汪 泓 杨天鸿 徐 涛 李 杨 侯宪港 赵永川

(1.金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；4.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025)

单轴压缩下某弱胶结砂岩声发射特征及破坏形式
——以陕西小纪汗煤矿砂岩为例

汪 泓1,2,3,4杨天鸿1,2徐 涛1,2李 杨1,2侯宪港1,2赵永川1,2

(1.金属矿山安全开采教育部重点实验室，辽宁 沈阳 110819；2.东北大学资源与土木工程学院，辽宁 沈阳 110819；3.贵州省非金属矿产资源综合利用重点实验室，贵州 贵阳 550025；4.贵州大学矿业学院，贵州 贵阳 550025)

为研究小纪汗煤矿弱胶结砂岩的声发射特征和破坏形式，对取自该矿的砂岩试件开展单轴压缩试验，并进行声发射监测。试验表明：对6个试件的声发射特征曲线归纳为崩裂型和破裂型2种，前者在弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动较少，屈服阶段后期至破坏前声发射活动骤增，破坏后仍有部分声发射活动；后者弹性阶段和微裂隙稳定发展阶段声发射活动强于前者，屈服阶段声发射活动出现大幅阶梯增长(至峰值)，峰值前有声发射平静期。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。研究结论对高强度开采条件下顶板变形失稳的预测具有指导意义。

单轴压缩 声发射特征 弱胶结 破坏形式

岩石在受力发生破坏时，其内部裂纹萌生、扩展和贯通，并以应力波形式释放能量的现象称为岩石的声发射现象(Acoustic Emission，简称AE)，这也是岩石材料破坏时伴随发生的一种现象，能够反映岩石内部应力状态变化，对研究岩石破坏过程和岩体稳定性的监测预报有着重要的意义。在岩石力学的研究中，声发射已经作为一种反映岩石内部状态变化的工具，越来越多地被用来检测岩石破裂损伤时能量以应力波形式产生的声发射信号，通过这些信号了解岩石内部缺陷的发展和微观破坏的活动性，从而反演岩石内部的破坏机制和破坏过程，推断其性态变化。

1 以往研究概述

对于岩石受载后的声发射特征研究已经有大量的成果：D. P. Jansen 等[1]应用声发射技术，研究了岩石破裂过程中随时间变化的岩石三维微裂纹损伤累积、裂纹成核以及宏观裂纹扩展规律；Lei等[2]研究了岩样破坏的声发射事件时空分布特征以及加载过程中，试样沿不均质断层发生动力破坏，推断导致岩样失稳前兆特征和不均质断层有关；张省军[3]采用单轴加载方式研究发现，在岩石受载变化的不同阶段，其声发射事件数量会有不同变化，同时声发射能量在岩石破裂过程中相当长的一段时间内保持低释放率，而在破坏前释放明显；赵兴东等[4-5]应用AE及其定位技术，对不同岩样破裂过程中的声发射活动规律进行了试验研究，借以揭示不同岩样的破裂失稳机制，并对预制不同裂纹的花岗岩试件开展了破裂失稳过程中，其内部微裂纹孕育、萌生、扩展、成核和贯通的三维空间演化模式进行研究；左建平等[6]通过三维定位实时监测装置对岩石受压过程进行监测，研究煤岩组合体与单纯砂岩体和煤体声发射行为及时空演化机制的差异，其结果对煤岩体灾害发生机制有了进一步的认识；裴建良等[7]对含单一型和平行型、交叉型、混合型自然裂隙大理岩岩样进行单轴压缩条件下的声发射测试，通过对声发射大事件的定位追踪解释了岩体破裂失稳机制；梁正召[8]利用数值模拟软件 RFPA2D对在单轴压缩加载条件下3种不同均质度的岩石试件破裂过程进行了模拟研究，讨论了整个破坏过程中的声发射特征。对于岩石受载后的破坏形式，杨圣奇等[9]试验研究了单轴压缩下不同几何分布断续预制裂隙大理岩宏观破坏模式；朱万成等[10]采用数值分析方式模拟岩石静态和动态应力作用下破裂模式差异；王明洋等[11]研究了岩石在加载和卸载时内部出现的拉应力及其对岩石破坏模式的影响。

