含水率影響下砂質泥巖直剪特性及聲發(fā)射特征

姚強嶺，王偉男，楊書懿，方 杰，周保精

(1.國家能源集團 煤炭開采水資源保護與利用國家重點實驗室，北京 102211; 2.中國礦業(yè)大學 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 3.山西師范大學 國有資產與實驗室管理處，山西 臨汾 041000)

煤礦開采擾動會導致覆巖結構及完整性遭到破壞和水資源運移[1]，此過程將發(fā)生水-巖相互作用。水巖作用過程改變了煤巖體的微觀結構、礦物組分及煤巖體裂隙發(fā)育形態(tài)，弱化了煤巖體的物理力學性能，容易引起工程巖體的變形失穩(wěn)[2-6]。

20世紀50年代以來，水-巖作用得到越來越多國內外學者的關注，從解決不同問題的角度開展了巖石單軸及三軸壓縮、剪切等試驗研究。LASHKARIPOUR等[7-8]通過單軸壓縮試驗，研究了含水率影響下泥巖和頁巖強度損傷弱化規(guī)律，并通過試驗數(shù)據(jù)擬合得到了泥巖和頁巖的單軸抗壓強度隨含水率的增加呈負指數(shù)減小的規(guī)律。LI等[9]基于分形理論，研究了高壓水射流作用下煤塊破碎粒徑分布規(guī)律，得到了煤粒大小和入口水壓的關系，為零排放發(fā)電水煤漿的制備提供了理論基礎。PANG等[10]考慮了圍壓對巖石滲透性的影響，分別采用物理實驗、理論分析和數(shù)值模擬等方法，研究了三軸應力下巖石滲透率的變化及裂隙擴展的規(guī)律，對煤層底板的突水機理進行了分析，并提出了判斷底板突水的依據(jù)。鄧華鋒等[11-12]基于連續(xù)損傷力學和統(tǒng)計理論，并通過干濕循環(huán)試驗，對水-巖作用中反復浸水的工程實例進行了研究，較好地解釋了邊坡巖體在降雨或因水庫水位升降而引起的變形破壞狀況。顧大釗等[13]通過物理模擬和數(shù)值模擬方法，對地下水庫壩體的地震破壞形態(tài)進行了研究，并將研究結果與地面水庫進行對比，發(fā)現(xiàn)由于頂?shù)装宓募s束，地下水庫壩體比地面水庫壩體進入塑性更慢，驗證了地下水庫抗震安全性，提出了地下水庫壩體安全系數(shù)的概念。劉業(yè)科[14]采用理論分析、室內試驗和數(shù)值計算等方法，研究了水-巖作用下深部巖體的損傷演化規(guī)律和流變特性。姚強嶺等[2,15-17]針對西部生態(tài)脆弱礦區(qū)煤炭開采水資源保護與利用，開展了水作用下煤系沉積巖力學試驗，揭示了不同含水率、反復浸水條件下煤系沉積巖宏細觀變形破壞機理，系統(tǒng)研究了采空區(qū)儲水結構壩體在含水率和浸水次數(shù)影響下的變形破壞特征。

剪切破壞是工程巖體最常見的破壞形式之一，剪應力作用會使得巖體不同介質界面發(fā)生破斷，促使裂隙擴展，增大巖體的滲透性。巖體剪切破壞失穩(wěn)發(fā)生時間較短，破壞形式一般分為剪切破壞、拉剪復合破壞和剪切滑移3種[18]。WONG等[19]對預制裂隙巖石及石膏相似試件進行了直剪試驗，發(fā)現(xiàn)裂隙貫通形式對巖樣的抗剪強度有影響，拉伸貫通裂隙巖樣抗剪強度比拉剪復合貫通裂隙低。徐松林和吳文[20]通過直剪試驗研究了大理巖韌性剪切帶局部化變形的產生、發(fā)展和破壞機理，發(fā)現(xiàn)大理巖在剪切荷載作用下，其韌性變形和脆性變形共同存在和發(fā)展，引起巖石破壞的直接原因是韌性剪切帶局部化變形強烈的亞剪切帶。芮勇勤和唐春安[21]通過RFPA數(shù)值計算軟件對非均勻彈-脆性巖石進行了模擬研究，得到了巖石從變形到產生剪切滑移的全過程，巖石剪切滑移面均由其一端形成，延伸至另一端直至試樣貫通破壞，并發(fā)現(xiàn)巖石剪切破裂面的分形維數(shù)與巖石剪切滑移面的粗糙程度和力學行為有關。李克鋼和侯克鵬[22]采用自主研制的壓剪設備對飽和巖體試樣進行了直剪試驗，得到了飽和試樣的剪應力-應變曲線、抗剪強度、黏聚力和內摩擦角，發(fā)現(xiàn)與自然含水狀態(tài)相比，飽和試樣抗剪性能參數(shù)均下降超過10%。

