水-巖作用下砂巖聲發(fā)射與紅外輻射耦合研究

劉沂琳，王創(chuàng)業(yè)，2，李昕昊

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.呼倫貝爾學(xué)院 內(nèi)蒙古自治區(qū)礦山壓力重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021008)

1 研究背景

礦山開采過程中，地下水的活動使巖石常處于含水狀態(tài)，水和巖石相互作用產(chǎn)生的水-巖作用對巖石力學(xué)性能以及破壞變形機(jī)制產(chǎn)生極大影響，是引發(fā)工程災(zāi)變的一個重要因素[1-2]。對飽水巖石損傷演變過程進(jìn)行探討對地下工程的穩(wěn)定性監(jiān)測和災(zāi)害預(yù)警具有重要意義。

巖石在外力作用下發(fā)生變形破壞，其實質(zhì)是內(nèi)部能量積累與釋放的過程，能量釋放的過程中產(chǎn)生聲發(fā)射、電磁輻射、光輻射等物理現(xiàn)象[3]。聲發(fā)射(Acoustic Emission, AE)是巖石受力變形或斷裂時以彈性波形式釋放應(yīng)變能的現(xiàn)象，能夠揭示巖石變形破壞過程中內(nèi)部損傷的演化。張國凱等[4]利用聲發(fā)射能量、幅值、b值(聲發(fā)射小事件數(shù)與大事件數(shù)的比值)等特征參數(shù)共同量化花崗巖的損傷過程，表明聲發(fā)射能量表征的損傷能夠更好地反映巖石破裂的本質(zhì)特征；王創(chuàng)業(yè)等[5]結(jié)合聲發(fā)射能率、事件率以及頻譜分析理論描述了花崗巖的損傷演化過程；王崔林等[6]分析不同加載方式下灰?guī)r聲發(fā)射的分形特征，表明巖石破壞是一個降維有序的過程；顧義磊等[7]通過聲發(fā)射RA值(聲發(fā)射撞擊上升時間與幅度的比值)的分形維數(shù)揭示了頁巖破壞過程中的微觀機(jī)制及分形特征。

紅外輻射是巖石受力破壞過程中產(chǎn)生電子躍遷以及能量轉(zhuǎn)換的現(xiàn)象，能夠表現(xiàn)巖石破壞的外在特征。來興平等[8]利用平均紅外輻射溫度量化了預(yù)制裂隙煤巖破壞過程的熱紅外輻射時序演化與異化特征；程富起等[9]基于最高紅外輻射溫度建立損傷變量表達(dá)式，驗證了紅外輻射溫度特征參數(shù)與煤巖損傷演化之間的關(guān)系；谷中元等[10]結(jié)合紅外熱像圖、頻數(shù)直方圖等多種紅外輻射分析手段探討了單向循環(huán)加卸載對花崗巖力學(xué)性質(zhì)的影響。

上述研究成果分別探討了聲發(fā)射以及紅外輻射在各自領(lǐng)域?qū)r石破裂過程的響應(yīng)特征，但對巖石飽水狀態(tài)下兩類手段耦合研究較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對天然與飽水狀態(tài)下的砂巖進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射以及紅外輻射觀測實驗，結(jié)合巖石損傷變形理論、通過聲發(fā)射參數(shù)分析、紅外溫度時序分析，多參數(shù)、多角度揭示水對巖石破裂機(jī)制的影響，豐富巖石破裂的前兆識別信息，為巖石災(zāi)變時地球物理信號響應(yīng)機(jī)制提供理論參考。

2 試驗及巖石力學(xué)基本參數(shù)特征

2.1 巖石試樣制備

試驗選擇未被工程擾動的大塊砂巖，將其加工成40 mm×40 mm×80 mm(長×寬×高)的長方體標(biāo)準(zhǔn)試樣。加工好的巖石試樣分為天然與飽水2組，每組3個試樣，編號分別為NA、SA。NA組天然狀態(tài)試樣不作任何處理；SA組飽水狀態(tài)試樣是將天然狀態(tài)下的巖石放入真空加壓飽水裝置48 h制成。制備好的試樣參數(shù)見表 1。

表1 試樣物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanics parameters of naturaland water-saturated sandstone specimens

