王宇恒，楊浩興，夏冬, ，梁冰, ，賈淯斐

(1.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院， 河北 唐山市 063210；2.華北理工大學(xué) 河北省礦業(yè)開發(fā)與安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 唐山市 063210；3.河北省礦區(qū)生態(tài)修復(fù)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院， 河北 唐山市 063210)

0 引言

隨著淺部資源量的逐漸減少，更多的礦山轉(zhuǎn)入地下、深部開采，這不可避免地遇到高地應(yīng)力、高溫、高滲流等問題，在影響巖體工程穩(wěn)定的諸多因素中，水是最活躍的因素之一[1]。為實(shí)現(xiàn)采礦業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，許多礦山開始轉(zhuǎn)向深部開采，隨著開采深度的增加，部分受開采擾動的圍巖長期處于飽水狀態(tài)，水通過其復(fù)雜的水巖耦合作用對巖石產(chǎn)生不同程度的劣化作用，水巖耦合問題日漸突出，嚴(yán)重威脅礦山的安全生產(chǎn)[3]，因此，對長期處于飽水狀態(tài)下巖石損傷演化的研究應(yīng)予以足夠的重視。

眾多學(xué)者在水對巖石損傷劣化方面開展了系統(tǒng)的研究工作，并取得了大量有價值的研究成果。鄧華鋒等[5]通過對水庫岸邊浸水-風(fēng)干循環(huán)作用下砂巖的研究，建立了浸水-干燥循環(huán)作用下砂巖的損傷統(tǒng)計本構(gòu)方程；方杰等[6]對不同含水率的泥質(zhì)粉砂巖開展了損傷演化過程中的聲發(fā)射試驗(yàn)，分析了含水率對該巖石強(qiáng)度損傷及裂隙擴(kuò)展的影響規(guī)律；張二鋒等[7]對不同含水率的泥質(zhì)粉砂巖損傷劣化規(guī)律開展了系統(tǒng)的研究工作后，建立了能反映不同含水率的損傷本構(gòu)方程；宋勇軍等[8]基于核磁共振技術(shù)對干濕作用下弱膠結(jié)砂巖的損傷特征進(jìn)行了系統(tǒng)分析；陳子全等[9]對北疆侏羅系與白堊系泥質(zhì)砂巖在破裂失穩(wěn)過程中能量損傷演化機(jī)制進(jìn)行了分析；王凱等[10]基于單軸巖石試驗(yàn)，推導(dǎo)不同含水率條件下煤體的損傷統(tǒng)計本構(gòu)模型；朱珍德等[11]基于損傷力學(xué)理論，初步建立了巖石遇水后的損傷演化方程；來興平等[12]基于能量與聲發(fā)射振鈴貢獻(xiàn)量率分析了含水承載煤巖損傷演化過程。

綜合分析前人研究成果可知，目前眾多學(xué)者在水對巖石損傷劣化方面的研究主要集中于含水率、水化學(xué)、干-濕循環(huán)等方面，對于深部水文地質(zhì)條件復(fù)雜礦山而言，部分受開采擾動的圍巖長期處于飽水狀態(tài)，長期飽水對巖石、巖體的質(zhì)量均會產(chǎn)生一定的損傷劣化作用[13]，而對于長期飽水作用下巖石損傷演化特征的研究相對不足。鑒于此，本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上，以中關(guān)鐵礦蝕變閃長巖為研究對象，將浸水時間作為影響巖石損傷破裂過程的重要影響因素，開展不同浸水時間飽水巖石的縱波波速測試、單軸壓縮條件下的力學(xué)試驗(yàn)和聲發(fā)射試驗(yàn)、抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，并基于不同浸水時間飽水巖石的縱波波速、彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、聲發(fā)射能量累積數(shù)衰減表征的損傷變量與不同時段損傷變量日均占比為表征參數(shù)，揭示浸水時間與飽水巖石損傷間的內(nèi)在關(guān)系，為大水礦山疏干排水及飽水圍巖穩(wěn)定性分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方案