工程巖體普遍處于直剪受力狀態(tài)，剪切破壞是煤礦開采中巖石破壞的主要形式之一。水對巖體的弱化作用，對巷道圍巖、頂?shù)装搴退畮靿误w等工程巖體穩(wěn)定性產生不可忽視的影響。然而，大多數(shù)學者僅研究飽和巖石與干燥或自然含水狀態(tài)巖石抗剪性能的差異，關于不同含水率對巖石直剪特性和裂隙發(fā)育規(guī)律影響的研究較少。地表降雨-蒸發(fā)，水庫水位升降，地下水滲流等過程都會導致工程巖體含水率處于動態(tài)變化過程，因此有必要開展含水率對巖石直剪特性影響的研究。鑒于此，基于自主研制的直剪試驗設備進行了不同含水率巖石的直剪試驗，同時進行了聲發(fā)射監(jiān)測，系統(tǒng)研究了含水率影響下巖石的直剪特性和聲發(fā)射特征，研究成果為解決水-巖作用產生的工程問題提供有益參考。

1 試樣制備

試驗所用巖樣為神東礦區(qū)烏蘭木倫煤礦3-1煤層4盤區(qū)回風巷頂板砂質泥巖，侏羅系中下統(tǒng)延安組，干燥狀態(tài)下的平均彈性模量為7.27 GPa，平均泊松比為0.20[23]。將巖石試樣取出后，用保鮮膜包裹密封，防止試樣風化。

根據(jù)《巖石物理力學性質試驗規(guī)程》(DZ/T0276.18—2015)，將巖石加工成尺寸為50 mm×50 mm×50 mm的立方體試塊，相鄰面之間相互垂直，最大偏差不大于0.25°，相對面之間不平行度小于0.1 mm。共加工立方體試塊60塊，其中3塊用于測試巖樣浸水規(guī)律，36塊用于直剪試驗，余下21塊備用。直剪試驗劃分4種含水率和3種法向應力，每種含水率和法向應力為一組，共進行12組試驗，每組3塊巖石試塊。若同組試驗結果離散性較大或試驗失敗，則用備用試塊進行補充試驗。

采用德國Zeiss Imager型偏光顯微系統(tǒng)對砂質泥巖進行薄片顯微鑒定試驗，以獲取砂質泥巖巖性、礦物組分及顯微特征。Imager型偏光顯微系統(tǒng)如圖1所示，包括Imager型偏光顯微鏡和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將Imager型偏光顯微鏡獲取的試樣巖性、礦物組分和顯微特征數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行處理。得到的砂質泥巖巖性及礦物組分見表1,表1中標本特征為新鮮面灰色，泥質結構，黏土礦物為主，具有滑感，粉砂質碎屑質量分數(shù)為40%，泥質質量分數(shù)約60%，自然斷面上可見植物化石，具有水平層理構造。由于巖石礦物紋理豐富，在單偏光下顆粒邊緣模糊難以辨別[24]，因此采用正交偏光獲取砂質泥巖的顯微特征，如圖2所示。