為保證水分不流失，將制備好的巖石試樣用塑料膜封裝并提前1 d放入試驗現(xiàn)場，保證試樣溫度與環(huán)境溫度一致。

2.2 試驗設(shè)備及方法

天然與飽水砂巖單軸壓縮試驗的加載系統(tǒng)采用SAW-2000微機(jī)控制電液伺服巖石壓力試驗機(jī)。在力學(xué)試驗進(jìn)行過程中采用SAEU2S多通道聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)與FLUKE Ti580紅外熱像儀(溫度靈敏度<0.05 ℃)，同步采集AE特征參數(shù)、巖石表面紅外輻射溫度。試驗現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 試驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

為保證紅外觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，在試驗機(jī)周圍放置一塊遮光布，只留下1個方向開口用于熱像監(jiān)測，以防環(huán)境輻射干擾試驗結(jié)果。將紅外熱像儀放置在巖石試樣正前方 1 m 左右位置，加載試樣旁放置一個參照試樣以消除后續(xù)溫度數(shù)據(jù)處理時環(huán)境溫度變化對加載試樣的影響。所有試驗均采用等位移控制的加載方式，以0.1 mm/min的加載速率恒定加載直至巖石破壞。同時，保證聲發(fā)射裝置、紅外熱像儀與壓力試驗機(jī)同時開啟，使各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄保持同步，試驗過程中禁止人員走動。

3 巖石力學(xué)性質(zhì)變化

全部試樣的軸向應(yīng)力-時間曲線見圖 2。

圖2 時間-軸向應(yīng)力 Fig.2 Time-history curves of axial stress of specimens

試樣的應(yīng)力曲線分為5個變形階段[11]，以圖2中SA-1試樣為例，用O—D表示每個階段的開始時刻，將應(yīng)力曲線劃分為孔隙壓密階段(OA)、彈性變形階段(AB)、彈塑性變形階段(BC)、非穩(wěn)定性破裂發(fā)展階段(CD)、峰后階段(DE)，以便后文對試樣變形階段不同參數(shù)的分析。

在兩類巖石試樣中，天然試樣的單軸抗壓強(qiáng)度較大，受載時間較長。進(jìn)入CD階段后，應(yīng)力曲線斜率增大，加載至峰值應(yīng)力后，試樣沒有立即失穩(wěn)，發(fā)生了應(yīng)力調(diào)整，在破壞失穩(wěn)時仍有一定的承載能力；飽水試樣進(jìn)入CD階段后，應(yīng)力曲線斜率減小，承載能力迅速減弱，加載至峰值應(yīng)力不久后，試樣立即失穩(wěn)破壞，同時失去了承載能力，說明了水對砂巖的力學(xué)性質(zhì)弱化作用較明顯。

4 巖石聲發(fā)射響應(yīng)特征

4.1 聲發(fā)射能率分析

聲發(fā)射活動性評價可以反映巖石受載過程中內(nèi)部損傷情況以及微裂隙發(fā)育過程[12]，其中，常選取能率表征巖石內(nèi)破裂發(fā)生的規(guī)模[13]，反映聲發(fā)射事件的強(qiáng)度，本文對全部試樣的能率進(jìn)行全時域分析，聲發(fā)射能率隨時間的變化規(guī)律。見圖3。

圖3 全部試樣聲發(fā)射能率、應(yīng)力與時間關(guān)系曲線Fig.3 Time-histories of AE energy rates and stress of all samples

飽水試樣平均峰值能率約為1×106(mv·us)/s，天然試樣的平均峰值能率約為3.2×106(mv·us)/s。加載初期(OA、AB階段)，砂巖試樣處于能量聚集累積階段，聲發(fā)射信號強(qiáng)度微弱，能量釋放率較低；加載至BC階段，巖石試樣裂隙穩(wěn)定發(fā)育，天然試樣能率開始增加的時間較飽水試樣早，有明顯的突增現(xiàn)象。進(jìn)入CD階段，隨著巖石裂隙開始大量發(fā)育，試樣前期累積的壓縮能瞬間釋放，接近應(yīng)力峰值強(qiáng)度時，聲發(fā)射能率均迅速增加，天然試樣能率增加的幅度更大，聲發(fā)射響應(yīng)和裂隙發(fā)育更劇烈；天然試樣能率的峰值與應(yīng)力峰值同步產(chǎn)生，應(yīng)力調(diào)整階段仍產(chǎn)生大量高能率信號。飽水試樣能率峰值較應(yīng)力峰值有滯后的現(xiàn)象，發(fā)生在試樣破壞失穩(wěn)時。

