單軸壓縮下某弱膠結(jié)砂巖聲發(fā)射特征及破壞形式
——以陜西小紀(jì)汗煤礦砂巖為例

汪 泓 楊天鴻 徐 濤 李 楊 侯憲港 趙永川

(1.金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025；4.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

單軸壓縮下某弱膠結(jié)砂巖聲發(fā)射特征及破壞形式
——以陜西小紀(jì)汗煤礦砂巖為例

汪 泓1,2,3,4楊天鴻1,2徐 濤1,2李 楊1,2侯憲港1,2趙永川1,2

(1.金屬礦山安全開采教育部重點實驗室，遼寧 沈陽 110819；2.東北大學(xué)資源與土木工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；3.貴州省非金屬礦產(chǎn)資源綜合利用重點實驗室，貴州 貴陽 550025；4.貴州大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

為研究小紀(jì)汗煤礦弱膠結(jié)砂巖的聲發(fā)射特征和破壞形式，對取自該礦的砂巖試件開展單軸壓縮試驗，并進(jìn)行聲發(fā)射監(jiān)測。試驗表明：對6個試件的聲發(fā)射特征曲線歸納為崩裂型和破裂型2種，前者在彈性階段和微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段聲發(fā)射活動較少，屈服階段后期至破壞前聲發(fā)射活動驟增，破壞后仍有部分聲發(fā)射活動；后者彈性階段和微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段聲發(fā)射活動強于前者，屈服階段聲發(fā)射活動出現(xiàn)大幅階梯增長(至峰值)，峰值前有聲發(fā)射平靜期。試件破壞形式，可分為X型共軛破壞和單斜面剪切破壞2種，前者對應(yīng)崩裂型曲線，試件強度較大；后者對應(yīng)破裂型曲線，試件強度較小。研究結(jié)論對高強度開采條件下頂板變形失穩(wěn)的預(yù)測具有指導(dǎo)意義。

單軸壓縮 聲發(fā)射特征 弱膠結(jié) 破壞形式

巖石在受力發(fā)生破壞時，其內(nèi)部裂紋萌生、擴展和貫通，并以應(yīng)力波形式釋放能量的現(xiàn)象稱為巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象(Acoustic Emission，簡稱AE)，這也是巖石材料破壞時伴隨發(fā)生的一種現(xiàn)象，能夠反映巖石內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)變化，對研究巖石破壞過程和巖體穩(wěn)定性的監(jiān)測預(yù)報有著重要的意義。在巖石力學(xué)的研究中，聲發(fā)射已經(jīng)作為一種反映巖石內(nèi)部狀態(tài)變化的工具，越來越多地被用來檢測巖石破裂損傷時能量以應(yīng)力波形式產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，通過這些信號了解巖石內(nèi)部缺陷的發(fā)展和微觀破壞的活動性，從而反演巖石內(nèi)部的破壞機制和破壞過程，推斷其性態(tài)變化。