1.1 試樣制備

試驗(yàn)樣品為取自中關(guān)鐵礦地下600 m深度處的蝕變閃長巖，取樣后按相關(guān)規(guī)程[19]加工成滿足試驗(yàn)要求的標(biāo)準(zhǔn)巖樣，加工好的部分巖樣如圖1所示。

礦物成分是影響巖石強(qiáng)度的一個重要因素，而水會通過改變巖石內(nèi)部礦物形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)以降低巖石的強(qiáng)度，通過觀察巖石內(nèi)礦物成分與微觀結(jié)構(gòu)，可更好地分析其劣化的原因。通過分析可知，巖樣為中性巖漿巖，具原始晶洞，巖樣中斜長石、堿性長石、石英和角閃石的含量分別約為 45%、25%、10%和 25%，其中角閃石可見綠泥石化，堿性長石可見高嶺土化。

圖1 部分巖石試件

1.2 試驗(yàn)方案

將飽水后的巖樣分別浸水1 d、7 d、14 d、30 d、60 d、90 d，得到不同浸水時間的飽水巖樣。之后對經(jīng)上述處理的巖樣進(jìn)行縱波波速、單軸抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、彈性模量和聲發(fā)射試驗(yàn)，并基于試驗(yàn)結(jié)果分析浸水時間對飽水巖石破裂失穩(wěn)過程中損傷特征的影響規(guī)律，試驗(yàn)技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 技術(shù)路線圖

2 基于多參量表征的損傷變量

2.1 基于縱波波速衰減表征的損傷變量

縱波在巖石中的傳播速度與巖石的礦物成分和其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，地下水的長期作用對巖石的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而也會影響到縱波在其內(nèi)部的傳播速度，對于含黏土礦物巖石的影響更為明顯[20]。試驗(yàn)測得干燥與飽水閃長巖巖樣縱波波速的平均值分別為4495 m/s和4889 m/s，不同浸水時間各飽水巖樣縱波波速及其均值見表1。

表1 不同浸水時間飽水閃長巖縱波波速試驗(yàn)結(jié)果[21]

Kawamoto等基于巖石各向同性的假設(shè)，定義了損傷變量與縱波波速間的定量關(guān)系式[22]：

式中，Dv為基于縱波波速衰減表征的損傷變量；vt為不同浸水時間飽水巖樣的縱波波速，m/s；v0為飽水巖樣的縱波波速，m/s(假設(shè)飽水巖樣為無損傷巖樣，下同)。

巖石是一種不均勻的各向異性材料，內(nèi)部含有裂紋和孔隙等微缺陷，這些缺陷及各向異性的性質(zhì)會引起波在傳播過程中產(chǎn)生反射、折射和衍射等現(xiàn)象，導(dǎo)致波速下降，而巖石飽水后可在一定程度上彌補(bǔ)微缺陷造成波速的下降。因此，本文以飽水巖石的縱波波速作為完整巖石的縱波波速進(jìn)行計算，Dv與浸水時間的對應(yīng)關(guān)系如圖3所示。

圖3 Dv與浸水時間關(guān)系曲線

由圖3可見，浸水1 d～30 d時，Dv隨浸水時間的增加迅速增大，在30 d時，Dv為0.11，30 d之后隨著浸水時間的增加，損傷變量緩慢增加，在第60 d時增加到0.12，相比第30 d增加了9.1%，在浸水第 90 d時損傷變量增加到 0.13，比浸水第30 d時增加了18.18%?？傮w來看，隨著浸水時間的增加，Dv值逐漸升高，但其數(shù)值較小。