天然試樣整體能率較飽水試樣高、聲發(fā)射活動活躍階段的持續(xù)時間較飽水試樣長，與應(yīng)力同步性更好,說明巖石受載過程中飽水試樣的聲發(fā)射活動以及裂紋發(fā)育規(guī)模被水抑制。

4.2 巖石聲發(fā)射分形特征

巖石聲發(fā)射的時序參數(shù)具有明顯的分形特征[14]。關(guān)聯(lián)維數(shù)可以定量描述巖石受載破壞過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，即分形特征。本文采用G-P關(guān)聯(lián)維數(shù)算法，重構(gòu)試樣聲發(fā)射能率數(shù)列的相空間，計算不同應(yīng)力水平下能率的關(guān)聯(lián)維數(shù)D值[15]。D值的計算公式為

(1)

式中：r為相空間的描述尺度;Cr為累積分布函數(shù);D為所對應(yīng)的雙對數(shù)坐標(biāo)下一元線性回歸擬合直線的斜率。

兩類試樣聲發(fā)射能率的D值隨應(yīng)力變化規(guī)律的曲線見圖4。

圖4 試樣SA、NA聲發(fā)射能率關(guān)聯(lián)維數(shù)D隨相對應(yīng)力水平變化關(guān)系Fig.4 Changes of the correlation dimension D ofAE energy rates against stress ratio of all samples

兩類試樣聲發(fā)射D值的變化規(guī)律大體上均為升-降-升-降。關(guān)聯(lián)維數(shù)D值的增大和減小，分別標(biāo)志著巖石內(nèi)部破壞形式有序度的降低和提高[5]。

分析圖 4(a)可知，巖石試樣加載初期由于各向異性，存在不同尺寸、數(shù)量的孔隙，能率釋放的有序度降低，D值增大。飽水試樣的D值在相對應(yīng)力水平20%～30%時開始下降，此時處于AB階段，巖石試樣受載狀態(tài)穩(wěn)定，裂隙發(fā)育較少，能量釋放微弱導(dǎo)致D值持續(xù)降低。50%～60%相對應(yīng)力水平時，巖石處于BC階段，隨著裂隙大量發(fā)育且雜亂無章，D值開始上升，相對應(yīng)力水平接近90%時，巖石處于CD階段，能率大量釋放，迸發(fā)有序，D值發(fā)生突降，標(biāo)志著裂隙相互貫通并向主破裂面聚集，裂隙發(fā)育從離散無序變?yōu)榫奂行颉?/p>

分析圖 4(b)可知，天然試樣與飽水試樣聲發(fā)射能率D值的整體變化趨勢相同，曲線3個拐點出現(xiàn)的時間不同。天然試樣在相對應(yīng)力水平為10%～20%時D值第一次下降，說明孔隙壓密階段較飽水試樣短；相對應(yīng)力水平30%～40%時，D值上升，相對應(yīng)力水平70%～80%時，巖石變形處于BC階段末期和CD階段前期，D值第二次下降，說明聲發(fā)射對裂隙離散無序發(fā)育以及聚集有序發(fā)育的響應(yīng)時間均較飽水試樣早；飽水試樣3個拐點出現(xiàn)的時間均晚于天然試樣，D值整體上大于天然試樣，能率的釋放呈現(xiàn)更大的無序性，進(jìn)一步驗證了水削弱了飽水試樣對聲發(fā)射響應(yīng)的敏感程度。聲發(fā)射能率的分形維數(shù)能夠表征巖石損傷演化發(fā)展趨勢和階段性特征。

5 巖石紅外輻射響應(yīng)特征

5.1 頻數(shù)直方圖

巖石在變形破壞過程中，其表面會有一定的紅外輻射，紅外熱像儀獲得的紅外溫度矩陣反映了紅外輻射特性隨巖石損傷演化的演變過程。

本文采用頻數(shù)直方圖分析砂巖試樣表面溫度分布情況。頻數(shù)直方圖可簡化溫度數(shù)據(jù)、突出其統(tǒng)計分布及結(jié)構(gòu)特征[10]，能夠顯示出巖石內(nèi)部損傷破裂導(dǎo)致紅外輻射特征突變時，巖石表面溫度的不均衡遷移以及巖石損傷破裂程度。

