含孔洞砂巖的力學(xué)特性及聲發(fā)射實驗研究

肖福坤， 徐 雷， Башков О.В., 包豐源

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室， 哈爾濱 150022；2.Комсомольский-на-Амуре государственный университет Материаловедение и технология новых материалов， Хабаровский край г.Комсомольск-на-Амуре， Россия 681013)

0 引 言

在地下工程建設(shè)過程中，對穩(wěn)定空間進行開挖將引起地下硐室應(yīng)力的重新分布，硐室的尺寸、深度、數(shù)量及空間位置關(guān)系與圍巖的損傷破壞程度及破裂規(guī)律有著緊密聯(lián)系。巖體中的卸壓孔、卸壓槽及瓦斯抽采鉆孔形態(tài)均對區(qū)域巖體裂紋延伸及損傷演化產(chǎn)生一定的影響。工程中的孔洞缺陷形式較多且復(fù)雜，故探索含孔洞巖石的力學(xué)特性及聲發(fā)射特征對圍巖穩(wěn)定性分析具有重要的意義。

巖石孔洞傾角與孔洞填充對巖石抗拉強度有著顯著的影響[1]。單孔試樣的剛度、最大拉伸強度、邊界能和微裂紋總數(shù)隨半徑的增加而減小[2]。在數(shù)值模擬方面，任惠亮[3]以黃砂巖為研究對象，使用聲發(fā)射系統(tǒng)、數(shù)字散斑系統(tǒng)進行了巖石單軸壓縮破壞實驗，并使用RFPA3D數(shù)值模擬軟件對巖石三維破壞過程進行了模擬。騰俊洋[4]等采用相似材料制作包含多種支護情況、0°和90°的含孔洞加錨試件，對其進行單軸壓縮實驗，分析試件不同部位裂紋擴展規(guī)律，得到了含孔洞加錨巖石的力學(xué)特性和裂紋擴展規(guī)律。楊圣奇[5]等對含孔洞裂隙砂巖的力學(xué)特性進行單軸荷載實驗，分析含孔洞裂隙巖樣的強度和變形特性，同時總結(jié)出孔洞裂隙等缺陷對聲發(fā)射分布有著顯著的影響。崔嘉慧[6]確定了巖石相似材料及配合比，制備出不同孔徑的單孔類巖石試件，分析了含不同缺陷孔洞試件在單軸壓縮條件下的變形及破壞情況。文獻[7-10]采用數(shù)值模擬等方法研究了鉆孔間距等參數(shù)對巖石抗拉強度和抗壓強度的影響，并提出了為卸壓提前保留形變空間的控制技術(shù)。

在前人研究的基礎(chǔ)之上，筆者利用聲發(fā)射監(jiān)測技術(shù)，對孔徑、孔深、孔數(shù)及孔位4個維度的砂巖裂紋延伸、破裂形態(tài)、強度特征及聲學(xué)特性進行分析，研究孔洞形式對裂紋演化特征、力學(xué)特性及聲發(fā)射規(guī)律的影響。

1 實驗方法與設(shè)備

在進行壓力機的單軸壓縮實驗時，同時利用聲發(fā)射儀器檢測砂巖內(nèi)部裂紋的閉合、產(chǎn)生、擴展及貫通過程，設(shè)置的門檻值為40dB。實驗結(jié)束后導(dǎo)出數(shù)據(jù)，利用Excel軟件對聲發(fā)射數(shù)據(jù)進行排列和篩選，選擇聲發(fā)射振鈴計數(shù)作為實驗的因變量，然后利用Origin繪圖軟件繪出了砂巖的應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)的圖像，通過聲發(fā)射的振鈴計數(shù)可以有效地分析各種不同缺陷砂巖的裂紋演變情況。

通過壓力試驗機對含不同孔洞缺陷的砂巖試件進行位移加載，探討不同類型孔洞對砂巖力學(xué)特性的影響。切割長×寬×高為100 mm×30 mm×100 mm的長方體完整試樣，然后經(jīng)鉆孔機制作成設(shè)定的圓形孔洞，用TYJ-500 kN電液伺服巖石剪切流變試驗機對不同孔洞砂巖進行加載。實驗過程選擇位移控制加載，加載速率為0.02 mm/s。記孔直徑為D孔數(shù)量為n,砂巖的幾何尺寸見表1，孔洞巖石變形破壞監(jiān)測系統(tǒng)見圖1。砂巖試樣見圖2。