1 以往研究概述

對于巖石受載后的聲發(fā)射特征研究已經(jīng)有大量的成果：D. P. Jansen 等[1]應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)，研究了巖石破裂過程中隨時間變化的巖石三維微裂紋損傷累積、裂紋成核以及宏觀裂紋擴展規(guī)律；Lei等[2]研究了巖樣破壞的聲發(fā)射事件時空分布特征以及加載過程中，試樣沿不均質(zhì)斷層發(fā)生動力破壞，推斷導(dǎo)致巖樣失穩(wěn)前兆特征和不均質(zhì)斷層有關(guān)；張省軍[3]采用單軸加載方式研究發(fā)現(xiàn)，在巖石受載變化的不同階段，其聲發(fā)射事件數(shù)量會有不同變化，同時聲發(fā)射能量在巖石破裂過程中相當(dāng)長的一段時間內(nèi)保持低釋放率，而在破壞前釋放明顯；趙興東等[4-5]應(yīng)用AE及其定位技術(shù)，對不同巖樣破裂過程中的聲發(fā)射活動規(guī)律進(jìn)行了試驗研究，借以揭示不同巖樣的破裂失穩(wěn)機制，并對預(yù)制不同裂紋的花崗巖試件開展了破裂失穩(wěn)過程中，其內(nèi)部微裂紋孕育、萌生、擴展、成核和貫通的三維空間演化模式進(jìn)行研究；左建平等[6]通過三維定位實時監(jiān)測裝置對巖石受壓過程進(jìn)行監(jiān)測，研究煤巖組合體與單純砂巖體和煤體聲發(fā)射行為及時空演化機制的差異，其結(jié)果對煤巖體災(zāi)害發(fā)生機制有了進(jìn)一步的認(rèn)識；裴建良等[7]對含單一型和平行型、交叉型、混合型自然裂隙大理巖巖樣進(jìn)行單軸壓縮條件下的聲發(fā)射測試，通過對聲發(fā)射大事件的定位追蹤解釋了巖體破裂失穩(wěn)機制；梁正召[8]利用數(shù)值模擬軟件 RFPA2D對在單軸壓縮加載條件下3種不同均質(zhì)度的巖石試件破裂過程進(jìn)行了模擬研究，討論了整個破壞過程中的聲發(fā)射特征。對于巖石受載后的破壞形式，楊圣奇等[9]試驗研究了單軸壓縮下不同幾何分布斷續(xù)預(yù)制裂隙大理巖宏觀破壞模式；朱萬成等[10]采用數(shù)值分析方式模擬巖石靜態(tài)和動態(tài)應(yīng)力作用下破裂模式差異；王明洋等[11]研究了巖石在加載和卸載時內(nèi)部出現(xiàn)的拉應(yīng)力及其對巖石破壞模式的影響。

目前國內(nèi)外學(xué)者的研究中，針對弱膠結(jié)砂巖的聲發(fā)射特征以及破壞形式的研究還比較鮮見，故本研究選擇取自小紀(jì)汗煤礦的弱膠結(jié)頂板砂巖進(jìn)行單軸壓縮試驗，分析聲發(fā)射特征參量變化規(guī)律并結(jié)合試件破壞模形式進(jìn)行研究，研究成果對進(jìn)一步揭示西部高強度開采地區(qū)弱膠結(jié)砂巖頂板的失穩(wěn)破壞規(guī)律及礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測預(yù)報工作具有一定的科學(xué)價值。

2 試驗概況

2.1 巖樣特征

試驗所用巖樣為取自陜北侏羅紀(jì)煤田橫榆礦區(qū)小紀(jì)汗煤礦的頂板砂巖。巖石試件直徑70 mm，高140 mm。初步觀察，巖性為中砂巖及細(xì)砂巖，中砂巖巖樣肉眼觀察無明顯自然節(jié)理，細(xì)砂巖巖樣含多條平行的近水平自然節(jié)理，如圖1所示。其中編號D的試件為細(xì)砂巖，編號I的試件為中砂巖。

圖1 試件外觀

巖石的膠結(jié)連接是指組成巖石的顆粒與顆粒之間通過膠結(jié)物在一起的連接，其強度主要取決于膠結(jié)物的膠結(jié)類型。硅質(zhì)、鐵質(zhì)膠結(jié)巖石強度高，鈣質(zhì)次之，泥質(zhì)膠結(jié)強度最低[12]。為了進(jìn)一步了解巖樣巖性及內(nèi)部膠結(jié)連接情況，對巖樣進(jìn)行切片加工后做偏光顯微鏡掃描觀測[13]，獲得不同巖性的顯微照片，見圖2。(a)為中砂巖整體巖性掃描圖像，其中碎屑狀白色的為石英，藍(lán)灰色的為長石，灰黑色的為膠結(jié)物；(b)為放大后中砂巖圖像，可以更加清晰地看到石英、長石及膠結(jié)物的分布。其中，碎屑顆粒以石英和長石為主，泥質(zhì)膠結(jié)；石英顆粒棱角-次棱角狀，含量約60%～65%；長石顆粒，棱角狀，含量15%～20%；其他為膠結(jié)物；碎屑顆粒的粒徑以0.3 mm為主。(c)為細(xì)砂巖整體巖性掃描圖像，含石英、長石及云母碎屑；(d)為放大后細(xì)砂巖圖像，可看到明顯石英顆粒和膠結(jié)物。其中，碎屑顆粒以石英為主，棱角明顯-次棱角狀，平均含量60%～70%；長石含量相對較少，平均約為5%～10%，長石顆粒比較破碎，具有泥化現(xiàn)象；鈣泥質(zhì)膠結(jié)為主，含量20%～30%；其他礦物為：少量的云母碎片。從上述成分分析可以得出本次試驗所用中砂巖和細(xì)砂巖均屬于弱膠結(jié)砂巖。

