含孔洞砂岩的力学特性及声发射实验研究.pdf

Vo l . 33 No . 3 Mn y 2020 第30卷第3期 2020年05月 黑龙江科技大学学报 Jo u r n a l o f Heil o n g jia n g Un iv er sit y o f Sc ien c e t ee l a yo n t pr o n u c e s a den ser n n ma eo o f a c o n st ie emissio n 五口直 t h a n t h e l a yo n t; a n b t h e po r e size , h o l e dept h , h o l e n u mber a n b h o l e po sit io n r es u l t in c h a n c es in t h e dee l o pme n t o f mic r o e- r a c h , t h e ev o l u t io n l a w o f 五 c o n n t ；a n b t h e mo r ph Po a y a ft eo fa il u r e Th e st u Uy is h el pfu l t o t h e st a bil it y c o n t r o l o f su r r o n n bin e r o c h s- Key w o rds sa n dst o n e ； me c h a ic o l pn pe n ie s ; a c o n st ie emissio n ； h o ie fo r m 收稿日期收稿日期2222 -04 -02 基金项目基金项目国家自然科学基金项目51774121；黑龙江省博士后科研启动金项目LBH-Q18111 第一作者简介第一作者简介肖福坤1574 -,男，辽宁省西丰人，教授，博士，研究方向冲击地压与岩体控制，E-ma l x mc _USu n 163. c o m。 232黑龙江科技大学学报第30卷 0引言 在地下工程建设过程中,对稳定空间进行开挖 将引起地下碉室应力的重新分布，碉室的尺寸、深 度、数量及空间位置关系与围岩的损伤破坏程度及 破裂规律有着紧密联系。岩体中的卸压孔、卸压槽 及瓦斯抽采钻孔形态均对区域岩体裂纹延伸及损伤 演化产生一定的影响。工程中的孔洞缺陷形式较多 且复杂，故探索含孔洞岩石的力学特性及声发射特 征对围岩稳定性分析具有重要的意义。 岩 孔洞 与孔洞 对岩 显著的影响⑴。单孔试样的刚度、最大拉伸强度、 边界能和微裂纹总数随半径的增加而减小⑵o在 数值模拟方面，任惠亮⑶以黄砂岩为研究对象，使 声发射系 、 系 进 岩 压 破坏实验,并使用RFPA3D数值模拟软件对岩石三 维破坏过程进行了模拟。腾俊洋⑷等采用相似材 料制作包含多种支护情况、0。和90。的含孔洞加锚 试件,对其进行单轴压缩实验,分析试件不同部位裂 纹扩展规律，得到了含孔洞加锚岩石的力学特性和 裂纹扩展规律。杨圣奇［5］等对含孔洞裂隙砂岩的 力学特性进行单轴荷载实验，分析含孔洞裂隙岩样 的强度和变形特性，同时总结出孔洞裂隙等缺陷对 声发射分布有着显著的影响。崔嘉慧⑷确定了岩 石相似材料及配合比，制备出不同孔径的单孔类岩 石试件，分析了含不同缺陷孔洞试件在单轴压缩条 件下的变形及破坏情况。文献［7-10］采用数值模 拟等方法研究了钻孔间距等参数对岩石抗拉强度和 抗压强度的影响，并提出了为卸压提前保留形变空 间的控制技术。 在前人研究的基础之上,笔者利用声发射监测 技术,对孔径、孔深、孔数及孔位4个维度的砂岩裂 纹延伸、破裂形态、强度特征及声学特性进行分析, 研究孔洞 对 特 、力学特性及声发射 规 的 。 1实验方法与设备 在进行压力机的单轴压缩实验时，同时利用声 发射仪器检测砂岩内部裂纹的闭合、产生、扩展及贯 通过程，设置的门槛值为44dB。实验结束后导出数 据，利用Ex c e l软件对声发射数据进行排列和筛选, 选择声发射振铃计数作为实验的因变量，然后利用 Or ig in绘图软件绘出了砂岩的应力-时间-振铃计 数的图像，通过声发射的振铃计数可以有效地分析 各种不同缺陷砂岩的裂纹演变情况。 通过压力试验机对含不同孔洞缺陷的砂岩试件 进行位移加载，探讨不同类型孔洞对砂岩力学特性 的影响。切割长X宽X高为100 mm X 33 mm X 100 mm的长方体完整试样，然后经钻孔机制作成设 定的圆形孔洞，用TYJ -550 kN电液伺服岩石剪切 流变试验机对不同孔洞砂岩进行加载。实验过程选 择位移控制加载，加载速率为0.02 mm/s。记孔直 径为D孔数量为“，砂岩的几何尺寸见表1,孔洞岩 石变形破坏监测系统见图1。砂岩试样见图2。 