圖1 偏光顯微鏡Fig.1 Polarization microscope

表1 砂質泥巖巖性鑒定Table 1 Identification of sandy mudstone

由表1可知,黏土礦物含量占整體礦物成分的75%，成分主要為高嶺石和伊蒙混層，其中高嶺石吸水性強，遇水后具有可塑性;伊蒙混層遇水后會使巖石體積膨脹[25]。

圖2(a)為偏光顯微鏡在低倍鏡下的觀測結果(比例尺1 000 μm)，發(fā)現(xiàn)砂質泥巖具有水平層理構造，可見白色、灰黃色和黑色礦物，結合表1可知，礦物分別為石英、黏土和炭屑。將偏光顯微鏡放大10倍(比例尺100 μm)，分別觀測砂質泥巖的砂質部分和泥質部分(圖2(b),(c))，可以發(fā)現(xiàn)砂質部分的礦物主要為石英、炭屑和黏土，其中石英含量最多;泥質部分的礦物主要為石英、炭屑、黏土和白云母，其中炭屑和黏土含量最多。

圖2 砂質泥巖顯微特征Fig.2 Microscopic characteristics of sandy mudston

為了研究不同含水率巖石的抗剪性能，需要制備含水巖樣。常規(guī)的浸水方法是將試樣放入盛滿水的容器中浸泡，這種方法容易導致試樣崩解破壞[2,15,26-29]。筆者采用自主研制的無損浸水試驗裝置對巖樣浸水。無損浸水裝置的原理是將試樣放入密封箱中，加濕器與密封箱通過塑料導管連接，加濕器產生的水霧經(jīng)過塑料導管進入密封箱，密封箱處于高濕度環(huán)境，進而使得巖樣在浸水過程中能夠保持完好[2,15]。無損浸水試驗裝置如圖3所示。

圖3 無損浸水試驗裝置[2,15,27-29]Fig.3 Nondestructive immersion test equipment[2,15,27-29]

首先將巖樣放入恒溫干燥箱中進行烘干(烘干溫度設置為105 ℃，時間為24 h)，之后采用無損浸水裝置對干燥巖樣浸水，直至巖樣完全飽和。在浸水的過程中，每隔一段時間將巖樣取出，進行稱重，得到的砂質泥巖含水率隨浸水時間的變化關系如圖4所示。

圖4 砂質泥巖含水率隨浸水時間變化規(guī)律Fig.4 Relation of the moisture content of sandy mudstone with water intrusion time

巖樣含水率的計算公式為

ωa=(ma-md)/md×100%

(1)

式中，ωa為巖樣的含水率，%;ma為浸水巖樣質量，g;md為干燥巖樣質量，g。

如圖4所示，巖樣含水率隨浸水時間呈現(xiàn)規(guī)律性變化關系。通過擬合曲線發(fā)現(xiàn)，含水率隨浸水時間呈負指數(shù)增長。隨著浸水時間增加，巖樣含水率增長速率逐漸減小。根據(jù)浸水曲線和擬合曲線的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)當浸水時間小于18 h時，巖樣含水率隨浸水時間幾乎呈線性增加;浸水18 h后巖樣浸水曲線和擬合曲線的斜率開始逐漸減小，也即巖樣含水率的增長速率開始逐漸降低;42 h后巖樣浸水曲線和擬合曲線與時間軸近似平行，巖樣含水率幾乎不再增長。由此，含水率隨浸水時間的變化趨勢可分為3個階段:① 含水率快速增長階段(Ⅰ，0～18 h)，巖樣含水率在0～4.75%快速增長，平均增長速率0.264%/h;② 含水率緩慢增長階段(Ⅱ，18～42 h)，巖樣含水率在4.75%～5.63%增長減緩，速率為0.037%/h;③ 含水率穩(wěn)定階段(Ⅲ，42 h～)，由于連續(xù)96 h(42～138 h)巖樣含水率幾乎不變(5.66%)，認為此時巖樣已經(jīng)達到飽和狀態(tài)。

為研究不同含水率砂質泥巖直剪特性和聲發(fā)射特征，需要選取具有代表性的巖樣含水率，取點方式參照文獻[27]。根據(jù)含水率隨浸水時間的變化規(guī)律，0～18 h(含水率快速增長階段)，巖樣含水率增長較快，取點應密集一些;18 h之后巖樣含水率增長緩慢，取點應稀疏一些，再考慮干燥和飽和的極限情況，確定砂質泥巖直剪試驗所需含水率分別為0(干燥)，2.00%，4.00%，5.66%(飽和)。