浸水時間對巖石波速的影響主要是由于巖石內(nèi)部含有泥質(zhì)礦物，巖石飽水后導(dǎo)致內(nèi)部泥質(zhì)礦物吸水膨脹，使巖石產(chǎn)生軟化作用，從而降低了縱波在巖石內(nèi)部的傳播速度；巖石飽水到90 d時，巖石內(nèi)部可吸水膨脹的泥質(zhì)礦物基本完全軟化，縱波波速降低趨勢減緩，與初始飽水時的波速相比平均降低了6.65%，其中在初始飽水的30 d內(nèi)，軟化現(xiàn)象最為顯著，縱波波速降低趨勢最大，與初始飽水時波速相比降低了5.71%，占波速降低總量的85.85%。由此可以看出，巖石飽水后初始的30 d內(nèi)對巖石軟化作用最為顯著；之后隨時間的逐漸增加，巖石進(jìn)入緩慢吸水軟化階段，縱波波速降低緩慢，浸水軟化影響逐漸減小。

2.2 基于彈性模量衰減表征的損傷變量

試驗(yàn)結(jié)果表明，浸水時間對飽水巖石彈性模量具有顯著的降低作用，隨浸水時間的增長，巖樣彈性模量逐漸降低，天然、飽水、飽水后浸水1 d、7 d、14 d、30 d、60 d、90 d時巖樣的彈性模量分別為20.44 GPa、18.05 GPa、16.50 GPa、14.60 GPa、12.40 GPa、11.30 GPa、8.26 GPa、7.35 GPa[13]?？紤]全應(yīng)力為有效應(yīng)力，其作用在完好材料和有損材料中的應(yīng)變等價，基于連續(xù)統(tǒng)計損傷力學(xué)，根據(jù)前人工作，得出基于彈性模量衰減表征的損傷演化方程：

式中，DE為基于彈性模量衰減表征的損傷變量；Et為不同浸水時間飽水巖樣的彈性模量，GPa；E0為飽水巖樣的彈性模量，GPa。

將飽水巖樣的彈性模量假設(shè)為完好巖石的彈性模量，其損傷變量視為 0，對不同浸水時間飽水巖樣的彈性模量進(jìn)行計算及擬合，可得DE與浸水時間的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示。

圖4 DE與浸水時間關(guān)系曲線

由圖4可見，浸水時間為1 d、7 d、14 d、30 d、60 d和90 d時，DE的值分別為0.09，0.19，0.31，0.37，0.54和0.59，這說明浸水時間對飽水巖樣的彈性模量影響顯著，隨浸水時間的增加，DE呈增大趨勢，但并非線性增加，在浸水90 d的時段內(nèi)，浸水 1 d、1 d～7 d、7 d～14 d、14 d～30 d、30 d～60 d、60 d～90 d時，DE日平均占比分別為15.25%、2.42%、2.90%、2.91%、1.53%和0.28%。由DE日平均占比的變化趨勢可知，巖樣由飽水到浸水 1 d的的過程中，DE日均占比最大，浸水1 d～30 d的過程中，DE日均占比與前一時間段基本一致，而浸水時間超過60 d后，DE日均占比呈下降趨勢。綜合分析不同浸水時間DE數(shù)值及DE日均占比情況可知，飽水巖樣在浸水初期，水對巖樣的損傷程度較大，隨浸水時間的延長，水對巖樣的損傷程度逐漸減小，但DE的累積值呈遞增趨勢，這就說明隨浸水時間的延長，水對巖石造成的損傷持續(xù)增大。

2.3 基于抗壓強(qiáng)度衰減表征的損傷變量

水對巖石抗壓強(qiáng)度具有不同程度的影響，而對于含泥質(zhì)礦物成分巖石的影響更為顯著，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知，天然、飽水、浸水1 d、7 d、14 d、30 d、60 d、90 d巖石的單軸抗壓強(qiáng)度分別為：166.90 MPa、148.38 MPa、141.90 MPa、135.60 MPa、131.00 MPa、101.88 MPa、92.37 MPa、90.20 MPa[13]。為建立基于抗壓強(qiáng)度表征的巖石損傷模型，根據(jù)前人研究成果得出的基于抗壓強(qiáng)度衰減表征的損傷演化方程：

式中，Dσ為基于抗壓強(qiáng)度表征的損傷變量；σct為不同飽水時間巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；σc為飽水巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa。

