加卸荷条件下岩石力学特性与声发射特征

　２０１９年４月　

ｄｏｉ:１０􀆰１１７３１/ｊ.ｉｓｓｎ.１６７３￣１９３ｘ.２０１９􀆰０４􀆰０１７　　

中全生产科学技术

ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳａｆｅｔｙＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｖｏｌ.１５Ｎｏ.４　Ａｐｒ.２０１９

加卸荷条件下岩石力学特性与声发射特征∗

(１.安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室ꎬ安徽淮南２３２００１ꎻ

２.安徽理工大学能源与安全学院ꎬ安徽淮南２３２００１)

刘崇岩１ꎬ２ꎬ赵光明１ꎬ２ꎬ许文松１ꎬ２

摘　要:为了探究真三轴复杂应力变化条件下岩石强度及破坏模式ꎬ通过真三轴卸荷扰动测试系统对砂岩试件进行不同第二主应力加卸荷试验ꎬ讨论在加卸荷过程中岩石的力学特性及声发射特征ꎮ试验结果表明:第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果ꎻ不同第二主应力加卸荷声发射能量及累计振铃计数变化趋势大体一致ꎬ耗散能量比在载荷达到岩石损伤强度时突增ꎻ声发射能量峰值提前于试件轴向应力跌落ꎬ声发射能量和累计振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆ꎻ在低载荷下岩石中活动主要是裂隙压密与发育ꎬ在达到岩石损伤强度后岩石中的活动主要是裂纹贯通形成破裂面ꎬ砂岩试件声发射定位点集中区域与试件主要破裂面基本吻合ꎮ关键词:真三轴实验ꎻ单面卸荷ꎻ声发射ꎻ强度

中图分类号:ＴＵ４５２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:１６７３－１９３Ｘ(２０１９)－０４－０１０９－０６

Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｃｋｕｎｄｅｒ

ｌｏａｄ￣ｕｎｌｏａｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎ

ＬＩＵＣｈｏｎｇｙａｎ１ꎬ２ꎬＺＨＡＯＧｕａｎｇｍｉｎｇ１ꎬ２ꎬＸＵＷｅｎｓｏｎｇ１ꎬ２

(１.ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＭｉｎｉｎｇＣｏａｌＳａｆｅｔｙａｎｄＥｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙＣｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄｂｙＡｎｈｕｉＰｒｏｖｉｎｃｅａｎｄＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆ２.ＣｏｌｌａｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＳａｆｅｔｙꎬＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨｕａｉｎａｎＡｎｈｕｉ２３２００１ꎬＣｈｉｎａ)

ＥｄｕｃａｔｉｏｎꎬＡｎｈｕｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＨｕａｉｎａｎＡｎｈｕｉ２３２００１ꎬＣｈｉｎａꎻ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｘｐｌｏｒｅｔｈｅｒｏｃｋｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｆａｉｌｕｒｅｍｏｄｅｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｒｕｅｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｌｅｘｓｔｒｅｓｓｃｈａｎｇｅꎬｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｃｏｎｄｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓｌｏａｄ￣ｕｎｌｏａｄｔｅｓｔｓｏｎｓａｎｄｓｔｏｎｅｓｐｅｃｉｍｅｎｓｂｙｔｒｕｅｔｒｉａｘｉａｌｕｎｌｏａｄｉｎｇｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔꎬａｎｄｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓａｎｄａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｒｏｃｋｓｄｕｒｉｎｇｌｏａｄ￣ｕｎｌｏａｄｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｄｉｓｃｕｓｓｅｄ.Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓｈａｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｆｉｒｓｔｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇａｎｄｗｅａｋｅｎｉｎｇｔｈｅｂｅａｒｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆｔｈｅｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎ.Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｃｏｎｄｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓｌｏａｄ￣ｕｎｌｏａｄａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙａｎｄｃｕ￣

