的损伤本构推演自带细观损伤的蠕变模型，实际上岩石细观上的损伤差异性是岩体宏观力学上非线性破坏的源头问题。

在蠕变过程中存在一个临界强度，当单元体受到的力小于该强度的时候，岩体变形为稳定性蠕变，超过这个临界强度的时候，为加速蠕变。从图6可以看出，采用的假设模型单元的强度根据时间一直发生着变化，且随着时间增长不断的减少。细观单元的降低速度主要受外在环境的影响，随着时间持续进行，强度最终达到一个稳定的长期的状态。

图6 岩石细观微单元蠕变本构关系曲线

微细观单元的应力强度随时间的损伤规律可以依据以下简单的函数方程进行阐述[6]：

σt=σ∞+(σ0-σ∞)e-a1t

(1)

式中：σ0—微小单元体刚开始状态的初始强度；σt—时间t微小单元体强度；σ∞—微小单元体的长期状态强度，当时间为无穷大的时候，此时刻的单元体强度也是无穷大的；a1—工程常用的经验参数。假设，试样的宏观强度损伤与其弹性模量的变化损伤要具有一定的相似可比性：

Et=E∞+(E0-E∞)e-a2t

(2)

式中：E0—微小单元体刚开始状态的弹性模量；Et—在某一时刻t的微小单元体的弹性模量；E∞—微小单元体的长期弹性模量，当时间无穷大的时候，单元弹性模量也一样接近无穷大；a2—作为工程经验参数进行分类取值。

本次试样选取样高位125 mm，恒定荷载取1.4σcd，内部裂隙损伤应力值为σcd。通过对此次岩体受力破坏下的试验分析，这个试样表现出极为明显的脆性破坏。在进行数值模拟计算的时候，选用一个50 mm×50 mm×125 mm的三维试样，单元体施加恒定载荷1.4σcd，计算结果如图7。从图中可以明显看出，试样的初期、稳态和加速状态。可以比较明显的看出来，室内试验和模拟都有比较明显的蠕变特性。

图7 蠕变特征曲线

图8为数值模拟得到的试样蠕变破坏过程及声发射演化图。

(a)蠕变破坏过程中的应力场演化

(b)蠕变破坏过程中的声发射特征图8 模拟得到的试样蠕变破坏过程

在岩体发生蠕变的刚开始阶段也就是初期蠕变，内部破坏都是发生在比较薄弱的地方，持续不断的产生新的破裂信号。破裂的增加，内部即是出现大量损伤，如图8 b此时在岩体表面出现裂隙带，这个时候细微单元体的强度基本上等于长期强度。已经基本上不再退化。但是宏观的裂缝不可逆，将以强度破坏的形式呈现出来。

为了进一步探究岩体在蠕变过程声发射撞击事件的特征状态，特选取试样在不同受力状态下进行分析。此次选取1.3σcd、1.2σcd和σcd这三种恒定载荷为外部影响因素，如图9所示为声发射撞击事件和相对应的蠕变曲线。

(a)恒定载荷为1.3σcd

(b)恒定载荷为1.2σcd

(c)恒定载荷为σcd图9 声发射特征与蠕变曲线对应关系

当荷载为1.3σcd、1.2σcd的时候，岩样的形变特征主要是加速的形式进行展现出来的，聚焦声发射来看，不难发现撞击事件越发明显呈现出突然跳动模式。

实际上岩样在不同的应力载荷下，宏观表现出不同的蠕变阶段特征。如图10所示，在一个低的应力载荷作用下曲线很快将达到一种相对稳定平衡的状态，不存在加速状态。而在一个相对较高应力载荷施加作用下，稳态阶段会持续好一段时间，终将出现一个明显的加速阶段。如果试样受到一个高强度应力状态，此时来说稳态的蠕变就相对很短了，可以说刚进入到初期的蠕变转头就到了加速的这样一个状态。

图10 不同应力水平下的蠕变特征

图11给出了上述恒定载荷S=1.4σcd，1.3σcd，1.2σcd，σcd这几种应力下的试样强度破坏所需时间。可以看出在高应力下，岩体破坏所需时间是越来越少的，同时也可以看出来外部施加的应力载荷对岩体蠕变行为影响也较大。

图11 不同应力水平下试样的宏观失稳破坏时间

3 结语

1)对硬岩单轴压缩破坏过程进行声发射监测和矩张量反演。接近裂纹处的微裂纹具有较大辐射能量，不仅仅存在拉剪而且同时出现混合型的强度破坏，在此刻状态下撞击事件对比于其他部分来看显得分布较为集中一些。在经历局部裂纹剧烈演化阶段以后，b值会随着应力的上升逐渐增加发生波动。局部裂纹剧烈演化阶段后b值的剧烈波动也可认为是岩石破坏风险增加的标志。

2)应用细观蠕变损伤模型模拟了硬岩试样在单轴载荷作用下蠕变损伤规律。通过与实验结果对比，证明了该蠕变模型的有效性。对于岩石来讲，宏观上的蠕变破坏损伤不仅可以通过内在单元体相互作用体现，也可以根据其连续破坏模式显现出来。

3)通过对岩体自身强度及其内部累积的细观损伤强度，并结合岩体弹性模量的时间效应充分说明了岩石作为工程介质的蠕变破坏机制。岩体内部的损伤劣化累积是蠕变破坏重要诱导因素。在岩体受到较低的应力状态时，很快将达到平缓状态，没有加速的蠕变产生。在受到较高的应力的时候，稳态蠕变将一直持续一定的时间间隔，到最后仍将出现特征明显的加速蠕变现象。在纯受到高应力状态下的岩体蠕变曲线，稳态阶段相对时间较短，基本上在初期的时候就立刻进入到加速状态。