高溫三軸應(yīng)力作用下巖石聲發(fā)射試驗(yàn)研究

1熱破碎巖石聲發(fā)射特征研究聲音傳輸是一種通過(guò)巖石聲音來(lái)觀察其內(nèi)部狀態(tài)和力學(xué)特征的方法。當(dāng)巖石受力變形時(shí),巖石中原來(lái)存在的或新產(chǎn)生的裂縫周?chē)鷧^(qū)域應(yīng)力集中,應(yīng)變能增高。當(dāng)外力增大到一定數(shù)值時(shí),原有裂紋尖端附近區(qū)域發(fā)生了微觀屈服或變形,裂紋擴(kuò)展,從而使得應(yīng)力遲豫,巖石中所儲(chǔ)藏能量的一部分以彈性波(聲波)的形式釋放出來(lái),這就是聲發(fā)射現(xiàn)象。這個(gè)現(xiàn)象早在20世紀(jì)30年代就由美國(guó)礦山局的Obert,Duvall所發(fā)現(xiàn),并把聲發(fā)射技術(shù)應(yīng)用到礦山巖體穩(wěn)定性和巖爆的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)。自那時(shí)開(kāi)始,聲發(fā)射技術(shù)在巖土工程、地震監(jiān)測(cè)以及巖石損傷破裂中,作為一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)的手段得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展,通過(guò)對(duì)巖石所釋放出的彈性應(yīng)力波信號(hào)的收集、檢測(cè)和分析,可對(duì)巖石在內(nèi)外載荷作用下的破壞情況進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。特別是用來(lái)反映巖石在外力作用下內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化,如裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展及巖石的破裂。20世紀(jì),隨著核能、地?zé)崮?、油田和深部地下空間的利用,給巖石力學(xué)工作者提出了新課題,有關(guān)巖石受熱后的物理力學(xué)性質(zhì)以及巖石在熱作用下的物理力學(xué)性質(zhì)變得越來(lái)越受重視。溫度對(duì)巖石品性的影響對(duì)核廢料地下倉(cāng)庫(kù)的選址及地?zé)衢_(kāi)采、熱能破巖有十分重要的意義。這些都與巖石在受熱后的熱破裂有關(guān),聲發(fā)射技術(shù)作為一種有效的手段運(yùn)用到了巖石熱破裂的檢測(cè)及預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)中。巖石在受到熱載荷作用下,由于組成巖石內(nèi)部礦物顆粒的不同熱膨脹系數(shù),同樣會(huì)因?yàn)閮?nèi)部應(yīng)變能的積聚、釋放而產(chǎn)生聲發(fā)射。陳颙等對(duì)Westerly花崗巖加熱過(guò)程中測(cè)到大量的由巖石內(nèi)部微破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射,發(fā)現(xiàn)巖石的聲發(fā)射率隨溫度變化發(fā)生改變。李紀(jì)漢等通過(guò)對(duì)巖石熱破裂聲發(fā)射的試驗(yàn)研究,發(fā)現(xiàn)了巖石熱破裂的波速效應(yīng)和聲發(fā)射效應(yīng)之間有密切的關(guān)系,揭示了熱破裂引起巖石波速下降的規(guī)律性,得出了巖石熱破裂的波速效應(yīng)對(duì)不同的巖石有不同程度的記憶性的結(jié)論,研究了巖石熱破裂過(guò)程中聲發(fā)射m值的變化規(guī)律,并對(duì)火山地震和地?zé)崽锏卣鸬母適值進(jìn)行了討論。席道英等研究了破碎大理巖熱破裂的聲發(fā)射特征和熱破裂導(dǎo)致的花崗巖聲發(fā)射特征的變化。張淵等認(rèn)為,長(zhǎng)石細(xì)砂巖隨溫度變化聲發(fā)射率具有兩個(gè)聲發(fā)射峰值區(qū),聲發(fā)射振鈴積累數(shù)在70~90℃發(fā)生急劇變化,表明70~90℃是長(zhǎng)石細(xì)砂巖裂紋發(fā)育的門(mén)檻值。