ｍｕｌａｔｉｖｅｒｉｎｇｉｎｇｃｏｕｎｔｃｈａｎｇｅｔｒｅｎｄｉｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ.Ｔｈｅｄｉｓｓｉｐａｔｅｄｅｎｅｒｇｙｉｓｍｏｒｅｓｕｄｄｅｎｔｈａｎｗｈｅｎｔｈｅｌｏａｄｒｅａｃｈｅｓｔｈｅｒｏｃｋｄａｍａｇｅｓｔｒｅｎｇｔｈ.Ｔｈｅｐｅａｋｏｆａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙｉｓｅａｒｌｉｅｒｔｈａｎｔｈｅａｘｉａｌｓｔｒｅｓｓｄｒｏｐｏｆｔｈｅｔｅｓｔｐｉｅｃｅꎬａｎｄｔｈｅｓｕｄｄｅｎｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙａｎｄｔｈｅｃｕｍｕｌａｔｉｖｅｒｉｎｇｉｎｇｃｏｕｎｔｃａｎｂｅｕｓｅｄａｓａｐｒｅｃｕｒｓｏｒｔｏｒｏｃｋｄａｍａｇｅ.Ｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｉｎｔｈｅｒｏｃｋｕｎｄｅｒｌｏｗｌｏａｄｉｓｍａｉｎｌｙｔｈｅｆｉｓｓｕｒｅｃｏｍｐａｃｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ.Ａｆｔｅｒｒｅａｃｈｉｎｇｔｈｅｒｏｃｋｄａｍａｇｅｓｔｒｅｎｇｔｈꎬｔｈｅａｃｔｉｖｉｔｙｉｎｔｈｅｒｏｃｋｉｓｍａｉｎｌｙｔｈｅｃｒａｃｋｔｈｒｏｕｇｈｔｏｆｏｒｍｔｈｅｆｒａｃｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅ.Ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄａｒｅａｏｆｔｈｅａｃｏｕｓ￣ｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｌｏｃａｔｉｎｇｐｏｉｎｔｏｆｔｈｅｓａｎｄｓｔｏｎｅｓｐｅｃｉｍｅｎｉｓｂａｓｉｃａｌｌｙｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅｍａｉｎｒｕｐｔｕｒｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｔｅｓｔｐｉｅｃｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｔｒｕｅｔｒｉａｘｉａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔꎻｓｉｎｇｌｅ￣ｓｉｄｅｄｕｎｌｏａｄꎻａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎꎻｓｔｒｅｎｇｔｈ

∗基金项目:国家重点研发计划(２０１７ＹＦＣ０６０３０００)ꎻ国家自然科学基金项目(５１６７４００８ꎬ５１７７４０１２)ꎻ安徽省学术和技术带头人科研活动经费

项目(２０１８Ｄ１８７)ꎻ高校优秀拔尖人才培育项目(ｇｘｂｊＺＤ２０１６０５１)

作者简介:刘崇岩ꎬ硕士研究生ꎬ主要研究方向为岩土与地下工程ꎮ通信作者:许文松ꎬ博士研究生ꎬ主要研究方向为岩土与地下工程ꎮ

收稿日期:２０１９－０３－１２

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　　　　　　　　　　　中全生产科学技术　　　　　　　　　　　　　　　　　第１５卷

０　引言

声发射是岩石在受到外界应力作用下内部裂隙萌生和扩展产生的弹性波ꎬ岩石的声发射信号变化可反映出岩石的受载状态及破坏过程ꎬ研究不同第二主应力加卸荷条件下岩石强度和声发射信号之间的关系ꎬ对探究复杂应力变化条件下岩石破坏机理具有重要意义ꎮσ１ꎬ单面卸荷σ３进行瞬时岩爆模拟试验ꎬ分析得到试验过程中声发射信号与岩爆过程的对应关系ꎻ苗金丽等[２]何满潮等[１]通过真三轴试验机对花岗岩分级加载

器控制ꎮ

试验声发射监测系统采用北京软岛ＤＳ５声发射系统ꎬ配合６个声发射探头采集信号ꎬ采样频率为前置放大器(增益)为４０ｄＢꎬ为尽量减少噪音影响ꎬ门槛值设定为５０ｄＢꎬ声发射采样频率范围设定为１ｋＨｚ~１ＭＨｚꎬ声发射信号分析软件实时记录ＡＥ事件、能量、振幅等参数ꎬ并根据采集参数进行三维定位ꎮ图１为相关试验设备与试件的安装ꎮ

研究了真三轴应力状态下突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射数据ꎬ分析岩石破坏过程的微观机制ꎻ艾婷等[３]在不同围压下进行煤岩的三轴声发射试验ꎬ揭示了煤岩声发射的围压效应ꎻ刘倩颖等[４]对不同初始围压下煤样的卸荷破坏进行声发射试验ＡＥ兆信息特征的围压效应及基于声发射的多参数综合破坏前ꎬ得到煤在卸荷过程中ＳＥＭꎻ沙鹏等[５]采用真三轴卸载试验、声发射监测、

