论文分享 | 循环加卸载条件下饱水砂岩的力学特性与声发射特征研究

深部矿产资源规模化开采已成为煤炭工业发展的核心趋势，而深部开采环境中，围岩长期承受地下水侵蚀与循环应力扰动的双重耦合作用，成为诱发工程灾害的关键诱因。一方面，地下含水层广泛分布，水岩相互作用会持续改变岩石内部矿物组成、孔隙结构与颗粒联结状态，造成岩体力学性能不可逆劣化；另一方面，巷道掘进、工作面回采、地质应力波动等工程扰动，会使围岩承受反复的循环加卸载作用，加速内部裂纹萌生、扩展与贯通，大幅降低围岩承载能力，最终引发巷道坍塌、顶板垮落、突水溃砂等重大地质灾害，严重威胁深部矿井的安全高效生产。

河南永城城郊煤矿830~890m埋深的煤层顶板含水砂岩层，是矿井开采中典型的突水风险层与围岩失稳控制层。该砂岩层作为顶板直接含水层，在实际回采过程中频繁出现渗流现象，同时持续承受采矿扰动与地应力循环作用，巷道围岩变形破坏问题极为突出，已成为制约该矿井安全生产的核心技术难题。

从现有研究体系来看，学界已围绕水岩作用、岩石循环加卸载力学特性、声发射监测等方向开展了大量研究，证实了含水率会降低岩石峰值强度、弹性模量等力学参数，也初步探索了干燥岩石在循环荷载下的声发射响应规律。但当前研究仍存在显著短板：其一，采用核磁共振（NMR）、扫描电镜（SEM）多技术联合手段，系统表征砂岩吸水全过程孔隙结构动态演化与微观结构变迁的研究较为匮乏，难以从微观层面揭示水岩作用的本质机制；其二，针对水-循环加卸载耦合作用这一深部工程真实工况，基于声发射频幅特征、b值、分形理论等多维度解析砂岩裂纹扩展尺度、破坏模式与损伤程度的系统性研究尚不充分，无法为工程灾变预警提供全面的理论支撑。基于上述工程痛点与研究空白，本研究以城郊煤矿顶板含水砂岩为研究对象，开展针对性实验研究。

（1）理论意义

①系统揭示饱水砂岩在循环加卸载作用下吸水特性-孔隙结构演化-力学性能劣化-声发射响应-断裂破坏特征的多尺度关联机制，填补水-循环荷载耦合下砂岩微观-宏观损伤演化研究的空白。

②建立浸水时间与砂岩强度、含水率与峰值强度、含水率与低频高幅声发射信号占比、含水率与断裂分形维数的定量数学模型，构建砂岩吸水全过程微观结构演化模型，完善水岩耦合与循环扰动共同作用下的岩石损伤破坏理论体系。

③明确声发射特征参数（频幅、b值）与砂岩裂纹扩展尺度、破坏模式的对应关系，丰富岩石声发射监测的理论依据与分析方法。

（2）工程意义

①为深部煤矿含水砂岩层顶板围岩稳定性控制、巷道支护参数优化、突水灾害早期预警提供直接实验依据与量化指标，明确饱水砂岩失稳破坏的声发射前兆特征。

②揭示含水砂岩在循环扰动下的损伤劣化规律，为矿井开采过程中围岩变形监测、灾害防控提供技术参考，降低深部煤炭开采地质灾害发生风险，保障矿井安全生产。

③为同类深部含水岩层地下工程（隧道、巷道、采场）的围岩稳定性评价与灾害治理提供可借鉴的研究思路与技术方法。

1、实验样品与分组

（1）选取河南城郊煤矿煤层顶板含水砂岩层岩样，按照国际岩石力学学会标准，加工为Φ50mm×100mm标准圆柱形试样，共计15个。

（2）为探究不同含水率的影响，设置干燥态（0%饱水）、25%饱水、50%饱水、75%饱水、100%饱水5组含水率梯度，每组3个平行试样，所有试样均取自同一岩块，最大限度降低岩样差异性带来的实验误差。