2 試驗裝置及試驗方案

試驗系統(tǒng)主要包括:切向力加載系統(tǒng)、法向力加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)，如圖5所示。切向力加載系統(tǒng)為新三思CMT5305型微機控制電子萬能試驗機。法向力加載系統(tǒng)采用自行研制的液壓機械裝置(直剪試驗設備)，由伸縮式液壓油缸、自動控制電動液壓泵、機械反力架等組成。伸縮式液壓油缸最大行程120 mm，自動控制電動液壓泵額定功率1.5 kW，上面裝有高精度液壓表和調壓閥，其中調壓閥用于調節(jié)法向力大小。聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)是美國物理聲學公司Physical Acoustic Corporation生產的PCI-2型聲發(fā)射系統(tǒng)。

圖5 直剪試驗系統(tǒng)Fig.5 Direct shear test system

試驗前首先將巖樣放好，開啟直剪試驗設備，將液壓油缸緩慢伸長，使得滾軸滑塊壓頭與巖樣一側表面接觸，為巖樣提供法向應力;調節(jié)調壓閥將法向力提高至預定值(3種法向應力大小分別為3，4和5 MPa)，并保持法向力恒定。之后，啟動電子萬能試驗機，采用位移控制方式對巖樣施加切向應力，加載速率為0.3 mm/min。為確保試驗過程中巖樣受切向應力及聲發(fā)射的同步采集，CMT5305微機控制電子萬能試驗機及聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)的采樣間隔均設定為1 μs。聲發(fā)射探頭數(shù)量為2個(由于本文不進行聲發(fā)射定位研究，2個探頭獲取的聲發(fā)射信號能夠滿足試驗需要，測得的聲發(fā)射信號是可靠的，文獻[28-29]均選擇2個探頭進行聲發(fā)射監(jiān)測)，測點分布在巖樣兩側，具體布置位置如圖6所示。試驗時聲發(fā)射探頭耦合在巖樣表面，為達到較好的耦合效果，在探頭與巖樣接觸面上涂上黃油，再用塑料熱熔槍把探頭固定住。本次試驗設定聲發(fā)射系統(tǒng)主放40 dB，檢測門檻值40 dB，探頭諧振頻率20～400 kHz。

圖6 聲發(fā)射測定布置Fig.6 Layout of acoustic emission measuring points

3 含水率對砂質泥巖直剪力學特性的影響

3.1 不同含水率巖樣剪應力-剪應變曲線

不同含水率、不同法向應力下砂質泥巖巖樣的剪應力-剪應變曲線如圖7所示。

由圖7可知，不同含水率、不同法向應力下砂質泥巖剪應力-應變曲線具有相似規(guī)律:加載初期，砂質泥巖剪應力-應變曲線均呈“上凹”狀，曲線斜率不斷升高，表明巖樣剪切模量不斷增加;隨著剪應力逐漸增大，曲線趨于直線，此時剪切模量為常量;之后，曲線呈非線性增長，斜率逐漸減小，待巖樣破壞后曲線近乎垂直下降，說明巖樣發(fā)生脆性破壞。隨著含水率增加，砂質泥巖峰值(剪)應變逐漸減小。由干燥到飽和，3 MPa法向應力條件下巖樣峰值(剪)應變由0.029 4減小至0.009 6，減小幅度為67.3%。同理，4 MPa法向應力條件下對應的數(shù)據(jù)分別為0.030 8，0.013 7，55.5%;5 MPa法向應力條件下對應的數(shù)據(jù)分別為0.021 9，0.010 4，52.5%。

圖7 不同含水率砂質泥巖剪應力-應變曲線Fig.7 Shear stress-strain curves of sandy mudstones with different moisture contents

3.2 不同含水率巖樣抗剪強度

砂質泥巖巖樣的抗剪強度與含水率之間關系如圖8所示。

由圖8可知，巖樣抗剪強度與含水率呈負相關，與法向應力呈正相關。隨著含水率增加，巖樣抗剪強度呈指數(shù)減小。

圖8 砂質泥巖抗剪強度與含水率關系Fig.8 Relationship between shear strength and moisture content of sandy mudstone