蔣海昆等研究了地殼不同深度溫壓條件下和不同溫度條件下花崗巖變形破壞及聲發(fā)射時(shí)序特征。筆者在國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目的資助下,利用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)自主研制的“20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)”,開(kāi)展大尺寸(φ200mm×400mm)花崗巖試樣的高溫三軸應(yīng)力條件下聲發(fā)射規(guī)律的研究。2試驗(yàn)設(shè)備和方法2.1石、黑云母、白云母及膠結(jié)物花崗巖試樣采自山東平邑,灰白色、致密,主要成分為石英、長(zhǎng)石、角閃石、黑云母、白云母及少量膠結(jié)物?；◢弾r試樣用車(chē)床進(jìn)行加工,直徑為200.02mm,高度為407.8mm,密度為2.71g/cm3,為天然含水狀態(tài),試樣基本尺寸和加工精度符合巖石試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。2.2試驗(yàn)裝置及試件結(jié)構(gòu)試驗(yàn)采用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)“211工程”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目研制的“20MN伺服控制高溫高壓巖體三軸試驗(yàn)機(jī)”(圖1)。設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)如下:(1)軸壓和側(cè)壓均可達(dá)10000kN。(2)試件最大軸向壓力為318MPa,最大側(cè)向固體傳壓壓力為250MPa,壓力波動(dòng)小于等于0.3%。(3)試件尺寸為φ200mm×400mm。(4)試件最高加熱穩(wěn)定溫度為600℃。(5)試驗(yàn)機(jī)總體剛度不小于9×1010N/m。采用的聲發(fā)射儀器為美國(guó)物理聲學(xué)公司(PAC)生產(chǎn)的DiSP型24通道聲發(fā)射儀(見(jiàn)圖2),可以實(shí)時(shí)采集聲發(fā)射信號(hào),實(shí)現(xiàn)外參量輸入采集、數(shù)字濾波、圖解濾波、AE特征提取、多參數(shù)分析、波形處理及相關(guān)分析。聲發(fā)射儀使用4個(gè)通道,探頭分布在高溫三軸壓力室上表面2個(gè)(5、8號(hào)探頭),下部2個(gè)(6、7號(hào)探頭),其中7號(hào)探頭是紅外探頭。2.3試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)設(shè)備試驗(yàn)的基本步驟分為:前期試件加工,把試件裝入高溫三軸壓力室,調(diào)試加壓系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、聲發(fā)射采集設(shè)備,加預(yù)定壓力,升溫采集聲發(fā)射數(shù)據(jù)。為了保證良好的聲學(xué)耦合,探頭和高溫三軸壓力室之間用黃油作為耦合劑。聲發(fā)射系統(tǒng)采樣率為100Msps,頻率為1~100kHz,前置放大器增益為60dB。試驗(yàn)機(jī)所加三軸壓力為軸壓860kN(25MPa),圍壓為1150kN(25MPa),模擬地層1000m深度原巖壓力?；◢弾r熱傳導(dǎo)系數(shù)低,屬各向異性材料,又是大試件。與小試件相比,加熱時(shí)巖石內(nèi)部溫度梯度較大,巖石內(nèi)部受熱的均勻性得不到保證。試驗(yàn)測(cè)量溫度都是巖石表面的溫度,不能完全反映巖石內(nèi)部的真實(shí)溫度。以前大多數(shù)試驗(yàn)是通過(guò)保溫的辦法來(lái)減小影響,但保溫的時(shí)間是經(jīng)驗(yàn)值,對(duì)大試件的研究基本沒(méi)有用,更沒(méi)有相關(guān)的參考資料。