目前国内外学者的研究中，针对弱胶结砂岩的声发射特征以及破坏形式的研究还比较鲜见，故本研究选择取自小纪汗煤矿的弱胶结顶板砂岩进行单轴压缩试验，分析声发射特征参量变化规律并结合试件破坏模形式进行研究，研究成果对进一步揭示西部高强度开采地区弱胶结砂岩顶板的失稳破坏规律及矿区地质灾害的预测预报工作具有一定的科学价值。

2 试验概况

2.1 岩样特征

试验所用岩样为取自陕北侏罗纪煤田横榆矿区小纪汗煤矿的顶板砂岩。岩石试件直径70 mm，高140 mm。初步观察，岩性为中砂岩及细砂岩，中砂岩岩样肉眼观察无明显自然节理，细砂岩岩样含多条平行的近水平自然节理，如图1所示。其中编号D的试件为细砂岩，编号I的试件为中砂岩。

图1 试件外观

岩石的胶结连接是指组成岩石的颗粒与颗粒之间通过胶结物在一起的连接，其强度主要取决于胶结物的胶结类型。硅质、铁质胶结岩石强度高，钙质次之，泥质胶结强度最低[12]。为了进一步了解岩样岩性及内部胶结连接情况，对岩样进行切片加工后做偏光显微镜扫描观测[13]，获得不同岩性的显微照片，见图2。(a)为中砂岩整体岩性扫描图像，其中碎屑状白色的为石英，蓝灰色的为长石，灰黑色的为胶结物；(b)为放大后中砂岩图像，可以更加清晰地看到石英、长石及胶结物的分布。其中，碎屑颗粒以石英和长石为主，泥质胶结；石英颗粒棱角-次棱角状，含量约60%～65%；长石颗粒，棱角状，含量15%～20%；其他为胶结物；碎屑颗粒的粒径以0.3 mm为主。(c)为细砂岩整体岩性扫描图像，含石英、长石及云母碎屑；(d)为放大后细砂岩图像，可看到明显石英颗粒和胶结物。其中，碎屑颗粒以石英为主，棱角明显-次棱角状，平均含量60%～70%；长石含量相对较少，平均约为5%～10%，长石颗粒比较破碎，具有泥化现象；钙泥质胶结为主，含量20%～30%；其他矿物为：少量的云母碎片。从上述成分分析可以得出本次试验所用中砂岩和细砂岩均属于弱胶结砂岩。

2.2 试验设备

(1)加载系统。加载系统采用TAW-3000型微机控制岩石伺服三轴压力试验机[14](见图3)。该试验机可以完成岩石单轴加载和常温、高温以及孔隙水条件下静态岩石三轴试验，实现试验数据自动储存以及数据自动绘图。试验机整体刚度大于10 GN/m，最大轴向压力3 000 kN，最大侧限围压100 MPa。

(2)声发射监测系统。试验采用PCI-2声发射监测系统，具有18位A/D，1 kHz～3 MHz频率范围，该系统是对声发射特征参数/波形进行实时处理的16通道声发射系统。传感器利用压电原理将声波信号转化成电信号，经前置放大器将信号放大，传至声发射采集系统，采集系统将电压信号进行滤波和分析处理最终得到声发射信号的特征参数如：到达时间、上升时间、最大幅值、能量、频率和声发射数目等。

图2 偏光显微镜分析结果

(3)试验方案。将实验室钻取加工的砂岩试件进行单轴压缩试验。采用力加载方式，加载速率为20 kN/min，连续加载至试件完全破坏。通过声发射监测系统实时采集声发射信号特征数据。将8个传感器用橡胶带固定在岩样表面(上下部各4个，沿圆柱周长均匀布置，为避免应力集中效应，传感器距离上下端面的轴向距离各为2 cm，见图4)，为保证耦合效果，在探头与试件接触部位涂抹一层黄油。