選出巖石試樣不同變形階段對應(yīng)的關(guān)鍵時刻O—E點的紅外熱像序列，利用參照試樣對加載試樣的表面紅外輻射溫度進(jìn)行去噪，得到去除環(huán)境影響后加載試樣的紅外輻射溫度，繪制頻數(shù)直方圖。由于相同狀態(tài)的試樣頻數(shù)直方圖分布形態(tài)相似，僅以試樣SA-2、NA-1為例進(jìn)行具體分析，見圖 5。

圖5 試樣SA-2、NA-1頻數(shù)直方圖Fig.5 Frequency histogram of specimen SA-2 and NA-1

分析圖 5(a)可知，飽水試樣的頻數(shù)直方圖整體呈現(xiàn)左高右低的分布形態(tài)，溫度分布范圍隨著巖石受載持續(xù)增大。試樣SA-1、SA-2以及SA-3的溫差(溫度最大值與最小值的距離)變化范圍分別為4.2～6.81 ℃、3.6～6.24 ℃以及3.8～4.95 ℃。加載過程中試樣表面的平均溫差為2.13 ℃；飽水試樣在B點進(jìn)入彈塑性階段，此時裂隙開始大量發(fā)育，伴隨著摩擦生熱，溫度均整體升高并向坐標(biāo)軸右側(cè)大幅度移動，隨后最低溫變化幅度較小，最高溫逐漸升高，說明出現(xiàn)高溫異常區(qū)域。

分析圖 5(b)可知，天然試樣的頻數(shù)直方圖整體呈正態(tài)分布，溫度分布范圍隨著巖石受載均先變寬后變窄。試樣NA-1、NA-2以及NA-3的溫差變化范圍分別為0.68～2.01 ℃、1.2～1.95 ℃以及1.35～2.04 ℃。加載過程中試樣表面的平均溫差為0.92 ℃。天然試樣在B、C兩點時，裂隙大量發(fā)育至貫通，溫度分布范圍較寬，出現(xiàn)低頻數(shù)的高低溫異常點，分異現(xiàn)象明顯。加載后期，D、E兩點的溫度分布范圍變窄，溫度分布更加集中，E點時巖石試樣破壞失穩(wěn)出現(xiàn)高溫異常點。

5.2 偏 度

偏度是標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)組三次方的算術(shù)平均數(shù)。為了進(jìn)一步探究砂巖表面溫度分布的統(tǒng)計學(xué)特性，采用偏度表征整個加載過程中溫度分布的偏斜程度，捕捉巖石的瞬時紅外輻射變化特征[16]，偏度S計算公式為：

S=[E(X-μ)3]/σ。

(2)

式中：X為紅外輻射溫度序列；μ為溫度序列的平均值；σ為溫度序列的標(biāo)準(zhǔn)差；E( )為數(shù)學(xué)期望。

進(jìn)一步繪制去噪后全部試樣偏度S隨時間變化的曲線，如圖 6。

圖6 全部試樣偏度、應(yīng)力隨時間變化曲線Fig.6 Time-histories of partial degree and stress of all samples

S>0是右偏，即右邊有長拖尾，溫度序列平均值左邊的數(shù)據(jù)居多。S<0是左偏，即左邊有長拖尾，溫度序列平均值右邊的數(shù)據(jù)居多[17]。

分析圖6中的(a)—(c)可知，加載過程中，飽水試樣S恒>0，說明試樣溫度整體的分布形態(tài)是右偏，曲線呈現(xiàn)緩慢下降的變化趨勢。加載初期，S曲線緩慢上升，溫度分布的右偏程度逐漸變大，此時飽水試樣中的孔隙壓密吸熱，降溫區(qū)域增多；隨著巖石受載，曲線持續(xù)下降，溫度分布開始逐漸向高溫偏移，試樣的升溫區(qū)域越來越大。已有研究表明[18]，張拉裂紋使溫度降低，剪切裂紋使溫度升高，進(jìn)入BC階段后，曲線下降速率減緩，此時張拉裂紋與剪切裂紋同時劇烈發(fā)育，升、降溫區(qū)域交替出現(xiàn)，但仍以升溫區(qū)域的增大為主；在試樣失穩(wěn)破壞時(E點)，偏度大幅度突降至負(fù)值，此時溫度分布呈現(xiàn)左偏，說明飽水試樣破壞時表現(xiàn)為試樣表面大部分區(qū)域升溫，紅外輻射有明顯的響應(yīng)。