表1砂岩的几何尺寸 Ta bl e 1 Geo met r ic dimen sio n s o f sa n dst o n e 编号1/ mmb/ mmh / mmM个孔深/ mmD/ mm Cl100.0230013100.14000 C299.8629069100017000 C399.9230017100003000 a l - D5 - 1100.04300101000071305 a l -D5 -210002130.051000131305 a l -D5 -399092290931000131305 a l -D10-1100.143002110000613010 a l -D1-2100.9729.9410000113010 a 1 -D1-310002630.1499.6713010 a 1 - D15 - 110000229. 0610002913015 a 1 - DU -210002130.1410001613015 a 1 - D15 -39906229.0910001613015 a 2 - D5 - v - 19906729.92990692305 a - D5 - v - 2100.16300101000162305 a - D5 - v - 3100.0530.061000202305 a - D5 - i - 19906729. 09990672305 a 2-D5 -i-29906929 . 96990922305 a 2 - D5 - i - 31000162 021000222305 a 2 - D5 - 1 - 110002129 . 95100.142305 a 2-D5 -1-2990962 06100.252305 a 2-D5 -1-3100.0530.05290912305 a 1-D1-d。-199.6529.9210001611010 a 1-D1-d。-210001329 . 0610000611010 a 1-D1-d。-31000232 06100.0511010 a 1-01-0-199.953001210000612010 a 1-D1-d0-299091300039909112010 a 1-D1-d0-3990922 0610000212010 第3期肖福坤，等含孔洞砂岩的力学特性及声发射实验研究233 图1孔洞岩石变形破坏监测系统 Fig . 1 Ho l e r o c k defo r ma t io n a n d fa il u r e mo n it o r in g syst em 弄嚴if 图2砂岩试样 Fin . 2 Sa n dst o n e sa mpl e 2结果与分析 实验研究不同 孔洞砂岩应力、振铃计 时间对应的关系,阐述 的机理，有助于全面认识 砂岩的破坏规律，为进一步研究大 压钻孔提 重 导依据。 2.1力学特性力学特性 压强度的计算公式为 a PS， 式中---- 的抗压 ，MPa； a---试件破坏载荷，kN; S------- 载 ，c m2。 弹性模量的计 式中/弹性 ，GPa； a试件的 力，MPa； E 的轴向应变,％。 孔 ，不同孔径岩石试件的抗压强 及 性 2。 据表2结 得出， 压强度总体呈 下降趋势，完整试样抗压强度为75.02 MPa；孔径 5 mmj 压 63.05 MPa，降幅为 15. 16 ； 孔径增至14 mm时,抗压强度降为59.31 MPa，降幅 22. 94；孔 15 mm时，抗压强 53.07 MPa，降幅为26.59。同理，峰值应变降幅 分别为41.33、35. 71和6. 69。 孔径的增 ， 压 性 ， 变 型 ，弹性 在出现孔洞后， ，而后 孔 的 ， 。 po r o sizr t 表2不同孔径岩石的力学参数 Ta bl e 2 Mec ka n ic kl pa r o met er t o f r o c ky w it i differ en i 〃个D/ mmpMPae/ScE/GPa 0075.023.023021 1563.652.33.95 1059.3120523016 1553.573.052022 2.1声发射特征声发射特征 完整 、孔 5、10、15 mm 4种岩石试 件破坏 图3所示。 图3a中可 出，随着压力机的连续位移 载， 到的压力超过岩石的承载 时，岩 发生破坏。完整 破坏 下］ 下 中间出 切［，呈 出与压应力方向 30。的 ，属于剪切 破坏类型。当孔 5 mm时，孔洞 于加 载方向出 力 中 ，导 方向的 ，随着压力的 载，侧 完全 ，导 破坏，孔洞 ， 在 荷载作用内部应力超过 的， 破坏类型，如图 3b所示。当孔 10 mm时，孔洞 方向 由于压应力集中导 切 的 。最后呈 60。“ ” ，及“\” 切 ，试 发 切 合破坏，如图3c所示。当孔径 15mm 时， 孔洞 方向 于在 荷载 作用下压应力集中导 切 的 ，呈现30。 ”型 ，最后其 ，孔洞 与 30。的“\”形的剪切破坏，“ ”和 “\”之间有个 的 动 的 ，如 图3d所示。 体上看，裂纹的扩展 切 破坏向 破坏过渡，最终发 切 合 破坏。 