加载速率对弱胶结砂岩劈裂特性的影响研究

李小龙，李 进，黄 辉，李立波

(1.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司灵新煤矿，宁夏 灵武 751410；2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083；3.国家能源集团宁夏煤业有限责任公司梅花井煤矿，宁夏 灵武 751410)

随着我国国民经济高速发展，对于能源的需求日益增加，中部地区、东部地区的煤炭资源已经无法支撑我国的经济发展，因此煤炭开采逐渐向深部发展[1-2]、向西部地区发展[3-4]。但西部地区巷道围岩的成岩过程特殊，分布着大量的弱胶结岩层，这类岩石具有胶结程度低、遇水易崩解、强度低等特殊性质[5-6]，因此弱胶结围岩巷道容易出现煤层强度高于岩层强度的现象，同时弱胶结岩石中含有大量亲水性黏土矿物，如伊利石、蒙脱石、高岭石等[7]，这些特性造成弱胶结围岩巷道支护成本大大增加，并且相比于其他巷道其变形量更大，更易产出冒顶、底臌等现象，极大制约了煤矿的快速开采。

随着西部矿区的逐渐开发，弱胶结岩石的相关物理力学特性问题逐渐得到大量学者的关注[8-9]，相关研究成果也逐渐增加。滕腾等[10]研究了加载速率对砂岩力学和声发射特性的影响；韩心星等[11]研究了三轴压缩下砂岩的本构模型；侯宪港[12]对弱胶结砂岩、弱胶结泥质中砂岩进行了单轴压缩下的力学、声发射试验，得到了两种弱胶结砂岩的强度、破坏特征、声发射特征以及冲击倾向性等结果；NGUYEN等[13]使用高分辨率数字照片和数字图像相关法(DIC)分析了在平面应变单轴压缩下变形的软岩中倾斜缺陷(切口)的裂缝演化；赵维生[14]对岩石矿物成分含量和含水率影响下的泥质弱胶结岩石的基本物理力学特性进行研究；吴宝杨[15]发现单轴抗压强度增加与孔隙堵塞引起的孔隙水压力有关；张娜[16]发现内部孔隙率的增加是导致页岩试样吸水之后强度衰减的重要原因；纪洪广等[17]发现弱胶结砂岩的矿物成分、内部结构、成岩过程造成了其易遇水软化、崩解的特点。

综合以上研究，大量学者在岩石力学特性、声发射特征方面取得了丰富的研究成果，但对于加载速率对弱胶结砂岩劈裂特性的影响研究较少，因此，本文开展了加载速率对弱胶结砂岩抗拉强度、声发射特征、全场应变演化的影响研究，以期为弱胶结软岩巷道变形破坏分析提供参考。

1 弱胶结砂岩矿物成分和微观结构特征

1.1 矿物成分分析

试验岩样均取自神华宁煤集团梅花井煤矿，弱胶结砂岩的宏观性质与其内部微观结构和矿物成分含量有密切关系，采用XRD矿物成分分析和SEM电镜扫描，分析其微观结构特征(图1)。由XRD矿物分析试验所得砂岩中SiO2(石英)衍射峰值最高且衍射峰最多，峰形多呈现细、高状，说明其结晶度高、颗粒大，矿物含量最多，其次分别为Na2O·Al2O3·6SiO2(钠长石)、KAISi3O8(正长石)、Al2Si2O5(OH)4(高岭石)。其中，钠长石、正长石相对应衍射峰也呈细高状，说明其矿物结晶度较高、颗粒较大，高岭石相对应的峰形略宽，其矿物结晶度低、颗粒较小。

图1 岩样X-衍射图Fig.1 X-ray diffraction of rock samples

1.2 微观结构特征

对弱胶结砂岩样品进行不同倍数下的电镜扫描分析，结果如图2所示。由图2可知，砂岩结构面颗粒感比较明显，颗粒边界比较清晰，但是其表面非常的粗糙、不光滑，在低倍数条件下，可观察到矿物呈现块状及片状分布，结构较完整，少量呈蜂窝状分布，孔隙裂隙发育明显，大孔隙存在较多，且贯通性较好，结构疏松，致密性差；在高倍数条件下，可观察到胶结物多呈现纤维状或絮状，与周围矿物接触面少，可明显观察到层状矿物分布，导致胶结状态差，强度低。