分析圖 6中的(d)—(f)可知，天然試樣S在0的附近上下波動，說明加載過程中，其溫度分布的偏移程度小，對紅外輻射的響應(yīng)弱，符合上文所說的正態(tài)分布。加載初期孔隙壓密吸熱，曲線上升；AB階段，曲線波動幅度小，溫度分布形態(tài)幾乎不變；進(jìn)入BC階段后，張拉裂紋與剪切裂紋同時發(fā)育導(dǎo)致S曲線上下大幅度劇烈波動，溫度變化不穩(wěn)定，此階段S>0，右偏程度較前一階段大，說明試樣以降溫區(qū)域的出現(xiàn)為主；臨近峰值應(yīng)力，曲線小幅度下降后變化趨于穩(wěn)定，結(jié)合E點的頻數(shù)直方圖，說明天然試樣破壞時表現(xiàn)為應(yīng)力集中導(dǎo)致少數(shù)溫度異常點的出現(xiàn)。

天然試樣溫度序列的S值以及波動幅度均小于飽水試樣，說明水增強(qiáng)了巖石紅外輻射的敏感性。兩類巖石峰值應(yīng)力前均出現(xiàn)S變化減緩，即溫度分布形態(tài)穩(wěn)定的特征，此階段溫度整體偏移變化很小，溫度變化處于平靜期。

總體來說，砂巖受載過程中，隨著應(yīng)力的增加，溫度整體變化是一個逐漸減緩并趨于穩(wěn)定的過程，聲發(fā)射活動是一個逐漸劇烈的過程。進(jìn)入巖石裂隙大量發(fā)育的非穩(wěn)定破壞階段，紅外溫度矩陣的偏度曲線變化減緩，試樣表面整體溫度無大幅度變化，處于平靜期；試樣前期累積的壓縮能在此階段瞬間釋放，聲發(fā)射能量的釋放率迅速增加，處于活躍期。聲電場與紅外輻射溫度場對砂巖損傷演化響應(yīng)的活躍程度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。

6 結(jié) 論

(1)飽水和天然砂巖試樣的時間與軸向應(yīng)力曲線表明水對砂巖的力學(xué)性質(zhì)弱化作用較明顯，減弱了巖石的抗壓強(qiáng)度、受載時間以及進(jìn)入非穩(wěn)定破壞階段后的承載能力。

(2)砂巖試樣的聲發(fā)射能率隨時間變化的規(guī)律表明，兩類試樣在加載前期能率較低，累積的能量在彈塑性(BC)階段緩慢釋放，峰值應(yīng)力前(CD階段)高能率信號密集劇烈出現(xiàn)；天然試樣的平均峰值能率較飽水試樣高，能量釋放活躍階段的持續(xù)時間以及幅度較飽水試樣大，與應(yīng)力的同步性更好，說明水抑制了巖石聲發(fā)射活動以及裂紋發(fā)育規(guī)模。

(3)聲發(fā)射能率的關(guān)聯(lián)維數(shù)D值能夠表征巖石損傷演化的發(fā)展趨勢和階段性特征，兩類試樣D值的變化規(guī)律相同，均為升-降-升-降，但D值曲線出現(xiàn)拐點的時間不同。飽水試樣3個拐點的出現(xiàn)時間晚于天然試樣，且D值整體大于天然試樣，能率的釋放呈現(xiàn)更高的無序性，進(jìn)一步說明了水削弱了巖石聲發(fā)射的敏感性。

(4)砂巖表面溫度序列的頻數(shù)直方圖與偏度S表明，飽水試樣溫度分布普遍存在形態(tài)為左高右低，S>0且呈下降趨勢，升溫區(qū)域持續(xù)增大，破壞失穩(wěn)時表現(xiàn)為巖石表面大面積升溫；天然試樣溫度分布普遍存在形態(tài)為正態(tài)分布，S值僅在0附近上下波動，溫度變化幅度小且不穩(wěn)定，破壞失穩(wěn)時表現(xiàn)為巖石表面出現(xiàn)少數(shù)高溫異常點；水增強(qiáng)了巖石紅外輻射的敏感性，兩類巖石臨近峰值應(yīng)力前均出現(xiàn)紅外輻射溫度變化平靜期。

(5)飽水與天然砂巖試樣受載過程中聲發(fā)射與紅外輻射溫度場對砂巖損傷演化響應(yīng)的活躍程度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)。聲發(fā)射活動是一個逐漸劇烈的過程，紅外輻射溫度的變化是一個逐漸減緩的過程。