Acoustic response characteristics and engineering significance of loaded rock during failure process
我国煤系地层地质条件复杂，由于受多期构造运动叠加影响，地层中形成断层、陷落柱、断裂破碎带等地质构造，通常这些地质构造不但会破坏地层的完整性，弱化岩体的强度，还会产生较大的构造应力［1-2］。 同时，煤层采掘引起围岩应力的重新分布，使围岩产生变形、移动和破坏，不同开采程度、不同位置的围岩，所受应力大小不一，矿井采掘过程中遇到这些构造极易造成煤与瓦斯突出、顶板冒落、突水等灾害事故。
矿井灾害的孕育和发展过程，伴随着岩体应力的变化，将导致岩体内部会产生新的裂隙，而构造应力和采动应力的产生及变化是引起岩体发生破坏的直接原因，从而改变围岩的声学特征［3-5］。 赵明阶等［6］建立了单轴加载下岩石等效裂纹模型，推导出岩石超声波波速与衰减系数随应力变化的关系；文献［7-9］研究了岩石波速与损伤演化规律及岩石破坏波速变化的类型；文献［10-12］采用声波、声发射一体化监测装置研究了花岗岩、碳酸盐岩破裂过程中声波与声发射的变化特征；宋丽莉等［13］通过在室内建立一套试验测量系统，检测了小应力扰动下岩石的弹性波速；梁天成等［14］对岩石损伤过程中的声发射和超声波波速进行了测量，用于判断岩石的损伤状态；刘向君等［15］在三轴和单轴加载过程中对低孔低渗砂岩的波速、幅度、频谱特征进行了研究；文献［16-17］研究得出波速主要取决于岩石内部裂隙孔隙的发育程度及加载条件下低孔低渗砂岩的声波传播特性。
岩体波速差异是矿井地震法勘探的物理前提，通过对岩石加载过程中波速变化规律进行研究，有助于认识采动或地质构造引起的矿井灾害演变过程，对地震法勘探在矿井地质构造、应力集中区探测中的应用及矿井灾害的预测预报具有指导意义。 而以上研究仅对波速变化过程进行描述，并未对其进行详细的阶段划分及指明具体的工程意义。 通过对晋城矿区不同区域、不同岩性的岩石进行单轴加载，采集岩石应力-应变全过程中声波脉冲信号，并开发脉冲信号初至时间智能处理Pickup 程序模块，对声波数据进行处理，获得岩石受载破坏全过程的声波响应特征和波速变化规律，提出不同响应阶段的工程意义。
岩石受载破坏全过程波速变化测试系统主要包括加载系统和声波测试系统2 部分（图1）。 加载系统采用RMT-301 岩石与混凝土力学试验系统，由多功能电液伺服试验机、数字控制数据采集处理系统、轴向和径向引伸计及配套的载荷和位移传感器等组成。 声波测试系统采用HS-YS4A 型岩石声波参数测试仪，由微控制主机、高压激励、信号采集及多分量压电换能器等模块组成，具有多通道、宽频带、高灵敏度等优点，且可测试纵波（P 波）、横波（S波）波速及岩样加载下的波速。
图1 受载岩体波速测试系统
Fig.1 Diagram of loaded rock wave velocity testing system
试验岩样取自晋城矿区西区永安煤矿和北区赵庄二号井3 号煤层顶底板，室内加工制作成ø50 mm×100 mm 的标准单轴压缩岩石试件。 为满足试验要求，选取表面无明显裂纹、破损且尺寸和平整度误差较小的试件。 岩石应力-应变全过程曲线测试加载速率选取0.000 5 mm／s。 岩石声波测试分为加载前和加载条件下2 部分纵波波速测试，采样数量为4 000 个，采样间隔为0.1 μs，加载时轴向位移每变化0.01 mm采集1 次数据。
根据声波测试原理，在岩石试件上下端面涂抹黄油，将发射和接收换能器分别紧贴两端面，形成对穿状。 岩石试件高度与纵波初至时间的比值即波速，则有
式中：vp为纵波波速，m／s；l0为岩石试件长度，m；Δl为岩石受载作用下径向位移，m；Δt 为脉冲信号穿过岩石试件的时间，s；tp 为岩石试件测试时的声波脉冲信号初至时间，s；tp0为换能器原始（无岩石试件）声波脉冲信号初至时间，s。
测试系统换能器间的原位波形特征和B41 岩石试件测试波形特征如图2 所示。 根据测试结果可以看出，岩石试件测试时，声波脉冲信号初至时间明显增大。 由于岩石单轴压缩过程中记录的波列数据量大，为便于数据处理，基于Matlab 平台开发了脉冲信号初至时间智能拾取的Pickup 程序模块，简化了数据处理流程，减小了人为误差，提高了求解速率和准确性。
图2 岩样测试波形特征
Fig.2 Waveform character of rock sample test
施加载荷前分别对西区28 个试件和北区41 个试件进行波速测试，不同岩性波速测试统计结果见表1，不同岩性的波速对比如图3 所示。 由此可以看出，西区与北区的奥灰岩的波速差异较大，其他岩样的波速相接近，分析主要是由于不同岩石的波速受岩石矿物质组成成分、结构、天然孔隙度及裂隙率的影响较大［18］。