图3 TAW-3000微机控制压力机

图4 传感器布置方式

3 试验结果与分析

3.1 弱胶结砂岩声发射特性曲线类型特征

声发射特征参数主要包括振铃率、能量(能率)、事件数、振铃累计数等，上述参数在试件受载过程中随内部结构的变化而变化。本研究采用振铃计数率、振铃累计数为参量，分析单轴压缩下弱胶结砂岩破坏过程中的AE特征。试验获取的声发射特征曲线表明，试件声发射活动具有其自身特点，对AE振铃率(应力)-应变曲线、AE振铃累计数(应力)-应变曲线特征分析后，特将声发射特征曲线分为以下2种类型。

3.1.1 崩裂型

本次试验中出现崩裂型声发射特征曲线的主要是细砂岩，单轴抗压强度达到60 MPa左右。如图5和图6所示，以试件D-1为例，说明崩裂型声发射特征曲线的特点如下。

图5 AE振铃率(应力)-应变曲线(试件D-1)

图6 AE振铃累计数(应力)-应变曲线(试件D-1)

(1)轴向应力在小于8 MPa时，属于压密阶段，该阶段产生了一定数量的声发射活动，最大AE振铃率达到934次/s，说明在压密阶段弱胶结砂岩中原有的张开性结构面或微裂隙在逐渐闭合的同时，由于岩石中胶结颗粒存在棱角以及片状结构，加之胶结物强度较小，应力会使岩石中部分区域产生微破裂和变形，由此引发了AE振铃的产生。在AE振铃累计数(应力)-应变曲线中，振铃数量呈低位徘徊，说明虽然有个别时刻AE振铃率瞬时超过900次/s，但压密阶段主要以原始裂隙闭合为主，新的微裂隙产生较少，因此AE振铃累计数并不高。

(2)轴向应力8～20 MPa为弹性阶段，进入该阶段只有少量AE振铃产生，虽然试件受到应力作用，但未能产生更大的新裂纹，应力与应变保持线性关系，随后应力提升至20～50 MPa，这一阶段在应力作用下逐步产生部分微裂隙，导致声发射活动比线弹性阶段有所增加，但是AE振铃率比压密阶段低。AE振铃累计数(应力)-应变曲线中，该阶段AE振铃累计数基本上呈水平直线，增长幅度非常有限，说明弹性阶段以及微裂隙产生阶段AE振铃数量很少。

(3)轴向应力超过50 MPa后，应力-应变曲线进入屈服阶段，AE振铃率逐步呈阶梯式增大，这是由于时间承压后变形逐步增加，产生的裂隙越来越多，导致声发射活动数量增加。AE振铃累计数(应力)-应变曲线中，在应变达到(9～10)×10-3出现明显向上弯曲，曲线发生较大角度的改变，AE振铃累计数不断增加，说明试件屈服阶段即将转入破坏阶段。

(4)轴向应力增加到70 MPa以后，试件进入破坏阶段，AE振铃率瞬间增大，由1 200次/s 左右瞬间增加至5 000次/s以上，声发射活动异常活跃，说明裂纹之间的相互作用开始，并发生聚合贯通，导致破裂面形成和试件破坏。峰值强度后，AE振铃率并没有立即消失，而是下降至峰值的2/3，因为有效承载面积减小，试件内部沿已有的宏观破裂面产生摩擦滑动，故会产生一定声发射活动。在AE振铃累计数(应力)-应变曲线中，当应变超过10×10-3，AE振铃累计数曲线向上突然抬升，近乎形成接近90°的1条斜线，说明破坏前声发射活动的激增。

