刘永立， 李 龙

(黑龙江科技大学 矿业工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

地下水侵入会引起岩石力学性质及破坏特征发生变化，导致矿井巷道原有支护失效，围岩片帮、冒顶等事故频发，围岩含水率的变化是事故发生的主要原因。周子龙等[1-3]开展了不同含水率岩样的单轴压缩实验，通过分析实验数据，证明了水对岩石力学性质有“软化”作用。D.C.Zhang等[4]研究了砂岩饱和度对岩石启裂应力以及弹性模量等的影响。段宏飞等[5]人研究了饱水时间增加对砂岩抗压软化的影响。冯小东等[6]开展了干燥、天然以及饱和3种含水状态下砂岩单轴分级循环加卸载实验，分析了不同含水率砂岩在循环荷载作用下的能量、损伤、力学行为差异。上述科研成果是从岩石受载角度分析不同含水率对岩石的破坏特征及力学性质的影响。随着科技的进步，以计算机、声发射及数值模拟等手段开展含水率对砂岩破坏特征影响的研究越来越多，姚强岭等[7]发现，随着砂岩含水率的不断提高，声发射计数峰值相比岩石强度峰值有明显的滞后性。张安斌等[8]通过对不同含水率砂岩的单轴全程声发射检测实验，探明了随含水率变化的岩石变形特征、损伤破裂程度、破裂全程能量释放水平、破坏类型规律，分析了水环境作用下砂岩单轴压缩力学特性和损伤规律。孙林等[9]通过开展不同饱和度砂岩单轴声发射实验，探究了不同含水率砂岩的渐进破坏过程规律。高保彬等[10]将声发射计数曲线出现波动上升→突降→最大值的现象称为煤岩动力灾害前兆信息。李刚等[11]通过FLAC3D软件分析了软岩巷道围岩随岩石含水情况的不同应力分布的变化规律。

岩石脆性破坏是宏观现象，裂隙发育为微观现象。上述研究从单一的岩石受载破坏宏观或微观现象入手，没有展现岩石的全部力学破坏特征，不能有效地指导矿井工程实践。笔者通过不同含水率砂岩的单轴压缩声发射实验，分析岩石脆性破坏及裂隙发育特征变化规律，从宏观和微观两方面综合考虑岩石的破坏特征。为预防和治理煤矿因岩石含水率变化导致的工程技术问题提供理论数据与技术支持。

1 研究方案

基于岩石力学和声学理论，设计了不同含水率砂岩单轴压缩和声发射监测实验，综合分析实验数据 ，探明了砂岩含水率变化引起砂岩破坏的岩石力学和声学特征变化规律。实验步骤：

(1)调研矿井典型砂岩巷道施工存在的安全技术问题，钻取砂岩巷道标本，加工成型标准岩样；

(2)通过岩样超声波检测，选出均质度、密度相近的标准岩样，并将选出的岩样开展自然饱水实验，获得不同含水率的砂岩试件；

(3)通过单轴压缩声发射监测实验获得实验数据；

(4)分析岩石应力、应变及声发射监测实验数据，获得含水率影响砂岩脆性与岩样裂隙发育特征的规律。技术路线见图1。

图1 技术路线Fig. 1 Technical route

2 岩样制备与实验

2.1 岩样制备

应用岩样切割机和双面磨石机，把砂岩加工成φ50 mm×100 mm的圆柱形试件。试件规格满足国际岩石力学学会(ISRM)规范标准。为避免岩样密度及均质度异常影响实验结果，采用Sonic Viewer-SX岩样超声波速测试系统检测试件[12]，将波速相近的试件挑出，用于岩样自然饱水实验。

将挑出的标准试件称重后放入恒温烘干箱中，恒温105 ℃烘干24 h，获得含水率为0的标准岩样及砂岩的自然含水率。将烘干后的岩样放在干燥容器内冷却。冷却后，把标准岩样放入20 ℃的纯净水中，每隔2 h取出，用湿毛巾擦去岩样表面水分，测量其重量变化，计算其含水率。砂岩在自然状态下的含水率为5.08%。为了研究干燥状态砂岩脆性破坏特征及自然含水状态下砂岩吸水后岩石脆性破坏特征的变化规律，分别预制含水率为0、5.08%、5.18%、5.86%的4种标准砂岩岩样作为实验对象。岩样制备流程见图2。