图3 西区和北区岩石波速对比
Fig.3 Comparition of rock wave velocity indifferent districts
表1 西区和北区的岩石波速统计
Table 1 Statistical of rock wave velocity
注：数据形式为
。
岩石波速／（m·s-1）岩性西区北区粗砂岩3 562.64～4 269.13 3 897.08 3 400.68～4 157.12 3 728.97中砂岩3 771.20～4 194.94 4 053.25 3 538.44～4 166.67 4 098.53泥岩3 908.56～4 670.28 4 155.52 4 054.20～4 687.89 4 331.31奥灰岩3 577.73～5 201.57 4 771.74 3 234.58～4 000.40 3 834.30
选取西区具有代表性的4 个不同岩样（粗砂岩、中砂岩、泥岩及奥灰岩）进行加载过程波速变化规律分析，岩石应力-应变全过程曲线、波速-应变曲线如图4 所示。
图4 西区岩样全应力-应变过程波速变化
Fig.4 Variation curves of western rock wave velocity during complete stress-strain process
由此看出，岩石单轴压缩应力-应变全过程经历压密、弹性、塑性、破坏及残余变形5 个阶段，各阶段均呈现岩石孔隙裂隙的演化特征［19］。 西区粗砂岩的单轴抗压强度σmax为77.3 MPa，中砂岩为74.5 MPa，泥岩38.2 MPa，奥灰岩为58.1 MPa。 岩石单轴加载全过程波速规律：波速变化特征与应力-应变全过程曲线的变化趋势基本相同，波速变化经历“上凹→线性增大→突降上升→台阶波动→台阶突降”5 个阶段，与岩石加载破坏过程中的阶段划分一致，各阶段均有明显的拐点。 粗砂岩、中砂岩、泥岩及奥灰岩承载应力分别为86.75%σmax、73.91%σmax、73.14%σmax和65.67%σmax时，波速发生突降，之后逐渐上升。 岩石破裂后，波速发生台阶式变化，残余变形大幅度突变前，砂类岩波速仍呈增大的趋势，且大于初始波速。 单轴加载全过程4 中岩石的波速变化范围分别为3.91～7.62、3.46 ～7.06、4.67 ～10.04 和3.44～4.26 km／s，波速较初始值分别增大94.88%、104.05%、114.99%和23.84%。 岩石完全失去承载能力后，波速大幅度降低。
选取北区具有代表性的4 个不同岩样进行波速分析，绘制应力-应变全过程曲线、波速-应变曲线如图5 所示。 由此看出，北区岩石物理力学参数较大，其中粗砂岩的单轴抗压强度σmax为161.6 MPa，中砂岩为124.4 MPa，泥岩为96.0 MPa，奥灰岩为52.5 MPa。 单轴加载全过程的波速变化规律为：北区砂岩强度较高，呈脆性，不存在岩石破坏后变形和残余变形阶段，波速变化呈现“上凹→线性增大→突降上升→台阶突降”4 个阶段；而强度较低的泥岩和奥灰岩应力-应变全过程，波速变化与西区5 个阶段相同；岩石破裂前波速不断增大，脆性岩石破裂后波速急剧下降，而具有残余强度的岩石波速随着应变变化；脆性岩石破裂后波速大幅度减小，残余变形阶段波速均小于初始波速。 4 种岩样对应承载应力分别为84.99%σmax、74.30%σmax、74.32%σmax 和77.86%σmax 时，波速发生突降，之后逐渐上升。 岩石破裂前，粗砂岩的波速由3.72 km／s 增大至4.40 km／s，增大约18.28%；中砂岩的波速由3.54 km／s 增大至4.03 km／s，增大约13.84%；泥岩波速由4.19 km／s 增大至4.57 km／s，增大约9.07%；奥灰岩波速由3.17 km／s 增大至4.09 km／s，增大约29.02%；泥质砂岩波速由3.29 km／s 增大至3.89 km／s，增大约18.24%。 岩石破裂至完全失去承载能力后，波速大幅度降低。
图5 北区岩样全应力-应变过程波速变化
Fig.5 Variation curves of northern rock wave velocity during complete stress-strain process
根据西区和北区不同岩样的测试结果，岩石波速变化规律整体趋势为先增大后减小，西区岩石破裂和残余变形阶段持续时间较长，而北区岩石呈脆性，该阶段维持时间较短，甚至缺失。 通过试验发现，岩样进入塑性变形阶段波速均出现震荡式降低，该震荡点应力为65.67%σmax ～86.75%σmax，为岩体变形破坏过程中的扩容点。 残余变形过程中最后一个台阶式变形阶段波速降幅最大。 北区不同岩性波速的增大比例在9.07%～29.02%，相对西区岩样波速增大幅度较小。