由干燥到飽和，3 MPa法向應力條件下巖樣抗剪強度從5.47 MPa降低至2.65 MPa，降低幅度為51.5%。同理，4 MPa法向應力條件下對應的數(shù)據(jù)分別為6.20 MPa，3.46 MPa，44.2%;5 MPa法向應力條件下對應的數(shù)據(jù)分別為7.31 MPa，4.05 MPa，44.6%。這說明水作用對砂質泥巖內部造成較為嚴重的損傷，嚴重影響巖樣的抗剪強度，且含水率越高，損傷越嚴重，巖樣抗剪強度越低。

3.3 不同含水率巖樣黏聚力和內摩擦角

Mohr-Coulomb準則在巖石力學相關工程中應用廣泛，該準則認為巖石破壞主要是剪切破壞。而黏聚力和內摩擦角是用來評價巖石抗剪能力的重要技術指標。Mohr-Coulomb準則為

τ=c+σtanφ

(2)

式中，τ為巖樣的剪應力，MPa;c為巖樣的黏聚力，MPa;σ為巖樣的正應力(法向應力)，MPa;φ為巖樣的內摩擦角，(°)。

由Mohr-Coulomb準則可知，巖石剪應力與正應力呈線性關系。根據(jù)試驗結果，繪制不同含水率巖樣τ-σ關系曲線，如圖9所示。通過線性擬合，得到不同含水率巖石的黏聚力和內摩擦角，如圖10所示。

圖9 不同含水率砂質泥巖剪應力-正應力分布曲線Fig.9 Distribution of shear stress and normal stress of sandy mudstones with different moisture content

圖10 不同含水率砂質泥巖黏聚力和內摩擦角Fig.10 Cohesive force and internal friction angle of sandy mudstones with different moisture content

由圖10可知，隨著含水率增加，巖樣黏聚力和內摩擦角逐漸降低，但變化規(guī)律不同，其中黏聚力表現(xiàn)為負指數(shù)下降趨勢，內摩擦角表現(xiàn)為線性下降趨勢。由干燥到飽和，巖樣黏聚力從2.66 MPa下降到0.58 MPa，下降了78.2%;內摩擦角從42.54°降低至35.05°，降低了17.6%。這是因為砂質泥巖中高嶺石和伊蒙混層類黏土礦物含量較高，尤其是伊蒙混層，遇水后體積膨脹，擠壓周圍其它礦物，進而引起巖石微結構改變，含水率越高，巖石微結構改變越大。此外，巖樣浸水后，水分子滲入巖石內部原生微裂隙中，在巖石顆粒間形成水膜，削弱顆粒間的膠結力，降低顆粒間的摩擦系數(shù)，使得巖石破壞時所克服的黏聚力和內摩擦角減小。含水率越高，巖石顆粒間的膠結力越弱，粒間摩擦系數(shù)越小，巖石的黏聚力和內摩擦角越小。

將黏聚力和內摩擦角的擬合公式代入式(2)，得到巖樣抗剪強度與含水率關系為

τ=-1.10e0.2ω+3.89+σtan(-1.19ω+42.53)

(3)

式中，ω為巖樣含水率，%。

基于此，對Mohr-Coulomb準則進行修正。根據(jù)已知干燥巖樣的黏聚力和內摩擦角值，建立考慮含水率影響的巖石Mohr-Coulomb準則，見式(4)。式(4)可為水-巖作用相關理論和數(shù)值計算提供一定的參考。

(4)

3.4 不同含水率巖樣剪切破壞特征

為研究含水率對砂質泥巖巖樣剪切破壞特征的影響，以3 MPa法向應力為例，得到巖樣直剪破壞特征如圖11所示。

由圖11可知，切向力加載過程中，不同含水率巖樣均是端部與壓頭接觸應力集中處先產生宏觀主裂隙，之后內部裂隙沿主裂隙擴展、匯聚和貫通。含水率越高，巖樣主裂隙附近的衍生裂隙越多。這是因為巖石是具有非均質性和各向異性的多孔介質材料，當水進入巖石內部孔隙和裂隙后，巖石的礦物組分、孔隙結構和大小、裂隙形態(tài)和方向等均會發(fā)生改變，且含水率越高，改變越大。因此含水巖樣主裂隙附近會產生與主裂隙方向不同的衍生裂隙。與含水巖樣相比，干燥巖樣宏觀主裂隙較為平整;飽和巖樣隨著切向力加載，顆粒間相互摩擦和錯動，巖樣宏觀主裂隙附近出現(xiàn)松散的礦物顆粒，說明水作用弱化了巖樣內部顆粒的膠結程度。