2.2 試驗設(shè)備

(1)加載系統(tǒng)。加載系統(tǒng)采用TAW-3000型微機控制巖石伺服三軸壓力試驗機[14](見圖3)。該試驗機可以完成巖石單軸加載和常溫、高溫以及孔隙水條件下靜態(tài)巖石三軸試驗，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)自動儲存以及數(shù)據(jù)自動繪圖。試驗機整體剛度大于10 GN/m，最大軸向壓力3 000 kN，最大側(cè)限圍壓100 MPa。

(2)聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)。試驗采用PCI-2聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，具有18位A/D，1 kHz～3 MHz頻率范圍，該系統(tǒng)是對聲發(fā)射特征參數(shù)/波形進(jìn)行實時處理的16通道聲發(fā)射系統(tǒng)。傳感器利用壓電原理將聲波信號轉(zhuǎn)化成電信號，經(jīng)前置放大器將信號放大，傳至聲發(fā)射采集系統(tǒng)，采集系統(tǒng)將電壓信號進(jìn)行濾波和分析處理最終得到聲發(fā)射信號的特征參數(shù)如：到達(dá)時間、上升時間、最大幅值、能量、頻率和聲發(fā)射數(shù)目等。

圖2 偏光顯微鏡分析結(jié)果

(3)試驗方案。將實驗室鉆取加工的砂巖試件進(jìn)行單軸壓縮試驗。采用力加載方式，加載速率為20 kN/min，連續(xù)加載至試件完全破壞。通過聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)實時采集聲發(fā)射信號特征數(shù)據(jù)。將8個傳感器用橡膠帶固定在巖樣表面(上下部各4個，沿圓柱周長均勻布置，為避免應(yīng)力集中效應(yīng)，傳感器距離上下端面的軸向距離各為2 cm，見圖4)，為保證耦合效果，在探頭與試件接觸部位涂抹一層黃油。

圖3 TAW-3000微機控制壓力機

圖4 傳感器布置方式

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 弱膠結(jié)砂巖聲發(fā)射特性曲線類型特征

聲發(fā)射特征參數(shù)主要包括振鈴率、能量(能率)、事件數(shù)、振鈴累計數(shù)等，上述參數(shù)在試件受載過程中隨內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化而變化。本研究采用振鈴計數(shù)率、振鈴累計數(shù)為參量，分析單軸壓縮下弱膠結(jié)砂巖破壞過程中的AE特征。試驗獲取的聲發(fā)射特征曲線表明，試件聲發(fā)射活動具有其自身特點，對AE振鈴率(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線、AE振鈴累計數(shù)(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線特征分析后，特將聲發(fā)射特征曲線分為以下2種類型。

3.1.1 崩裂型

本次試驗中出現(xiàn)崩裂型聲發(fā)射特征曲線的主要是細(xì)砂巖，單軸抗壓強度達(dá)到60 MPa左右。如圖5和圖6所示，以試件D-1為例，說明崩裂型聲發(fā)射特征曲線的特點如下。

圖5 AE振鈴率(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線(試件D-1)

圖6 AE振鈴累計數(shù)(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線(試件D-1)

(1)軸向應(yīng)力在小于8 MPa時，屬于壓密階段，該階段產(chǎn)生了一定數(shù)量的聲發(fā)射活動，最大AE振鈴率達(dá)到934次/s，說明在壓密階段弱膠結(jié)砂巖中原有的張開性結(jié)構(gòu)面或微裂隙在逐漸閉合的同時，由于巖石中膠結(jié)顆粒存在棱角以及片狀結(jié)構(gòu)，加之膠結(jié)物強度較小，應(yīng)力會使巖石中部分區(qū)域產(chǎn)生微破裂和變形，由此引發(fā)了AE振鈴的產(chǎn)生。在AE振鈴累計數(shù)(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線中，振鈴數(shù)量呈低位徘徊，說明雖然有個別時刻AE振鈴率瞬時超過900次/s，但壓密階段主要以原始裂隙閉合為主，新的微裂隙產(chǎn)生較少，因此AE振鈴累計數(shù)并不高。