荷载速率下的卸载强度和破裂演化特征进行了研究电镜扫描等手段ꎬ对高储能岩体在不同应力路径与ꎻ高真平等[６]以岩石循环加卸载声发射试验为基础ꎬ研究了岩石损耗比和加卸载响应比特性ꎬ分析岩石受载过程中的内部损伤演化和破坏前兆特性ꎻ何俊等[７]分析了常规三轴、三轴循环加卸载作用下岩石声发射特征ꎬ相同加载条件下ꎬ声发射能量和累计振铃计数的变化随时间的变化趋势基本一致ꎬ声发射突变点可作为判定煤样破坏的前兆ꎻ李文帅等[８]研究了真三轴应力状态下的岩石强度ꎬ变形及岩石的破坏强度ꎬ探讨了第二主应力对岩石强度的影响ꎬ并结合ＣＴ扫描技术分析了岩石内部的破裂形态ꎻ苏国韶等[９]利用真三轴岩爆试验系统进行花岗岩岩爆弹射破坏过程模拟物理的试验ꎬ分析不同高温作用后岩样岩爆弹射过程、破坏形态特征、峰值强度、声发射特性、碎块特征以及弹射动能的变化规律ꎮ

现阶段关于真三轴试验研究成果逐渐增多ꎬ但试验大多数是模拟岩爆和隧道开挖ꎬ对真三轴复杂应力条件下岩石强度及破坏模式的分析有待进一步开展ꎮ本文通过真三轴扰动卸荷岩石测试系统和声发射测试系统对岩石进行加卸荷试验ꎬ探讨岩石的力学特性与声发射特征ꎬ对地下岩体工程的建设具有重要的参考价值ꎮ１　真三轴加卸荷试验

１.１　试验设备及试样制作

试验加卸荷系统所采用的是安徽理工大学真三轴扰动卸荷岩石测试系统ꎬ该系统通过３个的加载系统对立方体岩石试件三向六面进行加载ꎬ试验系统对Ｚ方向可以施加最大５０００ｋＮ的载荷ꎬ对Ｘ和Ｙ方向可以施加最大３０００ｋＮ的载荷ꎬ加卸荷采用全数字伺服测控

图１　试验设备与试件安装

Ｆｉｇ.１　Ｔｅｓｔｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｓｐｅｃｉｍｅｎｓｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ

８００试验原岩样取自于安徽某矿的开拓巷道ꎬ埋深

的试样ｍꎬ将原岩样加工成尺ꎬ保证试样端面不平行度在１００ｍｍ０.×１０００２ｍｍｍｍ以内×１００ꎬ尺寸ｍｍ误差在０.１ｍｍ以内ꎬ完整性和均匀性较好ꎬ试样精度满足试验要求ꎮ

１.２　试验内容和方法

试验开始前将试件固定于真三轴夹具中ꎬ将声发射探头上涂抹耦合剂后再分散安装于夹具表面ꎬ试验时同时开始真三轴试验机加卸荷操作和声发射监测系统ꎬ保证数据在时间上的一致性ꎮ其中ꎬ表１为初始应力值ꎮ

表１　初始应力值Ｔａｂｌｅ１　Ｉｎｉｔｉａｌｓｔｒｅｓｓ

岩样编号σ１＃１２＃３０/ＭＰａσ２１０/ＭＰａσ３/３＃３０１５５ＭＰａ４＃

３０３０

２０５２５

５５

试验中加卸荷采用载荷控制方式ꎬ加载速率均为

０.加至表５ＭＰａ１/中初始应力值ｓꎬ卸荷速率均为ꎬ完成如图５ＭＰａ/ｓꎮ２中的初始阶段首先将σ１ꎬσ２ꎬꎬσ再３

进行阶段１操作ꎬ将Ｘ方向的卸荷面进行瞬时卸载ꎬ稳压９００ｓꎬ如试件未发生破坏ꎬ再次加载卸荷面ꎬ将σ１增

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加１０ＭＰａꎬ阶段２操作与阶段１操作相同ꎬ以此步骤进行Ｚ方向增加轴压ꎬＹ方向卸荷面重复卸荷操作ꎬ直至试件失稳破坏ꎮ１＃、２＃、３＃试件加载路径与图２中４＃试件加卸荷路径示意图σ２大小不同ꎬσ１加卸荷操作相同ꎮ