图2 岩样制备流程Fig. 2 Rock sample preparation flow

2.2 实验

应用TAW-2000岩石试验机对4种含水率砂岩岩样开展单轴压缩实验，采用缓慢加压的方式，设定轴向加压速率为0.02 mm/s，直至岩样破裂。应用SH-II声发射采集系统开展岩样加载过程同步声发射监测实验，通过设置独立通道接收传感信号，分析岩样的裂隙发育特征。TAW-2000岩石试验机与SH-II声发射采集系统组成的实验装置见图3。

图3 实验系统Fig. 3 Experiment system

3 实验结果与分析

3.1 应力-应变曲线

不同含水率砂岩单轴压缩实验数据见表1，其中：σp为岩石单轴抗压强度，σr为岩石残余强度，εp为应力达到峰值时对应的应变，εr为岩石残余应变，E为岩石的弹性模量，tp为峰值应力加载时间，t为全部加载时间。应力-应变曲线见图4。分析表1和图4实验数据，得出砂岩在单轴压缩作用下经历了弹性变形、塑性变形及破坏3个阶段，不同含水率砂岩单轴压缩实验的应力-应变曲线趋势相似。随着含水率的增加，砂岩单轴抗压强度逐渐减小，总应变逐渐增加，弹性模量(E)逐渐减小，总加载时间逐渐增加。含水率为0及5.08%时，应力-应变曲线塑性阶段不明显，峰前曲线具有明显的塑-弹性变形特征；含水率为5.18%及5.86%时，应力-应变曲线峰前部分呈S型，出现应变硬化现象，岩石的应力-应变曲线塑性阶段特征明显，即该曲线在峰前整体表现为塑-弹-塑性变形性质。

表1 不同含水率砂岩单轴压缩实验数据

Table 1 Test data of uniaxial compression of sandstonewith different water content

含水率/%σp/Mpaσr/Mpaεp/mmεr/mmE/GPatp/st/s085.4874.621.261.2817864.1865.335.0861.5141.261.401.498971.2074.705.1849.3242.231.781.837390.3392.865.8639.1819.322.012.2349101.90110.00

图4 不同含水率砂岩应力-应变曲线Fig. 4 Stress-strain curves of sandstone with different moisture content

3.2 岩石脆性破坏

岩石脆性破坏是指在外力作用下产生很小的变形就发生破坏，失去承载能力的现象。曹洋兵等[13]研究认为：岩石变形破坏全过程的脆性特征分为应力峰前和峰后两部分；峰值应变与岩石峰前脆性呈负相关关系，峰后应力跌落及应变增长速率与峰后脆性呈正相关关系；式(1)为岩石脆性指标表达式，式(2)、(3)分别为应力峰前、峰后脆性指标表达式。

B=Bd1+Bd2，

(1)

(2)

(3)

式中：B——岩石脆性指标；

Bd1——岩石峰前脆性指标；

Bd2——岩石峰后脆性指标；

K——常数，设立K的目的在于防止Bd1相对于Bd2相差过大使Bd2被失去作用价值。

式(2)和(3)表达脆性指标变化的规律并不同步，Bd1值增大代表脆性减弱，Bd2值增大代表脆性增强，所以需要统一Bd1和Bd2对脆性表达的变化规律。利用岩石峰值应变与脆性负相关的性质，建立峰前脆性指标表达式，即：

(4)

(5)

将表1数据代入式(3)～(5)中可得不同含水率砂岩脆性指标B′值，见表2。分析表2相关数据可知，含水率越高，B′值越低，说明砂岩随着含水率的增加岩石脆性逐渐减弱。由表1中εr的变化可以看出，在岩样尺寸相同时，εr随着含水率的增加逐渐增大，岩石塑性逐渐增强。