(2)軸向應(yīng)力8～20 MPa為彈性階段，進(jìn)入該階段只有少量AE振鈴產(chǎn)生，雖然試件受到應(yīng)力作用，但未能產(chǎn)生更大的新裂紋，應(yīng)力與應(yīng)變保持線性關(guān)系，隨后應(yīng)力提升至20～50 MPa，這一階段在應(yīng)力作用下逐步產(chǎn)生部分微裂隙，導(dǎo)致聲發(fā)射活動比線彈性階段有所增加，但是AE振鈴率比壓密階段低。AE振鈴累計數(shù)(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線中，該階段AE振鈴累計數(shù)基本上呈水平直線，增長幅度非常有限，說明彈性階段以及微裂隙產(chǎn)生階段AE振鈴數(shù)量很少。

(3)軸向應(yīng)力超過50 MPa后，應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)入屈服階段，AE振鈴率逐步呈階梯式增大，這是由于時間承壓后變形逐步增加，產(chǎn)生的裂隙越來越多，導(dǎo)致聲發(fā)射活動數(shù)量增加。AE振鈴累計數(shù)(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線中，在應(yīng)變達(dá)到(9～10)×10-3出現(xiàn)明顯向上彎曲，曲線發(fā)生較大角度的改變，AE振鈴累計數(shù)不斷增加，說明試件屈服階段即將轉(zhuǎn)入破壞階段。

(4)軸向應(yīng)力增加到70 MPa以后，試件進(jìn)入破壞階段，AE振鈴率瞬間增大，由1 200次/s 左右瞬間增加至5 000次/s以上，聲發(fā)射活動異?；钴S，說明裂紋之間的相互作用開始，并發(fā)生聚合貫通，導(dǎo)致破裂面形成和試件破壞。峰值強度后，AE振鈴率并沒有立即消失，而是下降至峰值的2/3，因為有效承載面積減小，試件內(nèi)部沿已有的宏觀破裂面產(chǎn)生摩擦滑動，故會產(chǎn)生一定聲發(fā)射活動。在AE振鈴累計數(shù)(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線中，當(dāng)應(yīng)變超過10×10-3，AE振鈴累計數(shù)曲線向上突然抬升，近乎形成接近90°的1條斜線，說明破壞前聲發(fā)射活動的激增。

圖7為試件D-1的AE事件不同應(yīng)力階段空間演化規(guī)律事件不同應(yīng)力階段空間演化規(guī)律圖，其中小球位置為AE事件的定位，小球大小代表能量。根據(jù)加載階段應(yīng)力水平的不同，將聲發(fā)射定位事件的空間累計分布分為a、b、c、d等4個階段：壓密階段a相當(dāng)應(yīng)力達(dá)到0.1σc(σc為單軸抗壓強度)，檢測到AE事件有26個，集中在試件下部，應(yīng)力水平低時該區(qū)域產(chǎn)生集中應(yīng)力；線彈性階段b，應(yīng)力為0.25σc，AE事件增加至47個，增長率呈低水平；在微裂隙穩(wěn)定擴展階段c，隨著應(yīng)力水平上升至0.75σc，AE事件繼續(xù)增加至103個；進(jìn)入屈服階段后d，AE事件數(shù)量迅速增加，應(yīng)力峰值時達(dá)到987個，且單個AE事件能量急劇增大。AE事件不同應(yīng)力階段空間演化規(guī)律與聲發(fā)射特征曲線中聲發(fā)射活動的發(fā)展規(guī)律相吻合，印證了崩裂型聲發(fā)射特征曲線的規(guī)律。