孔径的 ， 切破坏向 J 破坏过渡,最终发 切 破坏。 234黑龙江科技大学学报第30卷 /] 单孔D 10mm 单孑LD0 mm 单孔D5 mm d 单孔D 15 mm 图3不同孔径岩石试件破坏后的形态 Fif. 3 Fa il u r e mo r ph o l o g y o f r a c k spec imen s w it h differ en h po r e dia met er s 完整试样、孔 5、10、15 mm 4种岩石试 件的应力-时间-振铃计 计如图4所示。 完整砂岩试件在0. 02 mm/s的位移加载条件 下,应力-时间-振铃计 计如图4a所示。在压 前期，丿 声发射振铃计数;在压密阶段 后期 性 期， 声发射现象。用不 同孔径试样与完整 对照，孔 5 mm增至 10 mm,振铃计数峰值来临时间提前了 61 so孔径 由10 mm 15 mm, 时间提前了 13 so 8080 6060 4040 O O 2020 o o o o O o o o o O 8 6 4 2 8 6 4 2 赵彖 44 5 5 5 5 5 5 5 5 5 4 3 2 5 4 3 2 1515 7.0 6.0 5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 赵彖 44 4040 20 40 60 80 100 120 140 i/s c 单孔 D 10mm 3030 2020 1010 o o d 单孔 D 15 mm 应力；一振铃计数 赵彖 44 O O cdd w b cdd w b 图4不同孔径岩石试件应力-时间-振铃计数统计 Fig . 4 St r ess-t imy-r in g in g c o u n t st a t ist ic o f r a c k spec imen t w it h differ en t po r e dia met er s 第3期肖福坤，等含孔洞砂岩的力学特性及声发射实验研究235 结果表明相对于完整试样，含孔洞的试样可以 声发射 的发生;孔径的 可 性 的声发射；随着孔径的 ，振铃计数峰值 时间不断提前，并且提前的 于 ； 声发射累计 长 孔径的 ；含 孔洞砂岩 的 、萌生、扩展、成核的过 程比完整 规律，可 方向发展，达 到 压的效果,这一效果随孔 ，增长 于 。 双孔洞 5 mm试件破坏后的形态如图5所 ，应力-时间-振铃计 计如图6所示，从图6 可 出，压 声发射振铃计 生。 对比 5mm 的 孔洞 孔洞 的 力-时间-振铃计 计图可知,双孔洞 振铃 计 时间更早,振铃计 略 ，声 发射累计 低。通过对两组 破坏后 的 ，发 孔洞的砂岩 破坏 沿两个孔 洞发育，能判断其内部的 同 此 发 。结 孔洞数目的 ，可以提升卸压效 ;同时 的发 破坏 规律。 图5 5 mm直径双孔洞水平布置岩石试件破坏后形态 Fig . 5 Fa il u r e mo r ph o l o o y o f r o c k syec imen s w t O 5 mm dia met er do u bl e h o l es h o r izo n t a l a r r o n g emen i 图6 5mm双孔洞水平布置岩石试件应力-时间-振 铃计数统计 Fig . 6 St r ess-t ime-o n g iiiy c o u n i st a t ist ic s o f r o c k syec l - men w t O 5 mm dia met c o do u bl e h o l es h o r izo n t a l a r r o n g emen t 不同孔洞数目岩石力学参数如表3所示。 表3不同孔洞数目岩石的力学参数 Ta bl e 3 Mec ka n ic kl pa r o met er s o f r o c k w it i differ en i n u mbeo o f h o l es n/ 个 D/ mm p/MPa // E/GPa 1 5 63.65 2.30 4.95 2 5 52.09 2.63 3.36 双孔竖直布置和双孔45。倾斜布置2种岩石试 件破坏后 图7所示，应力-时间-振铃计数 计如图6所示。 5 mm双孔洞 砂岩 试件在0. 52 mm/s的位移加载条件下，应力-时 间-振铃计数统计如图6a所示;直径5 mm双孔洞 斜45。布置砂岩 的应力-时间-振铃计 ， 计如图6b所示。荷载施 期即压 声 发射振铃计 。弹性 前中期振铃计数也是 。通过对3种布置方式岩 破坏形态 的 ，可 出水 的 破坏 比较规 ，其次为倾斜 的 , 的 破坏形 。结 随着砂岩 力方向与 孔洞圆心 的 ，砂岩 的 压 性 ；振铃计 大; 图7 5 mm双孔洞不同布置方式岩石试件破坏后形态 Ft . 