图2 微观结构Fig.2 Micro structure

2 试验方案

2.1 岩样制备

取样方法为现场取芯，取样后加工制作成Ф50 mm×25 mm圆柱岩样。样品的两端经过研磨，以获得平行、平坦和光滑的表面，确保均匀的载荷分布。图3为部分试件。

2.2 试验方案

图3 部分岩样Fig.3 Rock samples

图4 声发射探头布置Fig.4 Layout of acoustic emission probe

本次试验采用YAD-2000型液压伺服试验机，试验采用0.01 mm/min、0.05 mm/min、0.1 mm/min、0.3 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min六级加载速率进行加载，为控制试验效果的离散性，每种速率下进行岩样成功实验各三块，对异常试件进行补做，试验过程中采用声发射监测系统和DIC监测系统进行同步信号采集，试件表面共布置四个探头(图4)，放大器前置放大增益为40 dB，采集固定门槛为30 dB，采样频率设置为1 MHz。DIC监测系统主要包括高速相机、照明系统、同步控制系统。试验系统如图5所示。

3 试验结果

3.1 抗拉强度

图5 试验系统Fig.5 Test system

图6 加载速率对岩石抗拉强度的影响Fig.6 Effect of loading rate on tensile strength of rock

根据岩样的拉伸试验结果计算岩样的抗拉强度，其随加载速率的变化如图6所示。由图6可知，弱胶结砂岩的抗拉强度与加载速率密切相关，试样的抗拉强度的离散型均在正常范围内，以试样的平均抗拉强度表征岩样抗拉强度随加载速率的变化规律，试样的抗拉强度随加载速率也呈正相关关系，对弱胶结砂岩的平均抗拉强度进行多项式拟合，确定其R2为0.96，可以看出拟合曲线与平均抗拉强度较吻合。

3.2 声发射计数

通过获取劈裂试验过程中不同岩样的声发射计数，可以研究其内部损伤变化规律。本文对声发射计数进行了研究，得到的劈裂试验中不同加载速率下岩样应力-时间-声发射计数曲线如图7所示。

图7 砂岩应力-时间-声发射计数曲线Fig.7 Sandstone stress-time-acoustic emission counting curve

由图7可知，岩样在不同加载速率下的应力、声发射计数随时间的变化规律基本一致，通过对比发现，图中应力曲线均可划分为三个阶段：①压密阶段，该阶段岩样应力-时间曲线斜率逐渐增大，同时该阶段岩样声发射计数较少，这是因为岩样内部存在原生孔隙和微裂隙，在应力作用下逐渐被压密，岩样内部也没有新裂隙的产生；②弹性阶段，该阶段岩样应力随时间变化呈线性增长，岩样声发射信号依旧较少，岩样内部微裂隙稳定扩展；③破坏阶段，该阶段岩样应力-时间曲线斜率逐渐减小，曲线开始出现波动，岩样产生塑性变形，同时声发射信号明显活跃，计数增加明显，并且伴随应力达到峰值，声发射计数突增达到最大值，说明声发射信号的激增点与岩样的峰值应力点一致，大量的声发射事件发生在岩样破坏的瞬间。

3.3 声发射事件分布特征

岩石的破坏实际上是其内部裂隙起裂、扩展直至贯通的动态演化过程。岩石的AE事件分布与其内部损伤密切相关，通过AE事件分布可以判断裂纹的起始位置和传播趋势，并根据位置图中的损伤位置和演变趋势直接确定AE事件源的位置。所以为研究岩样裂隙扩展与破坏损伤的关系，采用声发射与摄影相结合的方法，对岩样破坏过程进行分析。