圖7 D-1試件AE事件不同應(yīng)力階段空間演化規(guī)律

3.1.2 破裂型

本類型曲線的試件的單軸抗壓強度相對崩裂型較低，均為中砂巖，單軸抗壓強度均低于50 MPa。圖8和圖9分別為試件I-2的AE振鈴率(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線和AE振鈴累計數(shù)(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線。

圖8 AE振鈴率(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線(試件I-2)

圖9 AE振鈴累計數(shù)(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線(試件I-2)

(1)在應(yīng)力-應(yīng)變曲線的壓密階段，即軸向應(yīng)力小于2 MPa之前，期間產(chǎn)生了少數(shù)聲發(fā)射活動，最大AE振鈴率約為296次/s，這種現(xiàn)象的發(fā)生和崩裂型試件的原因相同，推測是由弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的微破裂和變形引起。壓密階段對應(yīng)的AE振鈴累計數(shù)(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線中，AE振鈴累計數(shù)呈現(xiàn)低水平的上升趨勢，期間聲發(fā)射活動總體較少。

(2)軸向應(yīng)力2～7 MPa為彈性階段，從該階段的AE振鈴率(應(yīng)力)-應(yīng)變曲線看出，相較于壓密階段，AE振鈴率有所降低，峰值基本維持在220～250次/s，在彈性階段后半段稍高頻率的聲發(fā)射活動更加密集。這種現(xiàn)象可能是由于試件內(nèi)部的弱膠結(jié)結(jié)構(gòu)造成的，在外部應(yīng)力的作用下產(chǎn)生了一定數(shù)量的聲發(fā)射活動。軸向應(yīng)力7～13 MPa為微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段，從AE振鈴率(應(yīng)力)-應(yīng)變曲可以看出，這一階段聲發(fā)射活動呈現(xiàn)出階躍性增長，且聲發(fā)射活動一直持續(xù)，AE振鈴率最高達(dá)到1 250次/s，明顯高于崩裂型試件對應(yīng)階段的AE振鈴率。從AE振鈴累計數(shù)來看，彈性階段增長平緩，在進(jìn)入裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段時曲線突然上揚，體現(xiàn)出裂隙發(fā)展的速度正在加快。

(3)軸向應(yīng)力增加值13 MPa后，試件進(jìn)入屈服階段。與崩裂型相比破裂型試件的屈服階段持續(xù)試件較長，AE振鈴率曲線總體呈快速階梯式增長，但是AE振鈴率大小并不是持續(xù)遞增，期間也有部分振鈴率低于1 000次/s，從坐標(biāo)橫軸(應(yīng)變)方向觀察，崩裂型試件破壞前高頻率的AE振鈴率更為集中，而破裂型試件則相對分散。據(jù)此推測在破裂型試件中，由于顆粒之間膠結(jié)強度較低，在受壓過程中應(yīng)變能逐步釋放，而崩裂型試件強度較高，受壓過程中應(yīng)變能集中釋放，因而造成兩者AE振鈴率曲線破壞前階段的差異。AE振鈴累計數(shù)曲線在進(jìn)入屈服階段后，向上升高的斜率放緩，并不再是光滑曲線，由于聲發(fā)射活動在該階段的跳躍性，曲線上形成一些蜿蜒的折皺。

(4)當(dāng)軸向壓力大于18 MPa時，試件進(jìn)入破壞階段。從AE振鈴率來看，破壞前從峰值2 700次/s陡然下降至不足1 000次/s，而后在破壞前沒有再發(fā)生聲發(fā)射活動；從AE振鈴累計曲線看，在峰值強度前，聲發(fā)射活動相對平靜。崩裂型試件的AE振鈴累計數(shù)曲線則無此特點。這一現(xiàn)象和尹賢剛[15]和孫強[16]提出的觀點類似，即塑性變形明顯的巖石會在破壞前存在一個“聲發(fā)射平靜期”，塑性不強的巖石則較少出現(xiàn)這種情況。