本試驗(yàn)為了盡可能降低這些影響,以傳壓介質(zhì)食鹽中距離巖石表面15mm處的溫度為測(cè)量溫度,同時(shí)減慢加熱速度,試驗(yàn)中采用勻速升溫的方式。3影響試驗(yàn)結(jié)果的因素3.1升曲線試驗(yàn)歷時(shí)6天3小時(shí)17分鐘,升溫曲線如圖3,符合勻速升溫的要求。3.2軸壓力室內(nèi)部噪聲在聲發(fā)射檢測(cè)試驗(yàn)過(guò)程中,噪聲的產(chǎn)生是不可避免的,主要有:①機(jī)械噪聲,如液壓機(jī)等一系列配套的設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。②水的噪聲,在溫度達(dá)到150℃后,為了確保壓力室保持剛性,要用循環(huán)水給壓力室降溫,而聲發(fā)射探頭安放在壓力室表面。③高溫三軸壓力室內(nèi)部產(chǎn)生的噪聲,食鹽在受壓時(shí)會(huì)發(fā)出聲音,低溫階段巖石變形與傳壓介質(zhì)不同步,傳壓介質(zhì)變形與爐壁變形不同步,相互摩擦也會(huì)產(chǎn)生噪聲。這類(lèi)噪聲在高溫時(shí)出現(xiàn)很少,因?yàn)楦邷貢r(shí)食鹽為熔融狀態(tài),與巖石和爐壁的摩擦減小或者可以忽略。④其他噪聲,如人來(lái)回走動(dòng)以及其他一些不可預(yù)知原因產(chǎn)生的噪聲。環(huán)境噪聲的影響不可忽略,為了使試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加精確,特別做了噪聲采集試驗(yàn),以分析噪聲對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。通過(guò)噪聲試驗(yàn)得出了試驗(yàn)中的背景噪聲特征參數(shù)值的范圍,如表1所示。試驗(yàn)所得噪聲能量為0,說(shuō)明設(shè)置的噪聲門(mén)檻值把噪聲濾掉了,振鈴數(shù)不為0,說(shuō)明設(shè)定的振鈴門(mén)檻值沒(méi)有把噪聲全部濾掉。4試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)完畢后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)試樣有宏觀的裂紋貫通整個(gè)試樣,只在試樣表面有長(zhǎng)度不大的小裂紋,試件沒(méi)有破壞,只是發(fā)生了局部細(xì)微的破裂。4.1平均數(shù)據(jù)采集量過(guò)大試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程經(jīng)歷時(shí)間很長(zhǎng),聲發(fā)射儀采集的數(shù)據(jù)很多,每秒的數(shù)據(jù)采集量達(dá)幾百個(gè),一個(gè)試樣的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以達(dá)到10G以上,在一般的辦公軟件中無(wú)法直接處理,故在處理時(shí)以1℃為單位進(jìn)行加權(quán)平均,再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。4.2聲發(fā)射過(guò)程分析使用4.1節(jié)所述的數(shù)據(jù)處理方法處理數(shù)據(jù)后,各特征參數(shù)隨溫度的變化如圖4~7所示。圖4為在恒定三軸壓力(軸壓25MPa,圍壓25MPa)下振鈴數(shù)隨溫度的變化規(guī)律,圖5為聲發(fā)射儀每秒鐘記錄的聲發(fā)射信號(hào)次數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。聲發(fā)射的過(guò)程是一個(gè)應(yīng)力(能量)不斷積聚、間歇釋放的過(guò)程,但不同的尺度又有不同的特點(diǎn)。由圖4、5可看出,高溫三軸壓力下的聲發(fā)射現(xiàn)象也是間斷發(fā)生的,由好多個(gè)波峰組成。大體上可以劃分為如下幾個(gè)聲發(fā)射振鈴密集段:24~60℃、120~260℃、340℃以后。60~120℃、260~340℃為較平靜段。