假設(shè)飽水狀態(tài)巖樣為未受損巖樣，其損傷變量可視為 0，根據(jù)前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得到的擬合曲線如圖5所示。

由圖5可見，浸水時間對Dσ具有顯著的影響，浸水時間為1 d、7 d、14 d、30 d、60 d、90 d的損傷變量值分別為 0.044，0.086，0.117，0.314，0.378，0.392，總體來說，隨著浸水時間的增加，Dσ值增大，在浸水60 d后趨于穩(wěn)定。為更直觀地顯示浸水時間與Dσ的關(guān)系，對不同時段內(nèi)Dσ的日均值進(jìn)行計算，可得巖樣由飽水到浸水1 d、1 d～7 d、7 d～14 d、14 d～30 d、30 d～60 d和60 d～90 d后，Dσ日均占比分別為11.12%、1.54%、1.12%、3.14%、0.54%和0.12%。由Dσ的日均占比情況可知，浸水1 d內(nèi)，水對巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的破壞極為嚴(yán)重，進(jìn)而對其抗壓強(qiáng)度產(chǎn)生明顯的劣化作用；浸水1 d～30 d這一時間段內(nèi)，累積損傷與日均損傷也相對較高，這說明水對巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞具有較強(qiáng)的時間相關(guān)性；浸水時間超過60 d后，水對巖石的損傷逐漸減小，具體表現(xiàn)為Dσ的日均占比較小。

圖5 Dσ與浸水時間關(guān)系曲線

2.4 基于抗拉強(qiáng)度衰減表征的損傷變量

浸水時間對飽水巖石的抗拉強(qiáng)度也會產(chǎn)生一定的影響，天然、飽水、飽水后浸水1 d、7 d、14 d、30 d、60 d、90 d狀態(tài)下巖樣的抗拉強(qiáng)度分別為13.84 MPa、12.33 MPa、11.71 MPa、11.27 MPa、10.85 MPa、10.32 MPa、10.11 MPa、9.94 MPa。假設(shè)飽水巖樣為無損巖樣，則為建立基于抗拉強(qiáng)度衰減表征的巖石損傷模型，可采用式（4）計算巖石的損傷變量：

式中，Dτ為基于抗拉強(qiáng)度表征的損傷變量；στt為不同浸水時間巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa；στ為飽水巖石的抗拉強(qiáng)度，MPa。對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得浸水時間與Dτ關(guān)系曲線如圖6所示。

由圖6可見，Dτ在浸水1 d~14 d時曲線斜率極大，損傷變量增加速率較快，浸水1 d、7 d、14 d、30 d、60 d和90 d后的Dτ分別為0.05，0.09，0.12，0.16，0.18和0.19。為更直觀地反映不同浸水時間段內(nèi)每日Dτ的變化情況，對比分析Dτ的日均占比，巖樣由飽水到浸水 1 d、1 d～7 d、7 d～14 d、14 d～30 d、30 d～60 d、60 d～90 d時，其Dτ日均占比分別為26.32%、3.00%、2.26%、1.32%、0.35%和0.18%。綜合分析上述數(shù)據(jù)可知，巖樣由飽水到浸水1 d這一時段內(nèi)，水對巖石造成了極為嚴(yán)重的損傷，浸水超過60 d后，水對巖石造成的損傷程度較小。

圖6 Dτ與浸水時間關(guān)系曲線

2.5 基于聲發(fā)射能量累積數(shù)衰減表征的損傷變量

浸水時間對飽水巖石聲發(fā)射累積數(shù)及基于聲發(fā)射累積數(shù)表征的損傷變量均具有顯著影響，隨浸水時間的增加，聲發(fā)射累積數(shù)呈現(xiàn)不同程度的降低而損傷變量逐漸增大[13]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，浸水時間對聲發(fā)射能量累積數(shù)同樣具有顯著影響，飽水及浸水時間分別為1 d、7 d、14 d、30 d、60 d、90 d飽水巖樣的聲發(fā)射能量累積數(shù)分別為 10.85×106aJ、9.78×106aJ、9.20×106aJ、8.76×106aJ、8.21×106aJ、7.96×106aJ、7.82×106aJ，根據(jù)上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得聲發(fā)射能量累積數(shù)與浸水時間的關(guān)系為：

