灰岩三轴卸荷力学特性及声发射特征的高温后效应

陈海清，孟陆波

（成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059）

煤炭的地下气化、瓦斯爆炸、煤炭自燃等现象会使周围的岩体经历一定的高温作用，这时周边围岩的物理力学性质会发生较大的变化。在此环境下从事工程开挖活动需要知道岩石高温后效应，因此研究岩石卸荷高温后效应非常必要。对于卸荷试验，前人已经做了大量的研究。张成良、邱士利、王在泉[1-6]等研究了岩石不同卸荷路径下的破坏规律和机制、变形特征。声发射中诸多参数对岩石破坏过程的研究有很大参考价值，苏承东、陈亮[7-8]等比较了岩石在不同应力路径下的声发射特征和力学特征；丛宇、RUDAJEV V、刘倩颖[9-11]等通过岩石的声发射和力学特征得出岩石破坏前兆的声发射特征。岩石在经历过高温后，其内部物质结构和物理力学性质将发生一系列变化，Kong Biao、Zhang J L[12-13]等研究了岩石高温后，单轴压缩下的声发射特征；徐小丽[14]等研究了不同温度作用后花岗岩的力学性质和破坏模式；李建林、蔡燕燕[15-16]等研究了高温后岩石在三轴卸荷试验中的力学特征和破坏模式与温度的关系；吴刚[17]等比较了盐岩在加载过程中高温后和高温下声发射演变过程。目前学者们大多数是通过常规三轴试验或卸荷试验研究岩石的力学特性和声发射特征，对高温后岩石的声发射特征研究较少。故通过三轴卸荷试验研究灰岩卸荷过程中力学特性和声发射特征的高温后效应，以期为在高温作用后的地层中从事工程活动提供理论指导。

1 仪器设备及方案

1.1 岩样制备

岩样取自成兰铁路茂县段。将灰岩加工成直径45 mm，高100 mm的圆柱体试件，试件端部平面磨平到±0.02 mm，高度精确到1 mm，端面应垂直于试样轴线，允许偏差为±0.25°，试件没有明显的裂纹和节理等缺陷。

1.2 主要仪器设备

试验加热设备采用SX2箱式电阻炉，该电阻炉的最高加热温度是1 300℃；加载系统采用MTS-815型程控伺服刚性试验机，该试验机能施加的最大轴向荷载为4 600 kN，最大围压为140 MPa；声发射测试采用美国PAC公司研制的Micro-Ⅱ型声发射控制采集系统，门槛值为35 dB,信号最大幅值可达100 dB。

1.3 试验方案

1）对制备好的岩样进行纵波波速测试，根据波速测试结果剔除波速差异大的。

2）对试件进行加热，试验分7个温度段：常温（25 ℃）、100、200、300、400、600、800 ℃，以 5 ℃/min的速率加温至指定温度，然后保持该温度2 h，之后在加温炉炉膛内自然冷却至室温。

3）对加热冷却后的岩样进行常规三轴压缩试验，将峰值强度的60%作为三轴卸荷试验的卸荷点；试验开始时先将围压按照静水压力加载到预定围压30 MPa，然后以0.63 MPa/s施加轴向应力至卸荷点；再以0.05 MPa/s速率卸围压，同时以0.04 mm/min的速率施加轴向荷载直至岩样破坏，试验开始时同步进行声发射监测。

2 力学特性

2.1 力学参数分析

岩石在不同温度作用后，会产生不同程度的损伤。对不同温度作用后的灰岩在围压30 MPa条件下进行三轴卸荷试验，试验结果见表1。从表中可以看出，在100℃时，峰值强度最大，相比于常温增加了36%，温度高于100℃时，随着温度的升高，峰值强度逐渐减小，相较于常温，800℃时减小了7%；温度低于400℃时，峰值强度比常温状态下高，高于400℃时，峰值强度比常温下低；在200~400℃，峰值强度随着温度的升高基本上呈线性降低，高于400℃后，峰值强度随着温度的升高下降的幅度逐渐减小。不同温度作用后灰岩的弹性模量变化比较离散，但总体上和峰值强度的变化趋势相同，泊松比则与峰值强度的变化趋势相反。表明温度对灰岩既有劣化又有强化作用，低于400℃时，温度对灰岩具有强化作用，高于400℃时，温度对灰岩又具有劣化作用。