圖11 不同含水率砂質泥巖直剪破壞特征Fig.11 Characteristics of direct shear failure of sandy mudstones with different moisture content

4 含水率對砂質泥巖聲發(fā)射特征的影響

聲發(fā)射是巖石破壞過程中的一種伴生現(xiàn)象，蘊含著巖石內部破壞過程的重要信息。聲發(fā)射監(jiān)測已經(jīng)成為巖石力學特性和損傷演化規(guī)律研究的重要手段。在不同含水率砂質泥巖直剪試驗中進行聲發(fā)射監(jiān)測，獲取不同含水率巖石在剪切破壞過程中的聲發(fā)射特征變化規(guī)律，以研究含水率對巖石剪切破壞過程中能量釋放大小、裂隙發(fā)育尺度和發(fā)育類型等的影響。

4.1 不同含水率巖樣累計聲發(fā)射特征

聲發(fā)射累計計數(shù)能夠反映巖樣內部裂隙形成和擴展過程中所釋放出的總能量和內部損傷積累程度。圖12為3 MPa法向應力條件下，不同含水率砂質泥巖直剪試驗中剪應力及聲發(fā)射累計計數(shù)隨時間變化曲線。

由圖12可知，不同含水率砂質泥巖巖樣的剪應力隨時間變化規(guī)律一致，具有階段性:由A到B，巖樣剪應力-時間曲線下凹，斜率逐漸增加，這是因為砂質泥巖內部存在原生孔隙和微裂隙，在剪應力作用下逐漸被壓密，將該階段稱為壓密階段;由B到C，巖樣剪應力隨時間變化呈線性增大，將該階段稱為彈性階段;由C到D，巖樣剪應力-時間曲線上凹，部分試樣的剪應力-時間曲線在該階段出現(xiàn)波動，說明該階段巖樣產生塑性變形，將該階段稱為塑性階段;D點為剪應力-時間曲線峰值點，D點剪應力為巖樣峰值剪應力(即巖樣抗剪強度)，D點過后曲線開始下降，表明巖樣已經(jīng)發(fā)生破壞，將D～E稱為破壞階段。

砂質泥巖巖樣聲發(fā)射累計計數(shù)-時間曲線與剪應力-時間曲線類似，隨時間不斷增長且具有階段性:壓密階段(A～B)，該階段巖樣聲發(fā)射活動很少，內部孔隙逐漸壓密、閉合，微裂隙很少，幾乎沒有能量釋放;隨著荷載增加，巖樣逐漸進入彈性階段(B～C)，該階段聲發(fā)射累計計數(shù)-時間曲線呈線性增長;屈服階段(C～D)聲發(fā)射累計計數(shù)-時間曲線斜率增大(含水率越小，曲線斜率變化越明顯)，巖樣產生不可逆的損傷裂隙并迅速匯聚，直到巖樣產生破壞(D點);D點是剪峰值應力點，D點過后是破壞階段(D～E);D點附近聲發(fā)射累計計數(shù)-時間曲線驟增，說明此時巖樣釋放大量聲發(fā)射信號和應變能。對比圖9可知，隨著含水率的增長，巖樣聲發(fā)射計數(shù)逐漸減小，這是因為水的作用改變了巖樣的內部結構，弱化了巖樣強度，使巖樣表面和內部裂隙貫通所需能量降低，巖樣破壞時釋放的應變能減小。含水率越高，巖樣聲發(fā)射累計計數(shù)越小:干燥巖樣聲發(fā)射累計計數(shù)達5 951次，而含水率2%巖樣降至2 257次，含水率4%巖樣1 549次，飽和巖樣聲發(fā)射累計計數(shù)僅404次，與干燥巖樣相比降低了93.2%。這是因為水進入巖樣孔隙，減少礦物顆粒間的接觸，弱化顆粒間的膠結作用，使得誘導巖樣裂隙擴展所需能量減小，巖樣破壞時產生的微裂隙數(shù)量減少。

