单轴压缩砂岩损伤破坏演化规律及其分形特征_李建伟.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022单轴压缩砂岩损伤破坏演化规律及其分形特征李建伟1,闫志磊1,杨真2,房万伟3,李涛3(1.内蒙古科技大学 矿业与煤炭学院,内蒙古 包头 014010;2.国家能源集团 神东煤炭集团布尔台煤矿,内蒙古 鄂尔多斯 017209;2.内蒙古福城矿业有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 016299)摘要:为了研究单轴压缩下砂岩声发射时空演化规律及其损伤破坏特征和失稳机理,进行了基于声发射定位的砂岩单轴压缩试验。结果表明:声发射信号(累计能量、累计振铃计数)可表示砂岩损伤破坏过程,声发射 b 值和 RA-AF 分布反映砂岩内部微裂隙萌生、发育、扩展、贯通全过程以及不同应力阶段裂纹类型;各应力阶段声发射定位点累计变化和增量变化可表示单轴压缩下砂岩的累积损伤程度及破裂裂隙发展的活跃程度;声发射累计定位点与增量定位点分形维数的变化可表示各应力阶段岩石内部微裂隙萌生、发育、稳定扩展,直至小裂隙不断贯通发展以及最终破裂裂隙的形成全过程,可为岩石受载破坏过程中损伤累积的表征以及破裂裂隙的定量描述提供数学上的表达方法。关键词:单轴压缩;声发射;时空演化;分形维数中图分类号:TD315文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0674-09Evolution and Fractal Characteristics of Uniaxial Compression Sandstone DamageLi Jianwei1,Yan Zhilei1,Yang Zhen2,Fang Wanwei3,Li Tao3(1.College of Mining and Coal,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou,Inner Mongolia 014010,P.R.China;2.Shendong Coal Group Buertai Coal Mine,National Engery Group,Erdos,Inner Mongolia 017209,P.R.China;3.Inner Mongolia Fucheng Mining Company Limited,Erdos,Inner Mongolia 016299,P.R.China)Abstract:To investigate the spatial-temporal evolution of acoustic emission(AE)of sandstone under uniaxial compression,its damage,damage characteristics,and instability mechanism,a uniaxial compression test of sandstone based on AE location was conducted.The results show that the acoustic emission signal(accumulated energy,accumulated ringing counts)can indicate the damage and destruction process of sandstone,and the acoustic emission b value and RA-AF distirbution reflect the whole process of micro-crack initiation,development,propagation and penetration as well as the crack types in different stress stages.Accumulated and incremental changes of acoustic emission locating points at each stress stage can indicate the degree of cumulative damage of sandstone under uniaxial compression and the active degree of development of fracture cracks.The change of fractal dimension of Acoustic Emission Accumulated Location Point and Incremental Location Point can indicate the initiation,development and stable expansion of micro-fissures in rock at different stress stages until the micro-fissures continue to penetrate and develop as well as the whole process of formation of final fracture fissures.It can provide a mathematical expression method for the characterization of damage accumulation and quantitative description of fracture fissures during rock loading and destruction.Keywords:uniaxial compression;acoustic emission;spatio-temporal evolution;fractal dimension收稿日期:2022-04-21(修改稿)作者简介:李建伟(1987),男,河北石家庄人,博士,副教授、硕士生导师,从事矿山岩体力学与岩层控制及安全绿色开采等方面的研究。