表1 不同温度作用后三轴卸荷试验力学参数

2.2 扩容特性分析

扩容是岩石破坏的前兆信息，研究岩石扩容特征对工程实践具有重大意义。表1给出了不同温度作用后灰岩扩容应力大小及其应力水平。在常温状态下，灰岩扩容应力接近峰值强度，扩容应力水平为97.8%；经过高温处理后，扩容应力水平随着温度的升高逐渐增大，但较常温状态下小。表明温度能降低灰岩的扩容应力水平，高温处理后，随着温度的升高，扩容应力水平又逐渐增大。

对高温处理后灰岩扩容应力水平与相应温度进行拟合，得到的确高温作用后灰岩扩容应力水平随温度变化关系如图1。

图1 扩容应力水平与温度拟合关系

拟合分程为：y=0.028 6x+63.404 7。二者相关性R2=0.98，说明该关系式能很好的吻合扩容应力水平与温度关系。

3 声发射特征

3.1 应力-计数率-时间关系

不同温度作用后灰岩的应力差-计数率-时间关系图如图2和图3。卸围压前，声发射计数率比较平静，400℃前，计数率很少甚至没有，400℃后，计数率维持在一定水平；卸围压后，刚开始与卸围压前相比计数率没有大的变化，当应力快到峰值强度时，计数率开始变得活跃起来。常温状态下声发射计数率比100~300℃下活跃，没有高于400℃下活跃；随着温度的升高，灰岩的最大振铃计数率依次为8 749、16 584、11 957、9 378、3 997、3 463、3 200，在100~800℃，随着温度的升高，最大振铃计数率逐渐降低；在400℃前，最大振铃计数率维持在较高水平，并且比常温下大，400℃后，最大振铃计数率维持在一个相对较低水平，比常温状态下小；灰岩最大振铃计数率并不发生在峰值强度处，而是在峰值强度附近。声发射计数率在400℃前后表现出明显的差异性，能较好反映灰岩在外力作用下的损伤过程，其变化规律与力学变化特征吻合。

图2 25~400℃作用后应力差-计数率-时间关系

图3 600~800℃作用后应力差-计数率-时间关系

3.2 应力-累计能量-时间关系

不同温度作用后灰岩应力差-累计能量-时间关系图如图4和图5。累计能量随着时间的增加而逐渐增长，在常温和100℃下，岩样峰前只有很少的能量释放，在累计能量-时间关系曲线上表现为累计能量与时间轴非常接近，在100℃后，从开始就可明显发现有部分能量释放，且总体上岩样完全破坏时释放的总能量随着温度的升高而逐渐降低。对于高温作用后的灰岩，累计能量-时间曲线每次突增，一段时间延迟后，都有相应的“陡降式”应力降产生，且累计能量-时间曲线开始突增预示着灰岩即将达到峰值强度，从而发生破坏。表明除100℃外，高温作用后的灰岩在外力作用过程中，更易释放能量，岩样内部裂纹的形成、扩展及贯通更易进行。

图4 25℃~100℃作用后应力差-累计能量-时间关系

图5 200℃~800℃作用后应力差-累计能量-时间关系

4 结论

1）温度对灰岩既有劣化又有强化作用，低于400℃时，温度对灰岩具有强化作用，高于400℃时，温度对灰岩具有劣化作用。

2）高温作用后的灰岩，随着温度的升高，峰值强度和弹性模量总体上逐渐降低，泊松比逐渐增大，扩容点强度越来越接近峰值强度。温度能降低灰岩的扩容应力水平，高温处理后，随着温度的升高，扩容应力水平又逐渐增大。

3）声发射计数率在400℃前后表现出明显的差异性，其变化规律与力学变化特征吻合，而且最大振铃计数率并不发生在峰值强度处，而是在峰值强度附近。

4）累计能量-时间曲线每次突增，一段时间延迟后，都有相应的“陡降式”应力降产生；除100℃外，高温作用后的灰岩在外力作用过程中更易释放能量，岩样内部裂纹的形成、扩展以及贯通更易进行。