式中，E(t)為飽水巖樣在不同浸水時間條件下聲發(fā)射能量累積數(shù)，aJ；A、B、C為擬合參數(shù)，其中A=-0.2318、B=11.6992、C=0.2684。

根據(jù)夏冬等[13]的研究成果，可得聲發(fā)射能量累積數(shù)與浸水時間存在下列關(guān)系：

式中，DE(t)為基于聲發(fā)射能量衰減表征的損傷變量；Em為飽水巖樣聲發(fā)射能量累積數(shù)，aJ。

根據(jù)上述函數(shù)關(guān)系式及不同浸水時間飽水巖石聲發(fā)射能量累積數(shù)，可得DE(t)與浸水時間關(guān)系曲線如圖7所示。

由圖7可見，損傷變量隨浸水時間的延長而增大，浸水1 d、7 d、14 d、30 d、60 d、90 d后DE(t)值分別為 0.095，0.148，0.189，0.241，0.266，0.279，由此可知，其增加速度并不一致，浸水初期DE(t)值增加幅度較大，當(dāng)浸水時間超過30 d后，增速較小且損傷變量逐漸趨于定值。為對比不同時間段內(nèi)DE(t)的日均增長情況，對不同時段DE(t)的占比進(jìn)行計算，浸水 1 d、1 d～7 d、7 d～14 d、14 d～30 d、30 d～60 d、60 d～90 d后，飽水巖樣DE(t)的日均占比分別為34.05%、2.71%、2.09%、1.16%、0.29%和0.16%。對比分析各時間段損傷變量占比情況可以發(fā)現(xiàn)，浸水初期，水對飽水巖樣造成的損傷較大。

圖7 DE(t)與浸水時間關(guān)系曲線

3 基于多參量表征的損傷變量對比分析

為分析浸水時間與Dv、DE、Dσ、Dτ和DE(t)間的定量對比關(guān)系，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制各損傷變量-浸水時間關(guān)系曲線如圖8所示。

圖8 損傷變量-浸水時間關(guān)系曲線

由圖 8可見，浸水時間對Dv、DE、Dσ、Dτ和DE(t)均具有不同程度的影響，但浸水時間對各損傷變量的影響程度在數(shù)值上差異較大，具體表現(xiàn)為：

（1）巖樣由飽水到浸水1 d的過程中，浸水時間對Dσ、DE、Dτ、Dv和DE(t)的日均占比依次增大，其值分別為 11.12%、15.21%、26.32%、30.76%和34.05%，這就說明，飽水后的巖石(特別是巖石中含有黏土礦物)在水的持續(xù)作用下，其質(zhì)量呈明顯的下降趨勢。

（2）浸水1 d～7 d的過程中，水對巖石各物理力學(xué)參數(shù)的劣化作用持續(xù)進(jìn)行。浸水7 d后，Dv、DE、Dσ、Dτ和DE(t)分別為 0.070，0.190，0.086，0.090，0.148，與之對應(yīng)的損傷變量日均占比分別為3.84%、2.42%、1.54%、3.00%、2.71%。該階段水對巖石各參數(shù)雖具有較為明顯的劣化作用，但其作用強(qiáng)度較上一階段明顯降低。

（3）浸水7 d～14 d的過程中，水對巖石仍具有顯著的損傷作用，Dv、DE、Dσ、Dτ、DE(t)分別為0.090，0.310，0.117，0.120，0.189，與之對應(yīng)的損傷變量日均占比分別為 2.19%、2.90%、1.72%、2.26%、2.09%。該階段水對巖石的損傷程度較前一階段雖呈增大趨勢，但增加速率有所降低。

