牛心剛

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400037； 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司， 重慶 400037； 3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院， 安徽 淮南 232001)

0 引言

巖石破裂是其內(nèi)部的微裂隙萌生、擴(kuò)展、貫通，直至出現(xiàn)宏觀裂隙的過(guò)程，研究該過(guò)程對(duì)深部開(kāi)采中巖體動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)具有重要意義[1-2]。實(shí)際工程中很多巖體含有斷層、節(jié)理及裂隙等宏觀構(gòu)造，巖石受力破裂過(guò)程中伴隨有聲發(fā)射現(xiàn)象[3]，因此研究預(yù)制裂隙巖石破裂特征及破裂過(guò)程中聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律可為巖體動(dòng)力災(zāi)害預(yù)測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

眾多學(xué)者對(duì)巖石受力破裂特征及破裂過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律開(kāi)展了大量研究工作。付金偉等[4]利用透明樹(shù)脂材料制作雙裂隙試件，構(gòu)建了新型彈脆性本構(gòu)關(guān)系，詳細(xì)分析了試件的裂隙擴(kuò)展與貫通過(guò)程。李地元等[5]利用SHPB試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)含預(yù)制裂隙的矩形大理巖試樣進(jìn)行動(dòng)態(tài)沖擊試驗(yàn)，研究了端部裂隙形態(tài)對(duì)巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性及裂隙擴(kuò)展的影響。趙振等[6]研究了預(yù)制裂隙煤樣的破壞特征，發(fā)現(xiàn)了煤樣不同加載階段聲發(fā)射分形維數(shù)變化規(guī)律可作為煤巖動(dòng)力災(zāi)害的前兆信息。Yang Shengqi等[7-8]利用高速攝像技術(shù)研究了單裂隙及2條平行非共面裂隙砂巖的破裂失穩(wěn)過(guò)程，分析了裂隙傾角和長(zhǎng)度、巖橋傾角等對(duì)裂隙擴(kuò)展貫通及力學(xué)特性的影響。蘇海健等[9]對(duì)含縱向裂隙的砂巖進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，結(jié)果表明其峰值強(qiáng)度和峰值應(yīng)變隨裂隙長(zhǎng)度的增大先減小后增大，試樣沿裂隙尖端發(fā)生劈裂破壞。宋彥琦等[10]通過(guò)對(duì)預(yù)制裂隙大理巖試樣進(jìn)行加卸載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在不同加載條件下裂紋高發(fā)在與裂紋面夾角為-100～-130°的區(qū)域。賈炳等[11]探究了煤樣在加載過(guò)程中的聲發(fā)射響應(yīng)規(guī)律。張艷博等[12]基于頻譜分析和信息熵理論，采用單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)研究了干燥與飽水狀態(tài)下的煤矸石破裂全過(guò)程及多參數(shù)聲發(fā)射前兆信息變化規(guī)律。王林均等[13]采用單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)研究了多種脆性巖石破裂特征和聲發(fā)射信號(hào)規(guī)律，得到了巖石試件內(nèi)部顆粒間的膠結(jié)強(qiáng)度對(duì)聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)、聲發(fā)射能量的影響。左建平等[14]采用單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)研究了標(biāo)準(zhǔn)巖樣、標(biāo)準(zhǔn)煤樣和煤巖組合體的破裂特征和聲發(fā)射信號(hào)規(guī)律，得到了三者之間破壞機(jī)制的差異。

為了研究預(yù)制裂隙巖石失穩(wěn)破壞過(guò)程中聲發(fā)射特征，在上述研究的基礎(chǔ)上，筆者開(kāi)展了預(yù)制不同傾角裂隙巖石的單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了預(yù)制裂隙巖石變形破壞特征及聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律。

1 單軸壓縮試驗(yàn)

試驗(yàn)所用巖石取自淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司潘北煤礦細(xì)砂巖層，試驗(yàn)共制備8塊高度為100 mm、直徑為50 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件，分為4組，其中1組為完整試件，其余3組為預(yù)制傾角30，45，60°裂隙試件(預(yù)制裂隙傾角定義為裂隙與軸向加載方向的夾角)，如圖1所示。采用金剛石電動(dòng)切割機(jī)對(duì)試件預(yù)制裂隙，裂隙尺寸為長(zhǎng)60 mm、寬3 mm、深20 mm。試驗(yàn)采用RMT-150B剛性伺服控制壓力機(jī)和DS5-16B多通道聲發(fā)射監(jiān)測(cè)設(shè)備。