（3）试样主要矿物成分为石英（37.6%）、菱铁矿（20.4%）、斜长石（11.2%），黏土矿物占比 19.3%，包含伊蒙混层、高岭石、伊利石、绿泥石等。

图1 采样地层与试验岩样

2、实验设备

（1）采用隧道工程国家重点实验室单轴/三轴力学试验系统（最大轴向力 2000kN）完成循环加卸载试验；

（2）选用16通道PCI-II型声发射系统全程监测裂纹扩展信号；

（3）借助核磁共振仪（NMR）测试砂岩内部孔隙分布；通过扫描电镜（SEM）观测微观形貌变化；配套设备包括110℃恒温干燥箱、电子天平、蒸馏水浸泡装置等。

图2 试验设备及试验流程

3、实验流程与测试技术

（1）试样预处理：将所有试样置于110℃恒温干燥箱中干燥24h，冷却至室温后称重，记录干重与基础物理参数。

（2）含水率调控：通过控制浸水时间，制备25%、50%、75%、100%饱水试样，定时称重计算实时含水率，确保梯度精准。

（3）微观孔隙测试：采用NMR测试不同浸水时间下砂岩的T₂谱，基于横向弛豫时间与孔隙半径的正相关关系，分析微孔、介孔、大孔的占比演化。

（4）力学与声发射试验：以10MPa为应力梯度开展单轴循环加卸载试验，模拟工程扰动荷载，同步通过4个声发射探头全程采集信号，监测加载全过程声发射特征。

（5）微观形貌观测：通过SEM在1200X、2000X、2800X放大倍数下，观测不同含水率砂岩的微观结构变化。

（6）数据分析方法：采用盒计数法计算砂岩断裂面分形维数，量化破坏复杂度；通过RA-AF声发射参数法区分拉伸裂纹与剪切裂纹；拟合力学、声发射参数与含水率、浸水时间的定量关系。

1、砂岩吸水特性与孔隙结构动态演化

（1）砂岩吸水全过程可划分为快速吸水阶段（持续3h，含水率提升0.53%）、减速吸水阶段（持续181h，含水率提升1.34%）、稳定吸水阶段（持续136h，含水率提升0.48%），浸水19200min后达到完全饱和，饱和含水率为1.92%，建立含水率与浸水时间的指数拟合公式：wt=1.88−1.68e^{−t/2525.767}。

（2）孔隙结构随浸水时间呈现协同演化规律：微孔占比先升高后降低，峰值达79.91%；介孔占比先降低后升高，谷值为16.73%；大孔占比持续递减，从初始15.59%降至饱和态1.42%。

（3）微观机制：黏土矿物吸水膨胀、部分矿物溶解，诱发原有孔隙扩张、新孔隙生成与孔隙间连通，最终导致砂岩内部颗粒联结弱化、内聚力降低。

图3 核磁共振曲线：a T2谱，b 谱面积曲线与吸水曲线

2、循环加卸载下砂岩力学劣化规律

（1）砂岩强度随浸水时间演化分为稳定软化、快速软化、缓慢软化三阶段，建立浸水时间与强度的定量关系：σ=58.96+65.02e^{t/(−2525.77)}，拟合度R²=0.983。

（2）峰值强度与含水率呈线性负相关，拟合公式为σ=131.72−38.70w；干燥态峰值强度为130.86MPa，饱水态降至53.96MPa，强度降幅高达58.7%。

（3）循环加卸载过程中，应力-应变曲线出现明显滞回环，损伤随循环次数不可逆累积；含水率越高，砂岩塑性变形特征越显著，脆性破坏特征持续弱化。

图4 不同含水率砂岩循环加卸载下力学特征：a 砂岩应力–应变曲线，b 砂岩峰值强度弱化曲线

图5 砂岩孔隙结构与强度变化特征：a 归一化累计T2谱，b 孔隙结构与强度变化关系曲线

3、砂岩微观结构演化特征

（1）干燥状态下，砂岩矿物颗粒紧密排列，黏土矿物充填孔隙，结构致密完整；

（2）吸水过程中，黏土矿物膨胀诱发晶间孔隙发育，碎屑颗粒填充孔隙，结构逐渐疏松；

（3）饱水状态下，黏土矿物充分膨胀、部分矿物溶解，颗粒联结大幅弱化，整体呈现疏松多孔、联结松散的微观形貌。

（4）基于此构建干燥-吸水-饱水三阶段砂岩微观结构演化模型，直观揭示水岩作用的微观本质。

图6 不同含水状态砂岩扫描电镜（SEM）图像

图7 砂岩吸水过程微观结构演化模型

4、不同含水率砂岩声发射响应特征

（1）声发射计数与能量：加载初期，砂岩内部微孔压密产生少量弱信号；弹性阶段信号平稳；临近破坏时信号骤增。含水率升高，砂岩储能能力与声发射信号生成能力同步下降，声发射计数、累积能量显著降低，饱水砂岩信号活性远低于干燥砂岩。