１０－３ꎬ２８.８１×１０－３和２０.３８×１０－３ꎬ峰值强度和轴向应在σ＝２０ＭＰａ时试件峰值强度和轴向应变都是最大ꎮ

强度对应的轴向应变ε１分别为２３.１２×１０－３ꎬ２８.１２×

变都随着第二主应力的增加呈现先增大后减小的趋势ꎬ

图２　４＃试件加卸荷路径示意

Ｆｉｇ.２　４＃ｓｐｅｃｉｍｅｎｓｌｏａｄｉｎｇａｎｄｕｎｌｏａｄｉｎｇｐａｔｈｓｃｈｅｍａｔｉｃ

２　试验结果及分析

２.１　加卸荷强度特征

应力－应变曲线是研究岩石破坏特征的重要方法ꎬ可以反映出岩石从开始加载的裂隙压密到起裂、扩展发育形成裂纹ꎬ再到岩石最终形成宏观破裂面的破坏过程ꎬ如图３所示ꎮ

图３　不同第二主应力加卸荷应力－应变曲线Ｆｉｇ.３　Ｓｔｒｅｓｓ￣ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆｌｏａｄ－ｕｎｌｏａｄｕｎｄｅｒ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｃｏｎｄｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓｅｓ

由图３可知ꎬ不同第二主应力加卸荷应力－应变曲线的变化趋势大体相同ꎬ加压到初始应力阶段之前ꎬ应力应变曲线斜率不断增加ꎬ试件经历了裂隙压密阶段ꎬ随后轴向载荷与轴向位移呈现近似直线的关系ꎬ试件进入弹性变形阶段ꎮ

图４为不同第二主应力加卸荷时间－应变曲线ꎬ其中ꎬ砂岩破坏特征参数见表２ꎮ１＃、２＃、３＃、４＃试件的破坏时轴向载荷分别为１００ꎬ１１０ꎬ１３０和１１０ＭＰａꎬ试件峰值

２图４　不同第二主应力加卸荷时间－应变曲线Ｆｉｇ.４　Ｔｉｍｅ￣ｓｔｒａｉｎｃｕｒｖｅｓｏｆｌｏａｄ￣ｕｎｌｏａｄｕｎｄｅｒ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｃｏｎｄｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓｅｓ

表２　砂岩破坏特征参数

Ｔａｂｌｅ.２　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓａｎｄｓｔｏｎｅｆａｉｌｕｒｅ

编号破坏载荷/ＭＰａ

εε１＃２＃１００１２３./１０－３２４./１０－３３＃１１０４＃

１３０２８.１２１１０

２８.１２２０.８１３８

１０.９.０１０９

１４.２９２０

Ｙ方向应变ε１０.１９×１０－３２分别为４.０１×１０－３和１４.２０×１０－３ꎬσ２在一定范围内延缓或限ꎬ９.０９×１０－３ꎬ

制了平行于σ着σ３方向的裂纹产生ꎬ增强其承载能力ꎬ但随

２的增加也加速了ε２的变化ꎬ促**行于σ２方向裂隙的发育贯通ꎬ弱化了试件的承载能力ꎮ第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果ꎮ

单面卸荷后ꎬ试件积聚的弹性能瞬间释放ꎬ造成试件扩容ꎬ因此轴向出现回弹变形ꎮ但在试验中出现轴向

继续压缩的现象ꎬ如图４ꎬσ主应力为１０ＭＰａ的１＃试件轴向继续压缩１＝３０ＭＰａ时单面卸荷ꎬ由于围压较ꎬ第二

小ꎬ试件积聚的弹性能小ꎬ卸荷后岩石主要向卸荷面扩容ꎬ在轴向载荷的作用下继续压缩ꎮ第二主应力为１５ꎬ２０荷引起的轴向弹力大于轴向载荷和２５ＭＰａ时ꎬ岩石积聚的弹性能相对ꎬ轴向出现回弹变形１＃试件大ꎬ卸ꎻσ轴向依然出现回弹变形１≥４０ＭＰａ后单面卸荷ꎬꎬ１＃但４＃试件继续压缩变形试件轴向变为压缩变形ꎬ２＃、３＃ꎬσ２＝２５ＭＰａ时加速了平行于ꎬ弹性能主要被裂纹的扩展所σ２方向的扩展ꎬ随着轴向应力的增加ꎬ单面卸荷后耗散ꎬ也就是试件主要向卸荷面扩容ꎬ同时裂隙的扩展

􀅰１１２􀅰

　　　　　　　　　　　中全生产科学技术　　　　　　　　　　　　　　　　　第１５卷

贯通降低了试件的承载能力ꎬ因此试件会在最大主应力作用下继续压缩变形ꎮ

砂岩试件在破坏时可以听见岩石爆裂时清脆的响声ꎬ应力曲线突然下降ꎬ脆性破坏特征明显ꎮ瞬时单面卸荷后ꎬ砂岩试件没有宏观性破坏ꎬ一小段时间后ꎬ轴向应力突然跌落ꎬ破坏出现明显的滞后现象ꎬ卸荷后岩石内部应力重新调整ꎬ应力无法平衡才导致试件失稳破坏ꎮ