表1 砂巖的幾何尺寸

圖1 孔洞巖石變形破壞監(jiān)測系統(tǒng) Fig. 1 Hole rock deformation and failure monitoring system

圖2 砂巖試樣Fig. 2 Sandstone sample

2 結(jié)果與分析

實驗研究不同缺陷孔洞砂巖應(yīng)力、振鈴計數(shù)和時間對應(yīng)的關(guān)系，闡述相應(yīng)的機理，有助于全面認識砂巖的破壞規(guī)律，為進一步研究大直徑卸壓鉆孔提供重要指導(dǎo)依據(jù)。

2.1 力學(xué)特性

單軸抗壓強度的計算公式為

式中：p——試樣的抗壓強度，MPa；

σ——試件破壞載荷，kN；

S——試件初始承載面積，cm2。

彈性模量的計算公式為

式中：E——彈性模量，GPa；

σ1——試件的正應(yīng)力，MPa；

ε——試件的軸向應(yīng)變，%。

以單孔試件為例，不同孔徑巖石試件的抗壓強度及彈性模量見表2。

根據(jù)表2結(jié)果分析得出，試樣抗壓強度總體呈下降趨勢，完整試樣抗壓強度為75.02 MPa；孔徑5 mm試樣抗壓強度為63.65 MPa，降幅為15.16%；孔徑增至10 mm時，抗壓強度降為59.31 MPa，降幅20.94%；孔徑增至15 mm時，抗壓強度降為53.57 MPa，降幅為28.59%。同理，峰值應(yīng)變降幅分別為41.33%、35.71%和6.89%。隨著孔徑的增加，單軸抗壓強度呈線性遞減，峰值應(yīng)變呈負指數(shù)型遞減，彈性模量在出現(xiàn)孔洞后，先增加，而后隨著孔徑的增加，呈遞減趨勢。

表2 不同孔徑巖石的力學(xué)參數(shù)

Table 2 Mechanical parameters of rocks with differentpore sizes

n/個D/mmp/MPaε/%E/GPa0075.023.923.211563.652.33.9511059.312.523.1611553.573.652.22

2.2 聲發(fā)射特征

完整試樣、孔徑分別為5、10、15 mm 4種巖石試件破壞形態(tài)如圖3所示。

從圖3a中可以看出，隨著壓力機的連續(xù)位移加載，當(dāng)所受到的壓力超過巖石的承載極限時，巖樣發(fā)生破壞。完整試樣破壞形態(tài)表現(xiàn)為右下角表層剝落，左下角和試樣頂端中間出現(xiàn)剪切裂紋，呈現(xiàn)出與壓應(yīng)力方向偏離30°的宏觀裂紋，屬于剪切破壞類型。當(dāng)孔徑為5 mm時，孔洞左側(cè)平行于加載方向出現(xiàn)拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致產(chǎn)生近似豎直方向的拉伸裂紋，隨著壓力的繼續(xù)加載,試樣左側(cè)完全分離,導(dǎo)致試樣最終破壞，孔洞右側(cè)形成遠場裂紋，它是由試樣在單軸荷載作用內(nèi)部應(yīng)力超過極限強度產(chǎn)生的，最終試樣呈拉伸破壞類型,如圖3b所示。當(dāng)孔徑為10 mm時，孔洞周邊兩側(cè)方向由于壓應(yīng)力集中導(dǎo)致剪切裂紋的產(chǎn)生。最后呈60°“>”形狀表面剝離，及“”形狀剪切裂紋，試樣發(fā)生剪切拉伸混合破壞,如圖3c所示。當(dāng)孔徑為15 mm時，孔洞周邊兩側(cè)方向由于在單軸荷載作用下壓應(yīng)力集中導(dǎo)致剪切裂紋的產(chǎn)生,呈現(xiàn)30°扁 “>”型裂紋，最后其表面剝落，孔洞右側(cè)裂紋是與右側(cè)面呈30°的“”形的剪切破壞，“>”和 “”之間有個相連的呈松動狀態(tài)的三角形區(qū)域,如圖3d所示。從總體上看，裂紋的擴展路徑由剪切破壞向拉伸破壞過渡，最終發(fā)育為剪切拉伸混合破壞。隨著孔徑的增加，試樣由剪切破壞向拉伸破壞過渡，最終發(fā)育為剪切拉伸破壞。