圖10為試件I-2的AE事件不同應(yīng)力階段空間演化規(guī)律。與D-1試件相比，I-2試件在壓密階段(應(yīng)力為0.1σc)和線彈性階段(應(yīng)力為0.4σc)的AE事件累計數(shù)量分別為10個和49個，二者AE事件數(shù)量都較少。進(jìn)入微裂隙穩(wěn)定發(fā)展階段，I-2試件AE事件數(shù)量增大幅度更快，數(shù)量為394個。屈服階段以后，AE事件累計數(shù)量進(jìn)一步增加，試件破壞時達(dá)到1 017個。AE事件的空間演化過程和聲發(fā)射特征曲線所揭示的聲發(fā)射活動規(guī)律相吻合。

圖10 I-2試件AE事件不同應(yīng)力階段空間演化規(guī)律

3.2 弱膠結(jié)砂巖破壞形式分析

巖石單軸受壓時，由于種種因素的影響，真實破裂形式是模糊不清的，根據(jù)大量的試驗觀察，常見的破壞形式主要有3種： X狀共軛剪切破壞、單斜面剪切破壞和拉伸破壞[8]，見圖11。

圖11 單軸壓縮下巖石破壞模式

對本次試驗6個試件單軸壓縮后破壞形式進(jìn)行統(tǒng)計：單斜面剪切破壞4個，X狀共軛剪切破壞2個，無拉伸破壞，見圖12。統(tǒng)計結(jié)果見表1。

圖12 試件破壞形式

試件編號巖 性峰值強度/MPa聲發(fā)射曲線類型破壞形式I-1中砂巖48.75破裂型單斜面剪切I-2中砂巖18.15破裂型X狀共軛剪切I-3中砂巖22.17破裂型X狀共軛剪切D-1細(xì)砂巖74.34崩裂型單斜面剪切D-2細(xì)砂巖62.30崩裂型單斜面剪切D-3細(xì)砂巖51.02崩裂型單斜面剪切

本次試驗共計6個弱膠結(jié)砂巖試件，分別為中砂巖3和細(xì)砂巖3個。從表1可見，中砂巖的單軸抗壓強度較小，均值為29.69 MPa，細(xì)砂巖單軸抗壓強度較高，均值達(dá)到62.55 MPa。根據(jù)前文分析，細(xì)砂巖的聲發(fā)射特征曲線均為崩裂型，中砂巖聲發(fā)射強度曲線則為破裂型。與之相對應(yīng)，崩裂型聲發(fā)射特征曲線的3個細(xì)砂巖試件的破壞形式為單斜面剪切破壞，破裂型聲發(fā)射特征曲線的3個試件，其中有2個為X狀共軛剪切破壞，單軸抗壓強度較大的試件I-1為單斜面剪切破壞，其單軸抗壓強度為48.75 MPa，為3個中砂巖試件中強度最大的一個。

根據(jù)上述關(guān)系，可以推斷西部弱膠結(jié)砂巖破壞形式規(guī)律：①破壞形式分為單斜面剪切的試件，其單軸抗壓強度一般比較高，破壞過程中聲發(fā)射特征曲線呈現(xiàn)為崩裂型，在單軸抗壓強度達(dá)到峰值短時間內(nèi)發(fā)生劈裂，形成單一的破裂面，個別試件側(cè)翼有拉張裂紋；②破壞形式為X狀共軛剪切的試件，單軸抗壓強度較低，破壞過程中，在進(jìn)入屈服階段開始逐漸形成較大裂縫，試件端部引起錐體發(fā)育，峰值強度時發(fā)生破裂，形成X狀破裂面和錐體破裂塊。

巷道失穩(wěn)變形乃至頂板事故，究其本質(zhì)是巖體內(nèi)部損傷演化直至宏觀破裂發(fā)生的過程。根據(jù)前文的結(jié)果，對于強度較高的細(xì)砂巖頂板或巷道圍巖，受力初期不易發(fā)生變形破壞，巖體內(nèi)部的裂隙發(fā)展較慢，應(yīng)力不斷集中，當(dāng)應(yīng)力聚集到一定程度，破裂面突然貫通，巖體破裂，通常表現(xiàn)為頂板突然斷裂；強度較低的中砂巖頂板，在應(yīng)力作用下，內(nèi)部裂隙逐步擴展，隨著應(yīng)力增加尤其是進(jìn)入塑性破壞階段，內(nèi)部裂隙不斷發(fā)育，巖體逐步破壞，頂板破斷。