從宏觀來(lái)看,是能量積累、釋放的周期性變化,不同之處在于各個(gè)溫度段聲發(fā)射產(chǎn)生的原因不同,內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化的程度和規(guī)模不同。兩個(gè)溫度平靜段的振鈴數(shù)大小差不多,通過(guò)背景噪聲分析,兩個(gè)平靜段聲發(fā)射信號(hào)是噪聲,可以把這個(gè)振鈴數(shù)的值作為一個(gè)基準(zhǔn)值來(lái)分析聲發(fā)射振鈴規(guī)律。圖6為聲發(fā)射振鈴積累數(shù)隨溫度的變化,常溫24~60℃聲發(fā)射振鈴累積數(shù)逐漸增大;60~120℃聲發(fā)射振鈴累積數(shù)保持在一個(gè)恒定的量,基本不變化,處于穩(wěn)定階段;120~260℃為第2個(gè)聲發(fā)射振鈴累積數(shù)增大的階段,此階段所經(jīng)歷的溫度范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第1個(gè)增加階段,這個(gè)階段聲發(fā)射現(xiàn)象頻繁出現(xiàn),說(shuō)明巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)變化比較劇烈;260~340℃是第2個(gè)平靜段,所經(jīng)歷的溫度范圍和第1個(gè)平靜段差不多;340℃以后進(jìn)入第3個(gè)增大階段。由此可以推出高溫3軸應(yīng)力下的聲發(fā)射是周期性的振鈴積累數(shù)增加、穩(wěn)定的過(guò)程。圖7為聲發(fā)射能量隨溫度的變化規(guī)律。圖中顯示聲發(fā)射的能量也是時(shí)斷時(shí)續(xù)、時(shí)大時(shí)小,與振鈴積累數(shù)有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,振鈴積累數(shù)的增長(zhǎng)上升階段常伴有較大的聲發(fā)射能量,而振鈴積累數(shù)的平穩(wěn)階段聲發(fā)射能量幾乎為0。巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化劇烈程度不同:24~60℃、120~144℃、170~190℃、235~245℃斷續(xù)出現(xiàn)了4個(gè)小的波峰,255~265℃出現(xiàn)了最大的一個(gè)波峰,在持續(xù)了一個(gè)較長(zhǎng)的平靜段后,336℃以后又出現(xiàn)一個(gè)波峰。由此可見(jiàn),原巖狀態(tài)下高溫巖體的熱破裂是一個(gè)持續(xù)不斷的能量集聚和釋放的交替過(guò)程。在260℃附近聲發(fā)射比較劇烈,能量比較集中,表明了巖石內(nèi)部的結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的破壞,或者形成了較大的貫通裂紋,而在其他小的波峰處巖石內(nèi)部則發(fā)生了劇烈程度不等的局部破壞。這些破壞可能是原生裂紋的擴(kuò)展、新裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展、小裂紋之間的相互貫通,巖石中的流體包裹體爆裂等。把圖4~7綜合起來(lái)看,在常溫到60℃就有明顯的聲發(fā)射現(xiàn)象,出現(xiàn)了兩個(gè)小波峰。常溫下發(fā)生的聲發(fā)射肯定不是由于溫度的作用,根據(jù)噪聲分析也不單純是噪聲,巖石在受壓時(shí)會(huì)有聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生,而且在沒(méi)有壓力作用下的巖石熱破裂研究中,低溫段沒(méi)有發(fā)現(xiàn)聲發(fā)射,所以認(rèn)為,常溫下聲發(fā)射的產(chǎn)生是在壓力的作用下設(shè)備噪聲和原生裂隙的閉合過(guò)程中產(chǎn)生的,如圖中的第1個(gè)小的波峰。50~60℃之間出現(xiàn)了第2個(gè)波峰,這時(shí)溫度效應(yīng)不應(yīng)該忽略,巖石試件承受的是一個(gè)溫度和應(yīng)力的耦合場(chǎng),隨溫度的升高巖石內(nèi)部的礦物顆粒發(fā)生膨脹、體積增大、內(nèi)部空間增大,內(nèi)部空間中的氣體是可壓縮、可流動(dòng)的。