圖3 不同孔徑巖石試件破壞后的形態(tài) Fig. 3 Failure morphology of rock specimens with different pore diameters

完整試樣、孔徑分別為5、10、15 mm 4種巖石試件的應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計如圖4所示。

完整砂巖試件在0.02 mm/s的位移加載條件下，應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計如圖4a所示。在壓密階段前期，幾乎沒有聲發(fā)射振鈴計數(shù)；在壓密階段后期和彈性階段初期，僅有零星聲發(fā)射現(xiàn)象。用不同孔徑試樣與完整試樣對照，孔徑由5 mm增至10 mm，振鈴計數(shù)峰值來臨時間提前了61 s。孔徑由10 mm增至15 mm，峰值來臨時間提前了13 s。

圖4 不同孔徑巖石試件應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計 Fig. 4 Stress-time-ringing count statistics of rock specimens with different pore diameters

結(jié)果表明：相對于完整試樣，含孔洞的試樣可以減少聲發(fā)射事件的發(fā)生；孔徑的增加可以減少彈性階段的聲發(fā)射事件；隨著孔徑的增加，振鈴計數(shù)峰值來臨時間不斷提前，并且提前的幅度逐漸趨于平緩；聲發(fā)射累計數(shù)增長幅度隨著孔徑的增加而減少；含孔洞砂巖試樣微裂紋的孕育、萌生、擴展、成核的過程比完整試樣更加規(guī)律，可以按照某一方向發(fā)展，達到了卸壓的效果，這一效果隨孔徑增加而增加，增長曲線逐漸趨于平緩。

雙孔洞直徑5 mm試件破壞后的形態(tài)如圖5所示，應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計如圖6所示，從圖6可以看出，壓密階段幾乎沒有聲發(fā)射振鈴計數(shù)產(chǎn)生。對比分析直徑為5 mm的單孔洞和雙孔洞試樣的應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計圖可知，雙孔洞試樣振鈴計數(shù)峰值來臨時間更早，振鈴計數(shù)峰值略有減少，聲發(fā)射累計數(shù)增幅降低。通過對兩組試樣破壞后形態(tài)的分析，發(fā)現(xiàn)雙孔洞的砂巖試樣破壞形態(tài)沿兩個孔洞發(fā)育，能判斷其內(nèi)部的微裂紋同樣按照此形態(tài)發(fā)育。結(jié)果表明：孔洞數(shù)目的增加，可以提升卸壓效果；同時能使微裂紋的發(fā)育和破壞形態(tài)更加規(guī)律。

圖5 5 mm直徑雙孔洞水平布置巖石試件破壞后形態(tài)Fig. 5 Failure morphology of rock specimens with 5 mm diameter double holes horizontal arrangement

圖6 5 mm雙孔洞水平布置巖石試件應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計Fig. 6 Stress-time-ringing count statistics of rock specimen with 5 mm diameter double holes horizontal arrangement

不同孔洞數(shù)目巖石力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 不同孔洞數(shù)目巖石的力學(xué)參數(shù)

Table 3 Mechanical parameters of rock with differentnumber of holes

n/個D/mmp/MPaε/%E/GPa1563.652.304.952552.092.033.38

雙孔豎直布置和雙孔45°傾斜布置2種巖石試件破壞后形態(tài)如圖7所示，應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計如圖8所示。直徑5 mm雙孔洞豎直布置砂巖試件在0.02 mm/s的位移加載條件下，應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計如圖8a所示；直徑5 mm雙孔洞傾斜45°布置砂巖試件的應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計如圖8b所示。荷載施加初期即壓密階段沒有聲發(fā)射振鈴計數(shù)產(chǎn)生。彈性階段前中期振鈴計數(shù)也是零星現(xiàn)象。通過對3種布置方式巖石試件破壞形態(tài)的分析，可以看出水平布置的試樣破壞形態(tài)比較規(guī)律，其次為傾斜布置的試樣，豎直布置的試樣破壞形態(tài)最為復(fù)雜。結(jié)果表明：隨著砂巖試樣受力方向與孔洞圓心連線角度的增加，砂巖試樣的單軸抗壓強度和彈性模量逐漸減小；振鈴計數(shù)峰值逐漸增大；受力方向和孔洞圓心連線的角度越大，微裂紋的擴展和試樣的破壞形態(tài)越規(guī)律。