E-mail:18795426108 基金项目:国家自然科学基金(51864036);内蒙古自治区高等学校青年科技英才支持计划项目(NJYT-19-B33);内蒙古自治区“草原英才”工程青年创新创业人才培养计划项目(202021427)0引言砂岩普遍存在于煤系岩层中,其内部晶体等微观结构及孔隙裂隙等缺陷是不均匀分布的,这种非均质性对于岩石的受载损伤、裂纹发育、损伤破坏等具有重要的影响1。采掘扰动引起围岩应力重新分布并产生局部应力集中,造成围岩受载损伤、采动裂隙发育、扩展、贯通直至失稳破坏,易引起煤岩动力灾害、采掘工程支护失效等,对现场人员、设备的安全造成极大的威胁2。如果能提前预判类似灾害的发生,对地下煤炭资源的安全高效开采具有十分重要的意义。声发射技术通过监测岩体内破裂时产生的弹性波信号,分析声发射信号特征参数的变化规律,识别岩体内部损伤、裂纹发展历程,并预警岩体破坏,预测采动煤岩体动力灾害的发生。研究砂岩损伤破坏过程中声发射特征参数时空演化规律及其分形特征,对围岩动力灾害预测预防以及采动裂隙分布演化等具有重要的理论研究价值和工程意义。岩石材料在受载变形过程中,内部晶格错位或微裂纹扩展会释放出弹性波,发出声发射信号,声发射(AE)是研究脆性材料失稳破坏过程的一个有力工具,能够实时监测材料内部微裂纹的产生和扩展,并对其进行定位3-4。对于煤岩受载损伤破坏过程中声发射信号计数特征,吴贤振等5研究了不同破坏模式岩石的声发射振铃计数在加载各阶段呈现不同的特征,吴述宽等6研究了单轴压缩条件下闪长岩的声发射特征,用声发射特征参数的变化规律将岩石变形破坏过程划分为 3 个阶段,韩军等7研究了不同煤体的声发射特征,得到不同抗压强度煤体的能量、振铃计数特征存在明显差异,宋义敏等8对红砂岩单轴压缩过程中的声发射振铃计数进行了研究,得到了加载应力与声发射累计振铃计数在演化趋势上的良好对应关系,纪洪广等9对花岗岩破坏过程进行了声发射试验,得到声发射振铃计数与能量在岩石破坏过程中变化规律基本一致。在岩石声发射试验中,一般使用信号幅值来计算 b 值,通过处理得到类似震级量级的幅值,并用幅值 频数分步来估计 b 值10-13。计算b 值常用的方法有最小二乘法,极大似然法等,董陇军等14比较了计算 b 值常用的两种方法,在计算 b 值时应优先使用极大似然法。Liu 等15提出了一种基于幅值 频数分布计算 b 值的新方法,为岩石声发射 b 值估计提供了理论基础和新方法。声发射 b 值的变化在一定程度上反映了试件内部裂纹的扩展,能够描述岩石受载过程中内部裂纹演化过程。刘希灵等16-18通过对 RA-AF 的分布关系的研究,对岩石受载破坏过程中产生裂纹进行了分类。对于 声 发 射 空 间 定 位 及 分 形 特 征,黄 炳 香等19研究了红砂岩单轴压缩过程中声发射定位点的空间演化规律,在一定程度上反映了红砂岩的实际破坏过程,孙爱琴等20通过对砂岩单轴循环加卸载的研究,提出了声发射源空间定位的方法,龚囱等21对红砂岩进行了蠕变声发射定位实验,计算并研究了震源 zi值与 ri值的分形维数,王泽鹏等22研究了不同粒度砂岩单轴压缩条件下声发射振铃计数的分形特征,揭示了岩石内部压缩过程中裂纹的演化过程。综上所述,对于岩石单轴压缩过程中声发射特性的研究主要集中在其力学与声学参数的分析,对于声发射空间定位点及其分形特征的研究较少。本文以典型煤系砂岩为研究对象,采用实验室试验与理论分析相结合,分析了砂岩单轴压缩损伤破坏过程声发射信号特征、声发射空间定位点时空演化规律、以及基于声发射空间定位点变化规律的损伤破坏过程的分形特征,探究了砂岩损伤发育演化过程。研究结果对采掘影响下围岩失稳破坏机理、裂隙发育演化规律及相应预防措施的提出具有一定的指导和借鉴意义。1试验方案1.1试样制作为了研究单轴压缩下砂岩声发射特征及声发射空间定位点时空演化规律,从某煤矿选取顶板砂岩作为岩样,并制备标准岩石试件,试件采用标准圆柱形试样,高度为 100 mm,直径为 50 mm,试样两端平面不平行度小于 0.01 mm,两端直径偏差在0.02 mm 以内。选取砂岩试验岩样 3 个,编号分别为 B1、B2、B3,试验前岩样如图 1 所示。图 1试验前砂岩试件Fig.1Pre-test sandstone specimens5762022 年增刊 2李建伟,等:单轴压缩砂岩损伤破坏演化规律及其分形特征1.2加载设备及方式实验加载系统采用 SAS-2000 型微机控制电液伺服岩石试验机,其最大轴向实验力 2 000 kN,轴向实 验 力 分 辨 力 1/18 000,位 移 测 控 范 围 0 100 mm,位移分辨力 0.07 mm。试验过程中采用位移控制加载,加载速率为 0.1 mm/min。单轴压缩试验系统如图 2 所示。图 2单轴压缩试验系统Fig.2Uniaxial compression test system1.3声发射传感器空间布置声发射监测系统采用 DS5-8B 声发射检测系统,共配有 8 个声发射通道采集信号,前置放大器与门槛 值 设 定均为 40 dB。声 发 射 采 样 频 率 为3 MHz,声发射峰值鉴别时间 PDT 为 500 uS,撞击鉴 别 时 间HDT与 撞 击 锁 闭 时 间HLT均为 2 000 uS。声发射定位装置与声发射空间定位点接收器布置如图 3(a)及图 3(b)所示,采取 8 通道信号接收器进行定位,声发射传感器如图 3(c)所示。传图 3声发射定位装置及定位点空间布置Fig.3Acoustic emission locating device and space arrangement of lo