4.2 不同含水率巖樣裂隙發(fā)育類型

SHIOTANI等[30]對巖石剪切試驗過程中聲發(fā)射RA值(上升時間/幅值，ms/dB)進行了詳細的計算，認為脆性巖石在破壞時產生的裂隙主要分為拉張裂隙和剪切裂隙，RA值與裂隙種類充分對應——較低RA值對應剪切裂隙，較高RA值對應張拉裂隙。

以3 MPa法向應力為例，繪制不同含水率巖樣剪應力、聲發(fā)射RA值和時間的變化關系如圖13所示。

圖13 不同含水率巖樣剪應力、RA值與時間變化關系Fig.13 Change relationships between shear stress,RA value and time of rock specimens with different moisture contents

由圖13可知，不同含水率巖樣RA值變化規(guī)律大體一致:壓密階段，聲發(fā)射RA值非常少，巖樣內部原生裂隙被壓密，無新裂隙產生;彈性階段聲發(fā)射RA值非常低，均小于1.5 ms/dB，表明此時巖樣內部主要發(fā)生原生缺陷閉合及新生裂隙擴展，新生裂隙基本是剪切裂隙;屈服階段頻繁出現(xiàn)低RA值，說明此階段內部裂隙以剪切裂隙為主，巖樣內部損傷過程活躍，新生裂隙在主裂隙附近擴展、匯聚;隨著荷載繼續(xù)增大，巖樣微裂隙擴展速度加快，在峰值剪應力附近出現(xiàn)較高RA值，表明此階段產生張拉裂隙;破壞階段巖樣產生以剪切裂隙為主的拉剪復合裂隙。隨著含水率增加，巖樣聲發(fā)射RA值數(shù)量減小，活躍程度降低。這是由于水作用改變了巖樣內部結構，弱化巖樣強度，內部裂隙易于沿主裂隙方向擴展，使得巖樣內部裂隙數(shù)目減少;飽和巖樣在屈服階段出現(xiàn)較高RA值，表明在該階段產生了張拉裂隙，反映了水對巖樣強度的弱化作用。

在直剪試驗中，不同含水率砂質泥巖破壞時均產生張拉裂隙。巖石內部結構和礦物組分不同，具有非均質性和各向異性，在荷載作用下，應力重新分布后產生拉應力，含水率越高，應力分布狀態(tài)變化越大。除此之外，巖樣受剪應力的同時也受正應力影響，在泊松效應下會產生拉應力。在屈服階段至峰值附近時，巖樣損傷嚴重，整體強度降低，在拉應力作用下產生張拉裂隙。

4.3 不同含水率巖樣的裂隙發(fā)育程度

Gutenberg和Richter在進行地震頻率和震級研究中，首先提出了用于描述震源尺度分布比例的b值和著名的G-R關系式[31]:

lnN=a+bM

(5)

式中，N為M+ΔM范圍內地震次數(shù);a為地震活動程度常數(shù);b為常數(shù)，表示大小地震數(shù)量的比例；M為地震震級。

在計算巖石聲發(fā)射b值時，一般用聲發(fā)射振幅反映聲發(fā)射事件大小，并將聲發(fā)射振幅除以20來代替地震震級M，得到

ln[N(A/20)]=a+b(A/20)

(6)

式中，A為聲發(fā)射事件幅值，dB;N(A/20)為幅值大于等于A/20的聲發(fā)射事件次數(shù)。

聲發(fā)射b值能夠反映巖石裂隙發(fā)育程度:b值增大，巖樣以小尺度裂隙發(fā)育為主;b值減小，巖樣以大尺度裂隙擴展為主;b值變化幅度小的巖樣內部裂隙以漸進式擴展;b值變化幅度大意味著巖樣的突發(fā)式失穩(wěn)[32]。

為便于b值研究，本文按照應力水平(剪應力除以抗剪強度)將巖樣由初始加載至峰值的剪應力-時間曲線段劃分成7部分，選取的應力水平分別為:0.143，0.286，0.429，0.572，0.715，0.858和1.000(由于加載方式為位移控制，且各巖樣尺寸相同，因此加載時間、剪切位移和剪應變是對應的)。令聲發(fā)射振幅間隔Δ(A/20)為0.5 dB，通過文獻[33]介紹的最小二乘法計算b值。