圖1 試件制備Fig.1 Specimens preparation

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線及宏觀破壞形態(tài)

完整及預(yù)制裂隙試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及宏觀破壞形態(tài)如圖2所示。

由圖2(a)可知：完整試件抗壓強(qiáng)度較大，為64.45 MPa，峰后應(yīng)力-應(yīng)變表現(xiàn)出應(yīng)變脆性特征，軸向應(yīng)變較大，為0.016 0；完整試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線由壓密階段、彈性階段、塑性階段和殘余變形階段構(gòu)成；完整試件的破壞類型以拉伸劈裂破壞為主。

由圖2(b)可知：在相同載荷作用下，預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生的應(yīng)力集中使試件更易發(fā)生破壞，進(jìn)而影響60°預(yù)制裂隙試件抗壓強(qiáng)度，表現(xiàn)為試件抗壓強(qiáng)度降低，為49.35 MPa，峰后應(yīng)變脆性特征有所增強(qiáng)，軸向應(yīng)變減小，為0.014 4；60°預(yù)制裂隙試件的新生裂隙擴(kuò)展形式[15]主要為預(yù)制裂隙兩端產(chǎn)生拉伸翼裂隙及剪切反翼裂隙并擴(kuò)展至試件頂?shù)撞浚?0°預(yù)制裂隙試件的破壞類型以預(yù)制裂隙兩端的拉伸破壞為主，剪切破壞為輔。

由圖2(c)可知：由于45°預(yù)制裂隙走向與加載方向較60°預(yù)制裂隙更加傾向于平行，預(yù)制裂隙尖端應(yīng)力集中增強(qiáng)，致使45°預(yù)制裂隙試件抗壓強(qiáng)度較60°預(yù)制裂隙試件降低，為38.53 MPa，峰后應(yīng)力-應(yīng)變也表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變脆性特征，軸向應(yīng)變進(jìn)一步減小，為0.011 4；45°預(yù)制裂隙試件的新生裂隙擴(kuò)展形式主要為預(yù)制裂隙上端產(chǎn)生拉伸翼裂隙及拉剪復(fù)合反翼裂隙并擴(kuò)展至試件頂?shù)撞浚A(yù)制裂隙下端產(chǎn)生剪切次生裂隙并擴(kuò)展至試件底部；45°預(yù)制裂隙試件的破壞類型以預(yù)制裂隙兩端的拉剪復(fù)合型破壞為主。

由圖2(d)可知：由于30°預(yù)制裂隙走向與加載方向傾向于平行，試件易沿預(yù)制裂隙發(fā)生剪切滑移破壞，致使30°預(yù)制裂隙試件抗壓強(qiáng)度比60°和45°預(yù)制裂隙試件都小，為30.94 MPa，峰后應(yīng)力-應(yīng)變也表現(xiàn)出較強(qiáng)的應(yīng)變脆性特征，軸向應(yīng)變進(jìn)一步減小，為0.011 0；30°預(yù)制裂隙試件的新生裂隙擴(kuò)展形式主要為預(yù)制裂隙兩端產(chǎn)生剪切翼裂隙和剪切次生裂隙并擴(kuò)展至試件頂?shù)撞浚?0°預(yù)制裂隙試件的破壞類型以預(yù)制裂隙兩端的純剪切破壞為主。

(a) 完整試件

(b) 60°預(yù)制裂隙試件

綜合上述分析可得：壓力機(jī)加載過(guò)程中，試件易在預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，宏觀表現(xiàn)為預(yù)制裂隙處新生裂隙的萌生、擴(kuò)展及試件的最終脆性斷裂；隨著預(yù)制裂隙傾角的減小，試件的破壞特征由拉伸劈裂破壞向剪切滑移破壞轉(zhuǎn)變。