育情况ꎬ文中的试验试件破坏阶段远大于加卸荷过程中产生的声发射能量和振铃计数ꎬ为了更直观讨论加卸荷过程中的声发射特征ꎬ对声发射能量和累计振铃计数变化进行放大处理ꎬ如图５为放大处理后的砂岩应力—时间—能量及累计振铃计数关系ꎬ并对耗散能量比进行统计分析如图６所示ꎬ耗散能量比＝(阶段单面卸荷至稳压结束产生的声发射能量)/(实验过程中声发射总能量)ꎬ耗散能量比越大ꎬ说明单面卸荷后岩石的损伤越大ꎮ

２.２　加卸荷的声发射特征分析

岩石的声发射现象可以反映出岩石内部的裂隙发

图５　不同第二主应力加卸荷应力—时间—能量及振铃计数关系

Ｆｉｇ.５　Ｓｔｒｅｓｓ￣ｔｉｍｅ￣ｅｎｅｒｇｙａｎｄｒｉｎｇｉｎｇｃｏｕｎｔｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｏｆｌｏａｄ－ｕｎｌｏａｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｃｏｎｄｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓ

中ꎬ试件处于裂隙压密阶段和弹性阶段ꎬ声发射能量持续变化ꎬ累计振铃计数曲线斜率逐渐减小ꎮ４块试件均是在轴向荷载达到峰值强度４０％~６０％时ꎬ单面卸荷后才出现明显的声发射能量变化ꎬ耗散能量比开始小幅增加ꎮ破坏阶段之前ꎬ随着轴向应力的增加ꎬ阶段单面卸荷产生的声发射能量峰值先增大后减小ꎬ产生能量最大值阶段对应的耗散能量比突增ꎬ说明在此阶段单面卸荷后应力达到岩石损伤强度ꎬ裂纹开始不断扩展形成破裂

图６　不同第二主应力耗散能量比与单面卸荷次数关系Ｆｉｇ.６　Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｓｅｃｏｎｄｐｒｉｎｃｉｐａｌ

ｓｔｒｅｓｓｄｉｓｓｉｐａｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙｒａｔｉｏａｎｄｓｉｎｇｌｅ￣ｓｉｄｅｄ

ｕｎｌｏａｄｉｎｇｔｉｍｅｓ

面ꎬ４块试件耗散能量比突增点对应的轴向载荷分别是７０ꎬ８０ꎬ９０和７０ＭＰａꎬ随着第二主应力的增加ꎬ达到岩石损伤强度所需的轴向载荷先增大后减小ꎬ从另一个方面验证了前文中第二主应力的增加对试件的承载能力起到先增强后弱化的效果ꎮ

瞬时单面卸荷为试件提供了一个变形空间ꎬ试件积聚的弹性能向自由面进行瞬间释放ꎬ微元体的张拉与摩

　　不同第二主应力加卸荷条件下试件的声发射能量与累计振铃计数变化规律基本相同ꎬ在试验初始阶段

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擦造成声发射量和累计振铃计数增加ꎮ破坏阶段之前ꎬ单面卸荷后声发射能量呈现下降趋势ꎬ累计振铃计数曲线平缓ꎬ但在破坏阶段单面卸荷后ꎬ声发射能量和累计振铃计数持续上升ꎬ随后突然大幅增加ꎬ紧接着听到岩石爆裂清脆响声ꎬ试件破坏ꎬ声发射能量峰值提前于试件应力跌落ꎬ声发射能量和累计振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆ꎬ预测岩爆等动力灾害ꎮ

面张剪破裂面和２条近似对称的弧形张剪破裂面以及微张裂纹ꎬ破裂面可以观察到有明显的剪切摩擦形成的细小粉末颗粒ꎮ每次单面卸荷后ꎬ岩石中应力都会重新调整平衡ꎬ并出现新生裂纹ꎬ试件破坏时裂纹贯通就形成了多斜面剪切破裂面ꎮ在轴向应力作用下ꎬ岩石产生纵向劈裂ꎬ平行σ２方向的劈裂纹向Ｘ方向产生张性扩展ꎬ但是由于试验机的承压板与试件端面之间的摩擦力区内试件的侧向扩张ꎬ所以２条弧形破坏面是边界约束效应的效果ꎮ随着第二主应力的增加ꎬ砂岩试件有逐渐由剪切破坏向劈裂破坏转移的趋势ꎮ