图7为试件D-1的AE事件不同应力阶段空间演化规律事件不同应力阶段空间演化规律图，其中小球位置为AE事件的定位，小球大小代表能量。根据加载阶段应力水平的不同，将声发射定位事件的空间累计分布分为a、b、c、d等4个阶段：压密阶段a相当应力达到0.1σc(σc为单轴抗压强度)，检测到AE事件有26个，集中在试件下部，应力水平低时该区域产生集中应力；线弹性阶段b，应力为0.25σc，AE事件增加至47个，增长率呈低水平；在微裂隙稳定扩展阶段c，随着应力水平上升至0.75σc，AE事件继续增加至103个；进入屈服阶段后d，AE事件数量迅速增加，应力峰值时达到987个，且单个AE事件能量急剧增大。AE事件不同应力阶段空间演化规律与声发射特征曲线中声发射活动的发展规律相吻合，印证了崩裂型声发射特征曲线的规律。

图7 D-1试件AE事件不同应力阶段空间演化规律

3.1.2 破裂型

本类型曲线的试件的单轴抗压强度相对崩裂型较低，均为中砂岩，单轴抗压强度均低于50 MPa。图8和图9分别为试件I-2的AE振铃率(应力)-应变曲线和AE振铃累计数(应力)-应变曲线。

图8 AE振铃率(应力)-应变曲线(试件I-2)

图9 AE振铃累计数(应力)-应变曲线(试件I-2)

(1)在应力-应变曲线的压密阶段，即轴向应力小于2 MPa之前，期间产生了少数声发射活动，最大AE振铃率约为296次/s，这种现象的发生和崩裂型试件的原因相同，推测是由弱胶结结构产生的微破裂和变形引起。压密阶段对应的AE振铃累计数(应力)-应变曲线中，AE振铃累计数呈现低水平的上升趋势，期间声发射活动总体较少。

(2)轴向应力2～7 MPa为弹性阶段，从该阶段的AE振铃率(应力)-应变曲线看出，相较于压密阶段，AE振铃率有所降低，峰值基本维持在220～250次/s，在弹性阶段后半段稍高频率的声发射活动更加密集。这种现象可能是由于试件内部的弱胶结结构造成的，在外部应力的作用下产生了一定数量的声发射活动。轴向应力7～13 MPa为微裂隙稳定发展阶段，从AE振铃率(应力)-应变曲可以看出，这一阶段声发射活动呈现出阶跃性增长，且声发射活动一直持续，AE振铃率最高达到1 250次/s，明显高于崩裂型试件对应阶段的AE振铃率。从AE振铃累计数来看，弹性阶段增长平缓，在进入裂隙稳定发展阶段时曲线突然上扬，体现出裂隙发展的速度正在加快。

(3)轴向应力增加值13 MPa后，试件进入屈服阶段。与崩裂型相比破裂型试件的屈服阶段持续试件较长，AE振铃率曲线总体呈快速阶梯式增长，但是AE振铃率大小并不是持续递增，期间也有部分振铃率低于1 000次/s，从坐标横轴(应变)方向观察，崩裂型试件破坏前高频率的AE振铃率更为集中，而破裂型试件则相对分散。据此推测在破裂型试件中，由于颗粒之间胶结强度较低，在受压过程中应变能逐步释放，而崩裂型试件强度较高，受压过程中应变能集中释放，因而造成两者AE振铃率曲线破坏前阶段的差异。AE振铃累计数曲线在进入屈服阶段后，向上升高的斜率放缓，并不再是光滑曲线，由于声发射活动在该阶段的跳跃性，曲线上形成一些蜿蜒的折皱。

(4)当轴向压力大于18 MPa时，试件进入破坏阶段。从AE振铃率来看，破坏前从峰值2 700次/s陡然下降至不足1 000次/s，而后在破坏前没有再发生声发射活动；从AE振铃累计曲线看，在峰值强度前，声发射活动相对平静。崩裂型试件的AE振铃累计数曲线则无此特点。这一现象和尹贤刚[15]和孙强[16]提出的观点类似，即塑性变形明显的岩石会在破坏前存在一个“声发射平静期”，塑性不强的岩石则较少出现这种情况。