以3 MPa法向應力為例，不同含水率砂質泥巖剪應力、b值和時間關系如圖14所示。

圖14 不同含水率砂質泥巖剪應力-b值-時間曲線Fig.14 Shear stress-b value-time curves of sandy mudstones with different moisture content

由圖14可知，聲發(fā)射b值較好地反映了不同含水率巖樣在直剪試驗各階段裂隙擴展發(fā)育規(guī)律:彈性階段聲發(fā)射b值均呈增長趨勢，且增長幅度較小，表明該階段巖樣內部微小裂隙萌生，緩慢穩(wěn)定發(fā)育;屈服階段b值驟降，這是因為該階段巖樣內部裂隙在主裂隙附近不穩(wěn)定擴展、匯聚，形成大尺度裂隙;峰值剪應力前，干燥巖樣和含水率2%巖樣b值持續(xù)降低，而4%含水率巖樣和飽和巖樣b值升高，說明破壞時低含水率巖樣內部呈大尺度裂隙擴展，而高含水率巖樣內部裂隙尺度較小。這是因為含水率較高時，水的作用使得巖石內部應力重新分布，應力集中程度降低，小尺度微裂隙發(fā)育較為分散;而含水率較低時，巖石內部應力集中程度高，小尺度微裂隙集中擴展、匯聚和貫通，最終形成大尺度宏觀裂隙。

5 討 論

本文建立的考慮含水率影響的巖石Mohr-Coulomb準則，能夠為水-巖作用相關理論和數(shù)值計算研究提供一定的參考。例如，在富水巷道/工作面圍巖控制，承壓水上或下采煤防突，以及地下水庫煤柱壩體穩(wěn)定性分析等研究中，均應充分考慮巖石內部含水率的動態(tài)變化，以及因含水率變化導致的巖石強度的改變。

由巖石直剪破壞特征(圖11)發(fā)現(xiàn)，隨著含水率增加，巖石主裂隙附近的衍生裂隙增多，而通過巖石聲發(fā)射累計計數(shù)-時間曲線(圖12)得到，含水率越高，巖樣聲發(fā)射累計計數(shù)越少，微裂隙數(shù)量越少。2者并不矛盾。這是因為圖11反映的是肉眼可見的宏觀裂隙，而圖12中的聲發(fā)射事件反映的是巖石微裂隙的發(fā)育和擴展。隨著含水率的增加，巖石內部應力集中程度減小，應力狀態(tài)減弱，產生的微裂隙數(shù)量減少，微裂隙擴展方向較為分散。而干燥巖石產生的微裂隙數(shù)量多，且微裂隙擴展方向較為集中，與剪應力方向大致相同，因此在宏觀表現(xiàn)為一條主剪切裂隙。

6 結 論

(1)砂質泥巖具有水平層理結構，主要礦物為石英、黏土、白云母和炭屑;粉砂質碎屑質量分數(shù)為40%，泥質質量分數(shù)約為60%;黏土礦物占整體礦物成分的75%，主要成分為高嶺石和伊蒙混層;砂質泥巖自然吸水過程中，含水率隨時間變化分3個階段:快速增長階段(0～18 h)，平均增長速率0.264%/h；緩慢增長階段(18～42 h)，平均增長速率0.003 7%/h；穩(wěn)定階段(42 h～)。

(2)隨著含水率增加，砂質泥巖抗剪強度、黏聚力和內摩擦角分別呈指數(shù)、負指數(shù)和線性降低，宏觀主裂隙的平整度逐漸下降;由干燥到飽和，砂質泥巖黏聚力由2.66 MPa下降到0.58 MPa，降低了78.3%，內摩擦角由42.54°下降到35.05°，降低了17.6%;根據(jù)直剪試驗結果，建立考慮含水率影響的砂質泥巖Mohr-Coulomb準則。

(3)隨著含水率的升高，砂質泥巖聲發(fā)射累計計數(shù)逐漸減小:由干燥到飽和，聲發(fā)射累計計數(shù)減小了93.2%(3 MPa法向應力條件下);隨著含水率的增加，砂質泥巖破壞時的裂隙尺度減小:低含水率(干燥和含水率2%)巖樣呈大尺度張拉裂隙破壞，高含水率(含水率4%和飽和)巖樣呈小尺度張拉裂隙破壞。