圖7 5 mm雙孔洞不同布置方式巖石試件破壞后形態(tài)Fig. 7 Failure morphology of rock specimens with 5 mm diameter double holes arranged in different ways

圖8 5 mm雙孔洞不同布置方式巖石試件應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計Fig. 8 Stress-time-ringing count statistics of rock specimens with 5 mm diameter double holes arranged in different ways

通過分析雙孔洞不同布置方式的應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計圖，得到其巖石力學(xué)參數(shù)如表4所示。

表4 不同孔洞布置方式巖石的力學(xué)參數(shù)

Table 4 Mechanical parameters of rock with different hole arrangement

n/個布置方式p/MPaε/%E/GPa2水平52.092.033.382豎直65.593.334.652傾斜56.411.744.09

單孔直徑10mm，孔深分別為10、20 mm 2種巖石試件破壞后的形態(tài)如圖9所示，應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計如圖10所示。單孔直徑10 mm、孔深10 mm的砂巖試件在0.02 mm/s的位移加載條件下，應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計如圖10a所示。單孔直徑10 mm、孔深20 mm的砂巖試件的應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計如圖10b所示。

圖9 10 mm單孔洞不同孔深巖石試件破壞后形態(tài)Fig. 9 Failure morphology of rock specimens with 10 mm diameter single hole and different hole depths

圖10 10 mm單孔洞不同孔深巖石試件應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)統(tǒng)計Fig. 10 Stress-time-ringing count statistics of rock specimens with 10 mm diameter single hole and different hole depths

孔深由10 mm增加至20 mm，振鈴計數(shù)峰值也相應(yīng)從2.8萬增加至3.2萬次。振鈴計數(shù)峰值來臨時間比較接近，但孔深20 mm的試樣峰值更加集中，在50～80 s，孔深20 mm的試樣的聲發(fā)射累計數(shù)有小幅度增加。對比破壞斷面，孔深20 mm試樣的斷面更加平整。結(jié)果表明：孔深的增加，使振鈴計數(shù)峰值增加；使聲發(fā)射事件更加集中；對比淺孔而言，深孔試樣的破壞面更加平整；隨著孔深的增加，卸壓效果逐漸增強。

通過分析單孔直徑10 mm，不同孔深砂巖試件的應(yīng)力-時間-振鈴計數(shù)，得到其巖石力學(xué)參數(shù)如表5所示。

表5 不同孔深巖石的力學(xué)參數(shù)

Table 5 Mechanical parameters of rocks with differentpore depths

n/個D/mm孔深/mmp/MPaε/%E/GPa1101081.572.144.261102071.252.323.72

3 結(jié) 論

(1)相對于完整試樣，含孔洞的試樣可以減少聲發(fā)射事件的發(fā)生，含孔洞的砂巖試樣微裂紋的孕育、萌生、擴展、成核和擴展的過程比完整試樣更加規(guī)律。隨孔徑的增加，缺壓效果逐漸趨于平緩。隨孔洞數(shù)目的增加，試件單軸抗壓強度逐漸降低，微裂紋的發(fā)育和破壞形態(tài)更加規(guī)律。

(2)隨著砂巖試樣受力方向與孔洞圓心連線角度的增加，砂巖試樣的單軸抗壓強度和彈性模量逐漸減小，振鈴計數(shù)峰值逐漸增大。受力方向和孔洞圓心連線的角度越大，微裂紋的擴展和試樣的破壞形態(tài)越規(guī)律。

(3)隨著孔深的增加，振鈴計數(shù)峰值逐漸增加，聲發(fā)射事件更加集中，卸壓效果逐漸增強。對比淺孔而言，深孔試樣的破壞面更加平整。

(4)孔洞能夠起到降低和轉(zhuǎn)移應(yīng)力的作用，應(yīng)力降低效果與孔徑、孔數(shù)及孔深成正比，當(dāng)鉆孔布置方向垂直最大主應(yīng)力方向時，應(yīng)力峰值降低最明顯，更有利于巷道的穩(wěn)定。