图10为试件I-2的AE事件不同应力阶段空间演化规律。与D-1试件相比，I-2试件在压密阶段(应力为0.1σc)和线弹性阶段(应力为0.4σc)的AE事件累计数量分别为10个和49个，二者AE事件数量都较少。进入微裂隙稳定发展阶段，I-2试件AE事件数量增大幅度更快，数量为394个。屈服阶段以后，AE事件累计数量进一步增加，试件破坏时达到1 017个。AE事件的空间演化过程和声发射特征曲线所揭示的声发射活动规律相吻合。

图10 I-2试件AE事件不同应力阶段空间演化规律

3.2 弱胶结砂岩破坏形式分析

岩石单轴受压时，由于种种因素的影响，真实破裂形式是模糊不清的，根据大量的试验观察，常见的破坏形式主要有3种： X状共轭剪切破坏、单斜面剪切破坏和拉伸破坏[8]，见图11。

图11 单轴压缩下岩石破坏模式

对本次试验6个试件单轴压缩后破坏形式进行统计：单斜面剪切破坏4个，X状共轭剪切破坏2个，无拉伸破坏，见图12。统计结果见表1。

图12 试件破坏形式

试件编号岩 性峰值强度/MPa声发射曲线类型破坏形式I-1中砂岩48.75破裂型单斜面剪切I-2中砂岩18.15破裂型X状共轭剪切I-3中砂岩22.17破裂型X状共轭剪切D-1细砂岩74.34崩裂型单斜面剪切D-2细砂岩62.30崩裂型单斜面剪切D-3细砂岩51.02崩裂型单斜面剪切

本次试验共计6个弱胶结砂岩试件，分别为中砂岩3和细砂岩3个。从表1可见，中砂岩的单轴抗压强度较小，均值为29.69 MPa，细砂岩单轴抗压强度较高，均值达到62.55 MPa。根据前文分析，细砂岩的声发射特征曲线均为崩裂型，中砂岩声发射强度曲线则为破裂型。与之相对应，崩裂型声发射特征曲线的3个细砂岩试件的破坏形式为单斜面剪切破坏，破裂型声发射特征曲线的3个试件，其中有2个为X状共轭剪切破坏，单轴抗压强度较大的试件I-1为单斜面剪切破坏，其单轴抗压强度为48.75 MPa，为3个中砂岩试件中强度最大的一个。

根据上述关系，可以推断西部弱胶结砂岩破坏形式规律：①破坏形式分为单斜面剪切的试件，其单轴抗压强度一般比较高，破坏过程中声发射特征曲线呈现为崩裂型，在单轴抗压强度达到峰值短时间内发生劈裂，形成单一的破裂面，个别试件侧翼有拉张裂纹；②破坏形式为X状共轭剪切的试件，单轴抗压强度较低，破坏过程中，在进入屈服阶段开始逐渐形成较大裂缝，试件端部引起锥体发育，峰值强度时发生破裂，形成X状破裂面和锥体破裂块。

巷道失稳变形乃至顶板事故，究其本质是岩体内部损伤演化直至宏观破裂发生的过程。根据前文的结果，对于强度较高的细砂岩顶板或巷道围岩，受力初期不易发生变形破坏，岩体内部的裂隙发展较慢，应力不断集中，当应力聚集到一定程度，破裂面突然贯通，岩体破裂，通常表现为顶板突然断裂；强度较低的中砂岩顶板，在应力作用下，内部裂隙逐步扩展，随着应力增加尤其是进入塑性破坏阶段，内部裂隙不断发育，岩体逐步破坏，顶板破断。