（4）浸水14 d～30 d的過程中，水對巖石造成損傷的速率進(jìn)一步降低，但損傷變量值仍持續(xù)增大。Dv、DE、Dσ、Dτ、DE(t)分別為 0.110，0.370，0.314，0.160，0.241，與之對應(yīng)的損傷變量日均占比分別為0.96%、2.91%、3.14%、1.32%、1.16%。

（5）浸水30 d～60 d的過程中，除DE外，其它損傷變量的增加速率基本呈進(jìn)一步降低的趨勢，這就說明，浸水30 d后，水對飽水巖石的物理力學(xué)參數(shù)仍具有一定程度的影響作用。Dv、DE、Dσ、Dτ和DE(t)分別為0.12，0.54，0.378，0.35和0.266，與之對應(yīng)的損傷變量日均占比分別為 0.26%、1.53%、0.54%、0.35%和0.29%。

（6）浸水60 d～90 d的過程中，Dv、DE、Dσ、Dτ和DE(t)的增加速率均較小且趨于定值，這就說明，飽水巖樣浸水超過60 d后，水對巖樣造成的損傷較小。浸水時間達(dá)到90 d時，DE值最大為0.59，而Dv值最小為0.13。

綜合分析上述數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，飽水巖樣浸水1 d后，基于Dτ、DE(t)和Dv日均占比較大，這表明，在這一時間段內(nèi)，三者對水損傷的敏感度較高，可直觀地反映出浸水時間對飽水巖石的損傷程度；浸水 1 d～7 d內(nèi)，DE和DE(t)增加幅度較大，可將其作為評價該階段水對飽水巖樣損傷程度的指標(biāo)值；浸水7 d～14 d內(nèi)，基于各參量衰減表征的損傷變量日均占比較為接近，除DE(t)值增幅較大外，其他各參量的對應(yīng)值增加幅度均較小且較接近，因此，可將DE(t)作為衡量該階段水對飽水巖石損傷程度的特征值；浸水14 d～30 d內(nèi)，基于DE、Dτ和DE(t)值變化幅度較為明顯，因此，可將其作為衡量該階段水對飽水巖石損傷的特征值；浸水30 d～60 d內(nèi)，除基于DE和Dτ值變化幅度相對較大外，其它各參量的對應(yīng)值變化幅度均較小，同時，DE日均占比較高，因此，可將基于彈性模量衰減表征的損傷變量作為衡量該階段水對巖石造成損傷的特征值；浸水60 d～90 d內(nèi)，DE值及其日均占比均較大，而其他參數(shù)表征的損傷變量值及其日均占比均變化不明顯。因此，在工程應(yīng)用中，可將基于DE、DE(t)、Dτ作為衡量水對不同浸水時間飽水巖石損傷劣化的特征參數(shù)。

4 結(jié)論

（1）浸水時間對基于Dv、DE、Dσ、Dτ和DE(t)具有不同程度的影響，但其影響規(guī)律基本一致，即飽水巖樣浸水1 d后，各參數(shù)表征的損傷變量快速增大且增大幅度較大；浸水1 d～30 d的過程中，各損傷變量仍有較大幅度的增加，但其增速呈降低趨勢；浸水60 d后，各損傷變量增加速率逐漸接近于0；浸水90 d后，DE值最大為0.59、Dv值最小為0.13。

（2）浸水時間對Dv、DE、Dσ、Dτ和DE(t)的日均占比具有重要影響，飽水巖樣浸水1 d后，上述各參數(shù)的占比較高，DE(t)、Dv、Dτ、DE和Dσ的值依次降低；浸水1 d～30 d的過程中，除Dv的日均占比值較小外，其他參數(shù)的日均占比值均相對較大；浸水時間超過60 d，各參數(shù)的日均占比都具有明顯的下降趨勢。

（3）對比分析Dv、DE、Dσ、Dτ和DE(t)的值、日均占比的變化規(guī)律及其內(nèi)在的對應(yīng)關(guān)系，可將DE、DE(t)、Dτ作為衡量浸水時間對飽水巖石損傷劣化的特征參數(shù)。