图8展示了劈裂过程中应力、声发射累积计数随时间的变化关系以及AE事件分布和宏观破裂特征。在岩样的压密阶段(0.3p0)，岩样内部的声发射定位事件非常少而且零星分布于岩样中，此阶段产生的声发射事件主要是由岩样中原有缺陷、微裂纹被压缩引起的，此时的声发射累积计数曲线斜率很小，曲线近似水平，说明此时计数缓慢增长，岩石无破坏产生；当岩样被加载到弹性阶段(0.6p0)时，处于初始裂纹出现阶段，声发射事件略有增加，并开始在一部分区域内集中，此时声发射累积计数曲线斜率开始增大，说明此阶段随着应力的逐渐增加，声发射信号开始活跃；当岩样被加载到破坏阶段(0.9p0)时，声发射事件数突增，信号明显活跃，声发射事件在一定区域内出现明显的集中，岩样的主裂隙已经出现，此时的声发射累积计数曲线斜率突增，呈现台阶跃增现象，随着继续加载达到峰值应力(p0)时，伴随主裂隙瞬间贯通，声发射累积计数突增到最大值，岩样失去承载能力。

图8 不同加载速率下砂岩AE事件分布Fig.8 AE event distribution of sandstone under different loading rates

3.4 基于DIC的全场应变演化

为了分析弱胶结砂岩在巴西劈裂过程中的劈裂破坏特征和应变场演化，利用DIC对加载过程中巴西圆盘表面破裂演化情况进行监测。DIC是一种根据试样表面斑点运动来得到对象表面应变的非接触变形测量方法，可用于研究岩石试样表面变形和裂纹的演化。试验开始前，在巴西圆盘表面制作散班，试验过程中利用摄像设备采集图像，分析过程通过VIC-2D软件进行，处理得到加载时试样表面应变变化数据和破裂过程。 鉴于篇幅，选取0.01 mm/min、0.1 mm/min、1 mm/min试验结果进行分析。

图9为不同加载速率下岩样破坏过程中的全局应变场。由图9可知，随着荷载逐渐增加，在0.7p0时，试件首先会在顶部或者底部出现明显的应力集中现象，荷载继续增加，在0.9p0时，两端应变向中间扩展，在达到p0时，形成贯通，加载速率的变化对劈裂过程中的应变演化没有较大影响，不同速率下岩样应变场演化规律基本相同。

图9 全场应变演化规律Fig.9 Evolution law of full-field strain(注：图(a)、图(b)和图(c)中，从左到右小图分别对应峰值荷载的70%、90%、100%，对应弹性变形中间阶段、弹性变形阶段末期、破坏时刻)

3.5 岩样宏观破坏特征

图10为劈裂试验下弱胶结中砂岩宏观破坏图。由图10可知，试件的破坏主要沿加载方向发生劈裂破坏，破坏后不同裂纹走向与岩样中原有弱面和裂隙有关，加载速率的变化对其破坏模式基本无影响。

图10 劈裂试验岩样宏观破坏图Fig.10 Macroscopic failure diagram of tensile test rock samples

4 结 论

对弱胶结结砂岩在0.01 mm/min、0.05 mm/min、0.1 mm/min、0.3 mm/min、0.5 mm/min、1 mm/min六级加载速率下进行劈裂试验，分析了加载速率对弱胶结砂岩的抗拉强度、声发射特征、全场应变演化的影响，得出以下结论。

1) 试样的抗拉强度随加载速率的变化呈正相关关系，对弱胶结砂岩的平均抗拉强度进行多项式拟合，确定其R2为0.96，拟合曲线与平均抗拉强度较吻合。

2) 岩样在不同加载速率下的应力、声发射计数随时间的变化规律基本一致，均可划分为三个阶段：压密阶段、弹性阶段、破坏阶段，并且声发射信号的激增点与岩样的峰值应力点一致，大量的声发射事件发生在岩样破坏的瞬间。

3) 随着荷载逐渐增加，试件首先会在顶部或者底部出现明显的应力集中现象，然后向中间扩展，在达峰值应力时，形成贯通，加载速率的变化对劈裂过程中的应变演化没有较大影响，不同速率下岩样应变场演化规律基本相同。