在實際工程中，聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)或微震監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于許多煤礦。根據(jù)本研究提出的弱膠結(jié)砂巖崩裂型聲發(fā)射特征曲線和破裂型聲發(fā)射特征曲線，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測到的聲發(fā)射或微震數(shù)據(jù)，總結(jié)巖石與巖體聲發(fā)射事件區(qū)別和聯(lián)系和巷道頂板變形失穩(wěn)的前兆信息及特征，為頂板穩(wěn)定性預(yù)報提供參考。

4 結(jié) 論

(1)西部弱膠結(jié)砂巖在單軸抗壓過程中聲發(fā)射特征曲線可以分為2種類型：崩裂型和破裂型。崩裂型曲線在試件壓密階段、彈性階段以及屈服階段聲發(fā)射活動均較少，臨近破壞前聲發(fā)射活動驟增至峰值；破裂型曲線在進(jìn)入裂隙穩(wěn)定擴展階段后，聲發(fā)射活動呈臺階式穩(wěn)定增長直至峰值。

(2)試件破壞形式分為單斜面剪切破壞、X狀共軛剪切破壞2種。破壞形式和巖石的強度、質(zhì)地有直接關(guān)系，強度大、質(zhì)地較硬的細(xì)砂巖均為單斜面剪切破壞，強度小質(zhì)地較軟的中砂巖為X狀共軛剪切破壞。巖石的破壞形式還與聲發(fā)射特征曲線基本對應(yīng)，單斜面剪切破壞試件的聲發(fā)射特征曲線為崩裂型，X狀共軛剪切破壞的聲發(fā)射特征曲線為破裂型。

(3)西部弱膠結(jié)砂巖主要成分為石英、長石及云母碎屑，膠結(jié)物為泥質(zhì)或鈣泥質(zhì)，強度弱。單軸壓縮過程中，巖石內(nèi)部孔隙收縮，巖石顆粒、膠結(jié)物顆粒之間接觸面積增大，容易導(dǎo)致巖石內(nèi)部局部閉合的裂紋表面發(fā)生滑移、不同區(qū)域之間的附著黏性變小等物理過程，并伴隨著微裂隙的萌生。由此推測，崩裂型和破裂型聲發(fā)射特征曲線在壓密階段和彈性階段出現(xiàn)一定數(shù)量聲發(fā)射活動與巖石的膠結(jié)類型有關(guān)。

[1] Jansen D P，Carlson S R，Young R P，et al.Ultrasonic imaging and acoustic emission monitoring of thermally induced micro cracks in Lac du Bonnet Granite[J].Journal of Geophysical Research，1993，B12(98)：22231-22243.

[2] Lei Xinglin，Koji Masuda，Osamu Nishizawa，et al.Detailed analysis of acoustic emission activity during catastrophic fracture[J].Journal of Structure Geology，2004，26：247-258.

[3] 張省軍，劉建坡，石長巖，等.基于聲發(fā)射試驗巖石破壞前兆特征研究[J].金屬礦山，2008(8)：65-68． Zhang Shengjun，Liu Jianpo，Shi Changyan，et al.Study on precursory characteristics of rock failure based on acoustic emission experiment[J].Metal mine，2008(8)：65-68.

[4] 趙興東，陳長華，劉建坡，等.不同巖石聲發(fā)射活動特性的試驗研究[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008，29(11)：1633-1636. Zhao Xingdong，Chen Changhua，Liu Jianpo，et al.Experimental study on AE activity characteristics of different rock samples[J].Journal of Northeastern University：Natural Science，2008，29(11)：1633-1636.

[5] 趙興東，李元輝，袁瑞甫，等.基于聲發(fā)射定位的巖石裂紋動態(tài)演化過程研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26(5)：944-950. Zhao Xingdong，Li Yuanhui，Yuan Ruifu，et al.Study on crack dynamic propagation process of rock samples based on acoustic emission location[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2007，26(5)：944-950.