２.３　破坏形态与声发射定位探讨

对试件断裂面进行素描处理ꎬ如图７所示ꎮ砂岩试件破裂面不平整ꎬ端口出现剪切张拉的痕迹ꎬ存在多斜

图７　砂岩破坏形态Ｆｉｇ.７　Ｓａｎｄｓｔｏｎｅｆａｉｌｕｒｅｐａｔｔｅｒｎ

　　通过安装的６个声发射探头可以对声发射事件进行定位ꎬ以４＃试件损伤破坏的声发射定位过程进行分析ꎬ图８(ａ)是在加载到σ１＝４０ＭＰａ单面卸荷后定位点情况ꎬ定位点９５％处于试件表面ꎬ主要是由于夹具与试件表面错位摩擦造成的ꎬ少数定位点随机在试件内部ꎬ由于原生裂隙压密引发ꎻ图８(ｂ)是σ１＝７０ＭＰａ单面卸荷后的定位点情况ꎬ增加的定位点一部分出现在试件表面ꎬ另一部分分散在试件内部ꎻ图８(ｃ)是σ１＝８０ＭＰａ单面卸荷的定位点ꎬ增加的定位点出现小范围集中ꎬ逐

渐形成小面积破裂面ꎻ图８(ｄ)是试件破坏后的定位点ꎬ增加的定位点主要集中在破裂面附近ꎬ在轴压达到岩石损伤强度后岩石中的损伤破坏主要是大裂纹的贯通ꎮ燕思周在真三轴加载条件下对花岗岩岩爆过程进行声发射定位分析[１３]ꎬ定位点比较集中ꎬ砂岩比花岗岩的原生裂隙更多ꎬ反复加卸荷对砂岩内部的损伤更加彻底ꎬ破坏后有更多的裂隙发育及小面积破裂面形成ꎬ声发射定位点分散ꎬ破坏后声发射定位点集中区域与４＃试件主要破裂面形状基本吻合ꎮ

图８　４＃试件不同第一主应力的声发射定位

Ｆｉｇ.８　Ａｃｏｕｓｔｉｃｅｍｉｓｓｉｏｎｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｆｉｒｓｔｐｒｉｎｃｉｐａｌｓｔｒｅｓｓｅｓｏｆ４＃ｔｅｓｔｐｉｅｃｅｓ

３　结论

趋势大体相同ꎬ第二主应力的增加对试件的承载能力起

１)不同第二主应力加卸荷应力－应变曲线的变化

到先增强后弱化的效果ꎮ单面卸荷后试件的压缩和扩容受第二主应力的影响ꎮ岩石内部应力重新调整是造成试件失稳破坏出现滞后现象的主要原因ꎮ

２)声发射能量与累计振铃计数的变化趋势与加卸

􀅰１１４􀅰

　　　　　　　　　　　中全生产科学技术　　　　　　　　　　　　　　　　　第１５卷

ＧＡＯＺｈｅｎｐｉｎｇꎬＬＩＳｈｕｌｉｎꎬＨＵＡＮＧＢｏꎬｅｔａｌ.Ｓｔｕｄｙｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃ￣ｆａｉｌｕｒｅ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｐａｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒ￣ｉｎｇꎬ２０１７ꎬ１３(１):３５￣４０.

ｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｓｓｒａｔｉｏａｎｄｌｏａｄｉｎｇ￣ｎｌｏａｄｉｎｇｒｅｓｐｏｎｓｅｒａｔｉｏｂｅｆｏｒｅｒｏｃｋ

荷过程相对应ꎬ破坏阶段之前随着轴向应力的增加ꎬ单面卸荷后声发射能量峰值先增大后减小ꎬ在最大值点裂纹发育扩展最剧烈ꎬ有破裂面形成ꎮ声发射能量峰值提前于试件轴向应力跌落ꎬ单面卸荷后ꎬ声发射能量和振铃计数大幅突增可作为岩石破坏的前兆ꎬ预测岩爆等动力灾害ꎮ

３)砂岩试件破坏存在多斜面张剪破裂面和２条近

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１９１￣１９７.