（2）声发射频幅特征：低频高幅信号占比可精准反映大尺度裂纹扩展，该占比随含水率升高呈指数下降，拟合公式为P=4.19+4.98e^−w/0.62，表明含水率越高，砂岩大尺度破裂能力越弱。

（3）声发射b值特征：b值随含水率升高而增大，大尺度破裂占比降低，试样延性显著提升；循环加载后期b值大幅下降，可作为砂岩失稳破坏的核心前兆指标。

图8 不同含水率砂岩循环加卸载下应力与声发射特征演化曲线

图9 循环加卸载下砂岩声发射幅值与峰值频率特征：a 基于频率 - 幅值的声发射信号分类，b 干燥砂岩频率与幅值分布特征

图10 循环加卸载下砂岩声发射幅值与峰值频率演化特征：a 含水率0%，b 0.47%，c 0.97%，d 1.43%，e 1.92%，f 低频高幅值信号占比与含水率关系曲线

图11 不同含水率砂岩循环加卸载下声发射b值演化特征：a 声发射b值拟合曲线，b b值随循环加载的演化曲线

5、砂岩断裂分形与破坏模式特征

（1）断裂分形维数与含水率呈负指数关系，拟合公式为D=1.21+0.34×e^−w/0.69；含水率越高，分形维数越小，断裂面复杂度越低，整体损伤程度越轻。

（2）破坏模式以剪切-拉伸复合破坏为主，剪切裂纹占比超70%，为核心破坏形式；含水率升高，孔隙水压力的“楔入效应”诱发大量拉伸微裂纹，剪切裂纹占比小幅下降。

图12 盒维数计算原理示意图

图13 不同含水率砂岩循环加卸载下宏观破坏及分形特征：a 含水率0%，b 0.47%，c 0.97%，d 1.43%，e 1.92%，f 砂岩裂隙分形维数与含水率关系曲线

图14 声发射特征示意图：a 声发射参数示意图，b 基于RA、AF的裂纹分类示意图

图15 不同含水率砂岩循环加卸载下破坏特征：a 含水率0%，b 0.47%，c 0.97%，d 1.43%，e 1.92%，f 剪切裂纹占比与含水率关系曲线

（1）明确了砂岩吸水三阶段演化规律，揭示了微孔、介孔、大孔随浸水时间的协同变化特征，建立了浸水时间-强度、含水率-峰值强度的定量数学模型，实现了饱水砂岩强度的量化预测。

（2）阐明了砂岩力学劣化的微观机制：黏土矿物吸水膨胀、部分矿物溶解导致砂岩内部孔隙发育、颗粒间内聚力衰减，是循环加卸载作用下砂岩力学强度持续降低的根本原因。

（3）揭示了含水率对砂岩声发射响应的调控机制：含水率升高会削弱砂岩的储能能力与声发射生成能力，降低大尺度破裂发生概率；低频高幅信号占比骤降、b值大幅降低可作为饱水砂岩在循环加卸载下失稳破坏的关键预警指标。

（4）确定了饱水砂岩的断裂破坏特征：砂岩破坏以剪切为主的剪切-拉伸复合模式，含水率升高会降低断裂分形维数、弱化破坏复杂度、提升试样塑性，同时小幅降低剪切裂纹占比，改变裂纹发育形态。

（1）拓展水-力-热-化学多场耦合作用下的砂岩损伤演化研究，还原深部开采高温、高渗、化学腐蚀的真实复杂工况，进一步完善多场耦合下岩石损伤破坏理论体系。

（2）结合机器学习、深度学习等人工智能算法，深化声发射信号的降噪处理、特征提取与模式识别，提升含水砂岩灾变早期预警的精准度、时效性与自动化水平。

（3）开展现场原位监测试验，将实验室实验结论与工程现场监测数据耦合验证，优化预警指标，形成可落地、可推广的含水砂岩围岩防控、突水治理与巷道支护优化技术体系。

（4）延伸研究不同加载频率、加载幅值、加载路径下饱水砂岩的疲劳损伤特性，适配更多深部采矿、地下隧道等工程的复杂扰动工况，提升研究成果的工程适配性。

（5）深化不同矿物组成、孔隙结构砂岩的水岩作用差异研究，建立更具普适性的含水岩石力学劣化与声发射响应模型。

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