由于壓力作用,巖石內(nèi)部的原生裂紋或者顆粒之間要重新整合,尋求新的應(yīng)力平衡,產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象,所以認(rèn)為,這個(gè)階段的聲發(fā)射主要還是由于設(shè)備噪聲和應(yīng)力場(chǎng)導(dǎo)致原生裂隙整合的過(guò)程中產(chǎn)生的。原因有如下幾個(gè)方面:①陳颙等通過(guò)試驗(yàn)證明花崗巖不受力條件下,在溫度的影響下花崗巖開(kāi)始發(fā)生熱破裂的門(mén)檻值溫度為60~70℃之間,根據(jù)一般的理論巖石在靜水壓力下強(qiáng)度要增大,所以聲發(fā)射試驗(yàn)中在60℃以前的聲發(fā)射現(xiàn)象不是熱破裂引起的。②根據(jù)對(duì)背景噪聲的分析可知,平靜區(qū)的聲發(fā)射特征值大小和背景噪聲的特征值非常一致,但在同樣的噪聲背景下兩個(gè)平靜區(qū)的聲發(fā)射特征參數(shù)不同,第2個(gè)平靜區(qū)比第1個(gè)要更加明顯和劇烈(振鈴數(shù)密度較大),所以認(rèn)為,第2個(gè)平靜區(qū)有與背景噪聲聲發(fā)射特征參數(shù)值大小差不多的熱破裂作用。由于這兩個(gè)平靜區(qū)的不同,也可以證明在第1個(gè)平靜區(qū)以前熱的作用是非常小的。③趙陽(yáng)升等指出,花崗巖在200℃時(shí)才發(fā)生很少的熱破裂,由此推理60℃以前的聲發(fā)射不是熱破裂產(chǎn)生的,同時(shí)這種解釋也符合滲透性規(guī)律。在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi),聲發(fā)射的變化規(guī)律主要表現(xiàn)為5個(gè)階段:①常溫24~60℃,巖石原生裂隙整合階段,此階段主要是巖石原生裂隙產(chǎn)生的聲發(fā)射,包括恒定壓力對(duì)巖石原生裂隙的影響產(chǎn)生的聲發(fā)射和在恒定壓力下由于溫度的升高產(chǎn)生溫度應(yīng)力對(duì)原生裂隙影響產(chǎn)生的聲發(fā)射;②60~120℃,熱破裂前聲發(fā)射靜默期,此階段基本上沒(méi)有聲發(fā)射,為巖石熱破裂開(kāi)始前的能量積聚期;③120~260℃,為聲發(fā)射劇烈產(chǎn)生階段,此階段主要是熱破裂產(chǎn)生的聲發(fā)射,該段的前一部分主要是熱破裂形成新的微小裂紋時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射,能量較低,后一部分以微小裂紋貫通形成較大的內(nèi)部通路時(shí)產(chǎn)生的聲發(fā)射為主;④260~340℃,大規(guī)模熱破裂后的聲發(fā)射靜默階段,由于發(fā)生了頻繁的熱破裂,并且?guī)r石內(nèi)部形成了較明顯裂紋通路,完成了外力和熱導(dǎo)致的積聚的應(yīng)力(能量)的釋放,沒(méi)有聲發(fā)射的發(fā)生,為又一階段的能量積聚期;⑤340℃以后,二次熱破裂階段開(kāi)始出現(xiàn)。4.3滲透率達(dá)早期活動(dòng)試驗(yàn)中聲發(fā)射規(guī)律和滲透性試驗(yàn)有較好的一致性,隨著熱破裂的發(fā)生,滲透率增大,在大規(guī)模熱破裂聲發(fā)射現(xiàn)象產(chǎn)生后,滲透率達(dá)到峰值。在圖6中,振鈴累積率增加的斜率基本一樣,說(shuō)明在相同應(yīng)力條件下,隨著溫度的變化,熱破裂的破裂速率是一樣的,這是否是一個(gè)規(guī)律,值得更進(jìn)一步探討研究。5聲發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果分析(1)花崗巖在恒定三軸壓力下和溫度影響下具有強(qiáng)烈的聲發(fā)射現(xiàn)象。(2)恒定三軸壓力下隨著溫度的升高巖石的聲發(fā)射現(xiàn)象是間斷發(fā)生的,每一次大規(guī)模的聲發(fā)射出現(xiàn)前都有一個(gè)平靜區(qū),并且兩者交替出現(xiàn)。聲發(fā)射的產(chǎn)生是由于