似对称的弧形张剪破裂面以及微张裂纹ꎮ通过声发射定位过程分析可知ꎬ在低轴压载荷下岩石中活动主要是裂隙压密与发育ꎬ在达到岩石损伤强度后岩石中的损伤坏特征试验研究[Ｊ].采矿与安全工程学报ꎬ２０１９ꎬ３６(１):破坏主要是裂纹贯通形成破裂面ꎮ砂岩试件声发射定位点集中区域与试件主要破裂面基本吻合ꎮ

参考文献

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ＭＩＡＯａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＪｉｎｌｉꎬＨＥｏｆｇｒａｎｉｔｅＭａｎｃｈａｏꎬＬＩｕｎｄｅｒｓｔｒａｉｎＤｅｊｉａｎꎬｅｔｒｏｃｋｂｕｒｓｔａｌ.ｔｅｓｔＡｃｏｕｓｔｉｃａｎｄＩｔｓｅｍｉｓｓｉｏｎｍｉｃｏｒ￣ｆｒａｃｔｕｒｅ

ｃｈａｒ￣ｍｅｃｈａｎｉｓｍ[３]　ｉｎｇꎬ２００９ꎬ２８(８):１５９３￣１６０３.

[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒ￣艾婷演化规律ꎬ张茹[Ｊ].ꎬ刘建锋煤炭学报ꎬ等.三轴压缩煤岩破裂过程中声发射时空

ꎬ２０１１ꎬ３６(１２):２０４８￣２０５７.

ＡＩｏｆａｃｏｕｓｔｉｃＴｉｎｇꎬＺＨＡＮＧｅｍｉｓｓｉｏｎＲｕꎬＬＩＵｌｏｃａｔｉｏｎｓＪｉａｎｆｅｎｇꎬｅｔｕｎｄｅｒｔｒｉａｘｉａｌａｌ.Ｓｐａｃｅ￣ｔｉｍｅｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｅｖｏｌｕｔｉｏｎ[Ｊ].ｒｕｌｅｓ[４]　ｎａｌ刘倩颖ｏｆＣｈｉｎａＣｏａｌＳｏｃｉｅｔｙꎬ２０１２ꎬ３６(１２):２０４８￣２０５７.

Ｊｏｕｒ￣坏前兆分析ꎬ张茹[Ｊ].ꎬ高明忠四川大学学报ꎬ等.煤卸荷过程中声发射特征及综合破

ꎬ２０１６ꎬ４８(２):６７￣７４.

ＬＩＵｓｉｏｎＱｉａｎｙｉｎｇꎬＺＨＡＮＧｄｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄＲｕꎬＧＡＯｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＭｉｎｇｚｈｏｎｇꎬｅｔｆａｉｌｕｒｅｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓａｌ.Ａｃｏｕｓｔｉｃｏｆｃｏａｌｅｍｉｓ￣ｕｎ￣ｎｅｅｒｉｎｇｕｎｌｏａｄｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓＥｄｉｔｉｏｎ)ꎬ２０１６ꎬ４８(２):６７￣７４.

[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(Ｅｎｇｉ￣[５]　沙鹏模式ꎬ[Ｊ].伍法权岩石力学与工程学报ꎬ常金源.大理岩真三轴卸载强度特征与破坏力学

ꎬ２０１８ꎬ３７(９):２０８４￣２０９２.ＳＨＡｆａｉｌｕｒｅＰｅｎｇꎬＷＵｐａｔｔｅｒｎＦａｑｕａｎꎬＣＨＡＮＧＪｉｎｙｕａｎ.ＵｎｌｏａｄｉｎｇｓｔｒｅｎｇｔｈａｎｄｏｆＲｏｃｋＭｅｃｈａｎｉｃｓｏｆｍａｒｂｌｅａｎｄＥｎｇｉｎｅ￣ｅｒｉｎｇꎬ２０１８ꎬ３７(９):２０８４￣２０９２.ｕｎｄｅｒｔｒｕｅｔｒｉａｘｉａｌｔｅｓｔ[Ｊ].ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌ[６]　比特性研究高真平ꎬ李庶林[Ｊ].ꎬ黄波地下空间与工程学报ꎬ等.岩石破坏前的损耗比及加卸载响应

ꎬ２０１７ꎬ１３(１):３５￣４０.ＬＩｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎＷｅｎｓｈｕａｉꎬｓａｎｄｓｔｏｎｅｏｎｔｈｅＷＡＮＧｓｔｒｅｎｇｔｈ、ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎＬｉａｎｇｕｏꎬＬＵＹｉｎｌｏｎｇꎬｅｔａｎｄｆａｉｌｕｒｅａｌ.Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎ￣

ｏｆＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２０１９ꎬ３６(１):１９１￣１９７.

ｕｎｄｅｒｔｒｕｅｔｒｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＭｉｎｉｎｇ＆[９]　苏国韶研究[Ｊ].ꎬ陈智勇岩土工程学报ꎬ尹宏雪ꎬꎬ２０１６ꎬ３８(９):１５８６￣１５９４.