在实际工程中，声发射监测系统或微震监测系统已经应用于许多煤矿。根据本研究提出的弱胶结砂岩崩裂型声发射特征曲线和破裂型声发射特征曲线，结合现场监测到的声发射或微震数据，总结岩石与岩体声发射事件区别和联系和巷道顶板变形失稳的前兆信息及特征，为顶板稳定性预报提供参考。

4 结 论

(1)西部弱胶结砂岩在单轴抗压过程中声发射特征曲线可以分为2种类型：崩裂型和破裂型。崩裂型曲线在试件压密阶段、弹性阶段以及屈服阶段声发射活动均较少，临近破坏前声发射活动骤增至峰值；破裂型曲线在进入裂隙稳定扩展阶段后，声发射活动呈台阶式稳定增长直至峰值。

(2)试件破坏形式分为单斜面剪切破坏、X状共轭剪切破坏2种。破坏形式和岩石的强度、质地有直接关系，强度大、质地较硬的细砂岩均为单斜面剪切破坏，强度小质地较软的中砂岩为X状共轭剪切破坏。岩石的破坏形式还与声发射特征曲线基本对应，单斜面剪切破坏试件的声发射特征曲线为崩裂型，X状共轭剪切破坏的声发射特征曲线为破裂型。

(3)西部弱胶结砂岩主要成分为石英、长石及云母碎屑，胶结物为泥质或钙泥质，强度弱。单轴压缩过程中，岩石内部孔隙收缩，岩石颗粒、胶结物颗粒之间接触面积增大，容易导致岩石内部局部闭合的裂纹表面发生滑移、不同区域之间的附着黏性变小等物理过程，并伴随着微裂隙的萌生。由此推测，崩裂型和破裂型声发射特征曲线在压密阶段和弹性阶段出现一定数量声发射活动与岩石的胶结类型有关。

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(责任编辑 徐志宏)

Acoustic Emission Characteristics and Failure Patterns of a Weak Cemented Sandstone under Uniaxial Compression:Xiaojihan Coal Mine in Shannxi as a Case

Wang Hong1,2,3,4Yang Tianhong1,2Xu Tao1,2Li Yang1,2Hou Xiangang1,2Zhao Yongchuan1,2

(1.Key Laboratory of Ministry of Education on Safe Mining of Deep Metal Mines，Shenyang 110819,China; 2.School of Resource & Civil Engineering，Northeastern University，Shenyang 110819，China; 3.Guizhou Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Non-metallic Mineral Resources，Guiyang 550025，China; 4.College of Mining，Guizhou University，Guiyang 550025，China)

In order to research the acoustic emission characteristics and failure patterns of the weak sandstones，uniaxial compression tests together with the acoustic emission monitoring tests on specimen from Xiaojihan Coal Mine are conducted.The test indicated that the characteristic curves of the acoustic emission of six specimens were summarized as the splitting type and the fracturing type.For splitting type curves，the acoustic emission events occurred rarely in the linear elastic and stable development of micro-cracks stage，while they occurred rapidly from the later yielding stage to earlier destruction stage，and still existing after the destruction stage.For fracturing type curves，in linear elastic and stable development of micro-cracks stage more acoustic emission events occurred than those of the splitting type curve，and in yielding stage acoustic emission events increased stepwise until the peak strength，moreover acoustic emission quiet period existed before the peak strength.Furthermore，the failure forms can be divided into single shearing failure and X-type conjugate failure.For single shearing failure，the specimens show higher strength relatively，and its form of failure generally corresponded to acoustic emission characteristic curve of splitting type.Meanwhile，for X-type conjugate failure，the specimens show lower strength，and its form of failure generally corresponded to acoustic emission characteristic curve of fracturing type.The results are of great significance for prediction of the roof deformation failure under high intensity mining.

Uniaxial compression，Acoustic Emission characteristics，Weak cementation，Failure mode

2014-09-01

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(编号：2013CB227902)。

汪 泓(1979—)，男，讲师，博士研究生。

TU45

A

1001-1250(2014)-11-039-07