[6] 左建平，裴建良，劉建鋒，等.煤巖體破裂過程中聲發(fā)射行為及進(jìn)空演化機制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，30(8)：1564-1570. Zuo Jianping，Pei Jianliang，Liu Jianfeng，et al.Time-space evolution mechanism in failure process of coal-rock combined body[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(8)：1564-1570.

[7] 裴建良，劉建鋒，左建平，等.基于聲發(fā)射定位的自然裂隙動態(tài)演化過程研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2013，32(4)：697-704. Pei Jianliang，Liu Jianfeng，Zuo Jianping，et al.Investigation on dynamic evolution process of natural fractures based on acoustic emission position[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2013，32(4)：697-704.

[8] 梁正召,唐春安,黃明利,等.巖石破裂過程中聲發(fā)射模式的數(shù)值模擬[J].東北大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2002，23(10)：1008-1011. Liang Zhengzhao，Tang Chun'an，Huang Mingli，et al.Numerical simulation of patterns of acoustic emission in rock failure process[J].Journal of Northeastern University：Natural Science，2002，23(10)：1008-1011.

[9] 楊圣奇，戴永浩，韓立軍，等.斷續(xù)預(yù)制裂隙脆性大理巖變形破壞特性單軸壓縮試驗研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(12)：2391-2404. Yang Shengqi，Dai Yonghao，Han Lijun，et al.Unixial compression experimental research on deformation and failure properties of brittle marble specimen with non-continuous pre-existing fissures[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009，28(12)：2391-2404.

[10] 朱萬成，唐春安，黃志平，等.靜態(tài)和動態(tài)載荷作用下巖石劈裂破壞模式的數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(1)：1-7. Zhu Wancheng，Tang Chun'an，Huang Zhiping，et al.Numerical simulation on splitting failure mode of rock under static and dynamic loadings[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(1)：1-7.

[11] 王明洋，范鵬賢，李文培.巖石的劈裂和卸載破壞機制[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(2)：234-242. Wang Mingyang，F(xiàn)an Pengxian，Li Wenpei.Mechanism of splitting and unloading failure of rock[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(2)：234-242.

[12] 蔡美峰，何滿朝，劉東燕.巖石力學(xué)與工程[M].北京：科學(xué)出版社，2010：15-16. Cai Meifeng，He Manchao，Liu Dongyan.Rock Mechanics and Engineering[M].Beijing：Science Press，2010：15-16.

[13] 牛學(xué)超，張慶喜，岳中文.TAW-3000電液伺服巖石三軸試驗機研制與應(yīng)用[J].煤炭技術(shù)，2012，40(4)：1-5. Niu Xuechao，Zhang Qingxi，Yue Zhongwen.Research and application of TAW-3000 electrohydraulic servo rock triaxial test machine[J].Coal Science and Technology，2012，40(4)：1-5.

[14] 林志紅，項 偉，張云明.湘西紅砂巖基本物理指標(biāo)和微結(jié)構(gòu)參數(shù)對其強度影響的試驗研究[J].石力學(xué)與工程學(xué)報，2010，29(1)：125-133. Lin Zhihong，Xiang Wei，Zhang Yunming.Experimental research on influences of physical indices and microstructure parameters on strength properties of red stone from Western Hunan[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2010，29(1)：125-133.

[15] 尹賢剛，李庶林，唐海燕，等.巖石破壞聲發(fā)射平靜期及其分形特征研究巖[J].石力學(xué)與工程學(xué)報，2009，28(增2)：3383-3390. Yin Xiangang，Li Shulin，Tang Haiyan，et al.Study on quiet period and its fractal characteristics of rock failure acoustic emission[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009，28(S2)：3383-3390.

[16] 孫 強，張衛(wèi)強，薛 雷，等.砂巖損傷破壞的聲發(fā)射準(zhǔn)平靜期特征分析[J].采礦與安全工程學(xué)報，2013，30(2)：238-242. Sun Qiang，Zhang Weiqiang，Xue Lei，et al.Acoustic emission characteristics in quasi-quiet stage of damage and fracture of sandstone[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2013，30(2)：238-242.

(責(zé)任編輯 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，F(xiàn)ailure mode

2014-09-01

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項目(編號：2013CB227902)。

汪 泓(1979—)，男，講師，博士研究生。

TU45

A

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