根据以上波速测试结果及波速变化规律，将受载岩体全应力-应变过程波速响应划分为5 个阶段：
1）压密阶段。 载荷作用下岩样内部原有的孔隙和微观裂隙逐渐弥合，增大了矿物质颗粒的接触程度和密实度，提高了声波在岩石中传播时质点的速率，表明波速与孔隙度成反比。 该阶段波速变化呈下凹型，波速和变化速率均增大，波速与应变呈非线性关系。
2）弹性变形阶段。 随着应力的增大，试件呈线弹性变形，岩体矿物质颗粒变得更加致密，该阶段孔隙裂隙已完全闭合。 波速持续增大，与应变呈线性正相关，与压密阶段存在明显的分界点。
3）塑性变形阶段。 曲线偏离线性，出现塑性变形。 从波速拐点开始，曲线呈上凸状，应变增大速率减小，试件内部开始出现平行于最大主应力方向的微裂隙。 波速拐点至最高点段试件中不断产生微破裂，并且粒间出现滑移，试件破坏前发生明显的非弹性变形，出现扩容现象。 岩石试件进入塑性阶段后波速有明显的突变降低效应，岩样周边存在的裂纹或节理发生破裂，应力出现震荡时，波速降幅更明显，但在塑性阶段随着应变的增大，波速总体呈非线性增大，比弹性阶段波速增大速率减小，主要由于该阶段岩石内部原生裂隙逐步发生微扩展。
4）破裂阶段。 随着应力的增大，裂隙数量增多，表征着岩石的破坏已经开始，卸载后变形不能完全恢复。 随着应变继续增大，岩石承载力降低，表现出应变软化特征，此阶段岩石的微裂隙逐渐贯通，直到波速最高点形成宏观破裂面，试件破坏，应力达到峰值σmax，为岩石单轴抗压强度。 岩石试件破裂的瞬间，应力-应变曲线发生突变下降，应力减小，波速也出现台阶降低效应，降低幅度相对较大，之后随着应力-应变曲线的波动而波动。
5）残余变形阶段。 岩石残余强度不再降低，变形却不断增大，应力-应变曲线震荡过程中，波速随应变发生类似的变化特征，甚至该阶段出现波速大于试件破裂前的峰值的现象。 分析是由于部分新裂隙被重新压实弥合，但在残余变形的最后阶段，试件裂隙增大，岩样失去强度，应力-应变发生突变时，波速瞬间降低。
根据上述试验分析结果，岩石受载作用下进入塑性阶段前，即扩容发生前，岩体波速不断增大，而发生扩容时波速出现震荡降低点，进入塑性阶段甚至破坏阶段波速仍呈增大趋势。 根据上述试验得出不同岩性扩容点的应力基本为65.67%σmax ～86.75% σmax，处于岩体破裂前。 可通过对岩体进行波速监测，将扩容现象引起的波速异常变化作为岩石破坏前兆信息，从而对煤岩体的破坏进行预警［20］。 当工作面受顶板或底板强含水层的影响，可采用微震监测或其他手段对顶底板岩体的波速进行实时监测，获取不同位置岩体波速变化异常跳跃点，并对顶底板破坏裂隙带进行预计，在裂隙导通含水层前将起到水害预警预报的作用，可避免水害事故的发生。
根据岩石受载全应力-应变过程的波速变化规律，岩石破裂前波速整体趋势逐渐增大，波速与应力呈正相关，若采煤工作面围岩存在高应力集中区，则表现为高速异常区。 岩石破裂后波速大于原岩波速，残余变形阶段岩体基本失去抗压强度，波速呈现台阶式下降。 若采煤工作面围岩存在构造发育区，且相应波速为高速异常，表明破碎带岩体仍具有一定的承载能力，若波速已大幅度降低，则表明岩体基本丧失承载能力。 波速的测定及波速全应力-应变过程的异常变化规律可为工作面地质构造槽波地震探测中P 波、S 波及槽波的综合分析提供理论依据，同时对其他地震法的探测应用具有指导作用。
1）通过岩石力学加载系统和声波测试系统对晋城矿区不同区域的岩石单轴加载全过程声波信息进行实时采集，利用自开发的脉冲信号初至时间智能拾取Pickup 程序模块对声波数据进行处理。 不同区域岩石力学特征和波速变化特征差异较大，北区岩石加载破坏全过程中波速的增大比例在9.07%～29.02%，西区波速的增大比例在23.84%～114.99%，脆性岩石受载破坏过程中波速增大幅度较小。
2）岩石加载过程中，波速变化规律整体趋势为先增大后减小，岩石完全失去承载能力后，波速大幅度降低。 将具有完整应力-应变曲线的岩石波速变化规律划分为“上凹→线性增大→突降上升→台阶波动→台阶突降”5 个不同的阶段。 北区的岩石抗压强度大，岩性整体呈脆性，尤其砂岩破裂后波速变化缺失台阶波动阶段。 试验发现，岩样承受应力为65.67%σmax ～86.75%σmax时，波速出现震荡降低点，为岩体变形破坏过程中的扩容点。
3）岩石受载全应力-应变过程波速响应机制各阶段的波速变化特征明显，具有不同的工程意义。通过对岩体的波速变化进行实时监测，掌握波速变化规律，获取岩石破坏前兆信息，可为地质灾害进行预测预报，防止灾害事故的发生。
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