表2 不同含水率砂岩脆性指标

Table 2 Brittleness indexes of sandstone withdifferent moisture content

含水率/%B'd1Bd2B'00.400.120.525.080.270.110.395.180.160.070.235.860.130.080.21

3.3 裂隙发育特征

脆性岩石在破坏时产生的裂隙主要分为拉张裂隙和剪切裂隙，声发射参数δ是指声发射撞击上升时间与幅度的比值，单位为s/dB。其大小代表了岩石在压缩过程中内部产生的破裂类型。较低δ值对应剪切裂隙，而较高δ值对应张拉裂隙[14]。不同含水率的砂岩单轴压缩实验声发射δ-能量-应力随时间的变化关系如图5所示。

由图5可知，砂岩内部裂隙发育可分为5个阶段：I裂隙压密阶段、II裂隙萌生阶段、III裂隙融合阶段、IV裂隙贯通阶段、V峰后阶段。当含水率为0和5.08%时，加载前期，声发射活动较为活跃、密度较高，δ值密集且高低交错分布，有一定的AE能量释放，说明低含水率砂岩在加载曲线压密阶段经历了裂隙发育的I和II两个阶段。当含水率为5.18%和5.86%时，在砂岩加载曲线压密阶段只产生少量低δ值，说明此时岩石内部只产生少量剪切微裂隙，对应砂岩裂隙发育I阶段；岩石加载曲线弹性阶段δ值分布密度增大，但值较小，对应岩石内部裂隙发育II阶段。

图5 不同含水率砂岩δ-应力-能量随时间的变化Fig. 5 Stress-energy versus time variation δ-sandstone with different moisture content

当含水率为0的砂岩加载到应力峰值前后，δ值先增后降，岩样先出现部分张拉破裂，再出现整体剪切破裂、失稳。岩样破坏前后δ值起伏变化较大，说明拉伸与剪切破坏互为岩石损伤条件。岩石剪切破坏后再次产生拉伸破坏，如图6a所示。

当含水率为5.08%时，应力峰值处δ值较低，AE事件数较高，此时岩石内部裂隙以剪切裂隙贯通并宏观破裂，岩石峰后阶段又经历了张拉-剪切混合破坏。破碎部分块度较小，整体较破碎。如图6b所示。

含水率为5.18%和5.86%的砂岩在裂隙发育IV阶段时，高低δ值均有分布，以低δ值为主，说明含水率较高的砂岩在塑性阶段剪切裂隙较多，伴生拉伸裂隙。

含水率为5.18%的砂岩在应力峰值处δ值较低，但能量释放较高，说明岩石内部以剪切裂隙破坏为主，岩石破坏后δ值先增后降，岩石内部又进行了以张拉为主的残余破坏，导致岩石左半角崩落,如图6c所示。

含水率为5.86%的砂岩在应力峰值处高低δ值均有分布，岩石内部裂隙发育最终以剪切-张拉混合破坏贯通，但能量和AE计数则在峰后出现峰值，说明岩石在峰后裂隙发育程度增高，残余强度降低幅度大，破碎程度增加，峰后破坏形式多为拉伸破坏，如图6d所示。

图6 不同含水率砂岩的破裂状态 Fig. 6 Breakdown of sandstone with different moisture content

4 结 论

(1)随着砂岩含水率的增加，岩石单轴抗压强度逐渐降低，总应变逐渐增大，脆性降低，破碎程度逐渐增加，应力峰前变形性质由塑-弹性变形逐渐向塑-弹-塑性变形过渡。

(2)含水率较高时，砂岩出现了塑性破坏，塑性阶段裂隙发育表现为剪切裂隙为主，张拉裂隙为辅，损伤程度发展迅速，高含水率砂岩因塑性破坏加深了岩石的破碎程度。

(3)砂岩含水率的增加，延缓了裂隙萌生进程，缩短了裂隙汇聚贯通阶段过程，主破坏形式由剪切破坏过渡为张-剪混合破坏。

(4)随着砂岩含水率的增加，应力峰后声发射活动增强，残余强度降低，破碎程度增加，对保持巷道围岩整体强度不利。