等.高温后花岗岩岩爆的真三轴试验

ＳＵｏｎｏｆＧｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｏｃｋｂｕｒｓｔＧｕｏｓｈａｏꎬＣＨＥＮｏｆｇｒａｎｉｔｅＺｈｉｇｏｎｇꎬＹＩＮＥｎｇｉｎ￣ｅｅｒｉｎｇꎬ２０１６ꎬ３８(９):１５８６￣１５９４.

ａｆｔｅｒｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓＨｏｎｇｘｕｅꎬｅｔ[Ｊ].ａｌ.ＴｒｕｅＣｈｉｎｅｓｅｔｒｉａｘｉａｌＪｏｕｒｎａｌｔｅｓｔｓ[１０]　藕明江坏特征分ꎬ周宗红析[Ｊ].ꎬ王友新中国ꎬ安等.全不同卸荷速率条件下岩爆碎屑破

生产科学技术ꎬ２０１７ꎬ１３(１１):９７￣１０３.

ＯＵｆａｉｌｕｒｅＭｉｎｇｊｉａｎｇꎬＺＨＯＵｄｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＺｏｎｇｈｏｎｇꎬＷＡＮＧｒｏｃｋＹｏｕｘｉｎꎬｅｔａｌ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎ２０１７ꎬ１３(１１):９７￣１０３.

ｒａｔｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｂｕｒｓｔｏｆｆｒａｇｍｅｎｔｓＳａｆｅｔｙＳｏｉｅｎｃｅｕｎｄｅｒａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ

ｕｎｌｏａ￣[１１]　骆兴科分形特征ꎬ章光研究ꎬ刘明泽[Ｊ].ꎬ中等国.安Ｃ０２全/水孔流作用下砂岩真三轴应变

生产科学技术ꎬ２０１７ꎬ１３(９):４７￣５２.

ＬＵＯａｘｉａｌＸｉｎｇｋｅꎬＺＨＡＮＣＣｕａｎｇꎬＬＩＵＭｉｎｇｚｅꎬｅｔａｌ.ｗａｔｅｒｓｔｒａｉｎ２０１７ꎬ１３(９):４７￣５２.

ｐｏｒｅｆｌｕｉｄｆｒａｃｔａｌ[ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＪ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｏｆＳａｆｅｔｙｓａｎｄｓｔｏｎｅＳｏｉｅｎｃｅｕｎｄｅｒＳｔｕｄｙａｎｄｅｆｆｅｃｔｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ

ｏｆｔｒｕｅＣＯ２ｔｒｉ￣/[１２]　张利洁国地质大学.高应力脆性岩石时滞性破坏特性研究ꎬ２０１６.

[Ｄ].武汉:中

[１３]　燕思周化特征研究.真三轴加载条件下花岗岩岩爆过程的声发射时空演

[Ｄ].南宁:广西大学ꎬ２０１８.

[１４]　ＺＨＡＯｏｎＸＧꎬＷＡＮＧＪꎬｉａｌｔｈｅｎｅｅｒｉｎｇꎬｕｎｌｏａｄｉｎｇｓｔｒａｉｎｂｕｒｓｔ２０１４ꎬｃｏｎｄｉｔｉ￣ｏｎｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓＣＡＩＭꎬ４７(２):４６７￣４８３.

[Ｊ].Ｒｏｃｋｏｆｅｔｂｅｉｓｈａｎａｌ.ＩｎｆｌｕｅｎｃｅＭｅｃｈａｎｉ￣ｃｓｇｒａｎｉｔｅｏｆｕｎｄｅｒｕｎｌｏａｄｉｎｇａｎｄＲｏｃｋｔｒｕｅ￣ｔｒｉａｘ￣ｒａｔｅ

Ｅｎｇｉ￣

[１５]　ＤＵＲｏｃｋｂｕｒｓｔＫꎬＴＡＯＭꎬＬＩＸＢꎬＤｉｓｔｕｒｂａｎｃｅＩｎｄｕｃｅｄ[Ｊ].ＲｏｃｋｂｙＴｒｕｅ￣Ｔｒｉａｘｉａｌｅｔａｌ.ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌＭｅｃｈａｎｉｃｓＵｎｌｏａｄｉ￣ｎｇＳｔｕｄｙａｎｄＲｏｃｋＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬａｎｄｏｆＬｏｃａｌＳｌａｂｂｉｎｇＤｙｎａｍｉｃ

ａｎｄ

４９(９):１￣１７.

２０１６ꎬ

(责任编辑:王建光)