2.2 聲發(fā)射特征

各預(yù)制裂隙試件單軸壓縮破壞過(guò)程應(yīng)力-時(shí)間曲線、聲發(fā)射能量及振鈴計(jì)數(shù)變化曲線如圖3所示。在預(yù)制裂隙試件的壓密階段，壓力機(jī)的加載應(yīng)力較小，原生裂隙變形閉合，次生裂隙萌生發(fā)育，此階段形成的微裂隙較少，裂隙間的摩擦錯(cuò)動(dòng)和拉剪破壞能力弱，試件破壞產(chǎn)生的彈性波較少，裂隙壓密、萌生和擴(kuò)展規(guī)模處在微觀級(jí)別，此時(shí)聲發(fā)射能量和振鈴計(jì)數(shù)處于較低水平。隨著壓力機(jī)的加載應(yīng)力升高，壓力機(jī)輸入的能量以彈性能形式儲(chǔ)存在試件中，此時(shí)原生裂隙壓密和新生裂隙萌生擴(kuò)展。預(yù)制裂隙傾角分別為60，45，30°時(shí)，聲發(fā)射能量和振鈴計(jì)數(shù)首次出現(xiàn)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別為101，75，37 s，軸向應(yīng)力分別為25.6，18.9，9.2 MPa。由此可見(jiàn)，隨著預(yù)制裂隙傾角的減小，試件首次出現(xiàn)宏觀裂隙(聲發(fā)射能量和振鈴計(jì)數(shù)首次出現(xiàn)峰值點(diǎn))時(shí)的時(shí)間提前、所需加載的軸向應(yīng)力變小。這是由于隨著預(yù)制裂隙傾角減小，試件的破壞特征由拉伸劈裂破壞向剪切滑移破壞轉(zhuǎn)變，破裂面間的摩擦效應(yīng)增強(qiáng)，試件破壞釋放的彈性波增多。試件表面首次出現(xiàn)宏觀裂隙時(shí)，儲(chǔ)存在試件中的彈性能以試件表面宏觀裂隙薄弱面為釋放通道進(jìn)行釋放，試件發(fā)出爆鳴聲，聲發(fā)射能量和振鈴計(jì)數(shù)呈突變?cè)鲩L(zhǎng)，表現(xiàn)為“孤震”型。

預(yù)制裂隙試件聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線如圖4所示?？煽闯隼塾?jì)振鈴計(jì)數(shù)隨加載時(shí)間的增加呈非線性上升趨勢(shì)，其中30°預(yù)制裂隙試件聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)隨加載時(shí)間的增加上升最快，60°預(yù)制裂隙試件聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)隨加載時(shí)間的增加上升最慢。這主要是由于30°預(yù)制裂隙兩端產(chǎn)生的新生裂隙數(shù)量最多、擴(kuò)展速度最快，能量釋放最劇烈；60°預(yù)制裂隙走向與加載方向傾向于垂直，60°預(yù)制裂隙兩端產(chǎn)生的新生裂隙數(shù)量較30，45°預(yù)制裂隙兩端多，但新生裂隙擴(kuò)展速度最緩慢，能量釋放最弱。

3 結(jié)論

(1) 預(yù)制裂隙的存在影響巖石試件的抗壓強(qiáng)度和變形破壞特征，主要表現(xiàn)為隨著預(yù)制裂隙傾角的減小，試件的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，達(dá)到峰值應(yīng)力的時(shí)間逐漸縮短，破壞時(shí)的軸向應(yīng)變逐漸減小，試件的破壞特征由拉伸劈裂破壞向剪切滑移破壞轉(zhuǎn)變。

(a) 60°預(yù)制裂隙試件

(b) 45°預(yù)制裂隙試件

(c) 30°預(yù)制裂隙試件

圖4 預(yù)制裂隙試件聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)曲線Fig.4 Cumulative acoustic emission ringing count curve of prefabricated fissure specimens

(2) 隨著預(yù)制裂隙傾角的減小，試件首次出現(xiàn)聲發(fā)射能量和振鈴計(jì)數(shù)峰值的時(shí)間提前、所需加載的軸向應(yīng)力減??；聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)隨加載時(shí)間的增加呈非線性上升趨勢(shì)，且預(yù)制裂隙傾角越小，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)上升速率越快。