7 Fa il u r e mo r ph o l o g y o f r o c k syec imen s w it i 5 mm dia met eo do u bl e h o l es a r r o n g en t differ en i w a ys 236黑龙江科技大学学报第30卷 力方向和孔洞圆心 的角度越大，微裂纹的扩 展 的破坏形态越规律。 图8 5 mm双孔洞不同布置方式岩石试件应力-时间- 振铃计数统计 Fig . 8 St r ess-t ime-r in g in g c o u n t st a t ist ic s o f r o c k spec i men s w it h 5 mm dia met eo do u bl e h o l es a r r o n g ed in differ en h w a ys 通过 孔洞不同 方式的应力-时间- 振铃计 计图，得到其岩石力学参 4丿。 表4不同孔洞布置方式岩石的力学参数 Ta bl e 4 Mec Oa n ic o l ea r o met e r s o f r o c k w it h differ en h h o l e a o o a n g eme n i “/个布置方式p/MPag /E/GPa 2水平52.092.033.58 2竖直65.593.534.65 2斜56.411.744.09 下，应力-时间-振铃计 计如图10a所示。单 孔 10 mm、孔深20 mm的砂岩试件的应力-时 间-振铃计 计如图10b所示。 图9 10 mm单孔洞不同孔深岩石试件破坏后形态 Fig . 9 Fa il u r e mo r ph o l o g y o f r o c O spec imen s w it h 10 mm dia met er sin g l e h o l e a n d differ ec i h o l e dept h s 单孔直径10mm,孔深分别为10、20 mm 2种岩 破坏后的 图9所示，应力-时间-振 铃计数统计如图O所示。单孔直径10 mm、孔深 10 mm的砂岩试件在0. 02 mm/s的位移加载条件 图10 10 mm单孔洞不同孔深岩石试件应力-时间- 振铃计数统计 Fig . 10 St r ess-t ime-r in g in g c o u n i st a t ist ic s o f r o c k spec imen s w it h 10 mm dia met eo sin g l e h o l e a n d differ en i h o l e dept h s 第3期 肖福坤，等含孔洞砂岩的力学特性及声发射实验研究232 孔深由15 mm增加至20 mm,振铃计数峰值也 相应从2. 3万增加至3.2万次。振铃计数峰值来临 时间比较接近，但孔深20 mm的试样峰值更加集 中，在55 80 s ,孔深20 mm的试样的声发射累计数 有小幅度增加。对比破坏断面，孔深20 mm试样的 断面更加平整。结果表明孔深的增加，使振铃计数 峰值增加;使声发射事件更加集中;对比浅孔而言, 深孔试样的破坏面更加平整;随着孔深的增加，卸压 效果逐渐增强。 通过分析单孔直径15 mm,不同孔深砂岩试件 的应力-时间-振铃计数，得到其岩石力学参数如 表5所不o 表5不同孔深岩石的力学参数 Ta bl e 5 Mec t a n ic a l pa r a met ee o f r o c ks w it h differ ec i po r e dept h s g /个D/ mm孔深/ mmp/MPas/E/GPa 1 1010 01.522.114326 1 1020 71.252.323322 3 结论 1 相对于完整试样，含孔洞的试样可以减少 声发射事件的发生，含孔洞的砂岩试样微裂纹的孕 育、萌生、扩展、成核和扩展的过程比完整试样更加 规律。随孔径的增加，缺压效果逐渐趋于平缓。随 孔洞数目的增加，试件单轴抗压强度逐渐降低，微裂 纹的发育和破坏形态更加规律o 2 随着砂岩试样受力方向与孔洞圆心连线角 的 , 砂岩 的 压 性 渐减小，振铃计数峰值逐渐增大。受力方向和孔洞 圆心连线的角度越大，微裂纹的扩展和试样的破坏 形态越规律。 3 随着孔深的增加,振铃计数峰值逐渐增加, 声发射事件更加集中，卸压效果逐渐增强。对比浅 孔而言,深孔试样的破坏面更加平整。 4 孔洞能够起到降低和转移应力的作用，应 力降低效果与孔径、孔数及孔深成正比，当钻孔布置 方向垂直最大主应力方向时，应力峰值降低最明显, 更有利于巷道的稳定。 参考文献参考文献 ［1］ 董晋鹏，杨圣奇，李 斌，等共面双裂隙类岩石材料抗拉强 度试验研究［J］工程力学，2222, 323 150 -221, ［2］ 杨圣奇，李 尧，黄彦华，等单孔圆盘劈裂试验宏细观力学特 性颗粒流分析JJ］中国矿业大学学报，2015 , 415 53 - 61. 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