吳賢振教授：凍融作用下類(lèi)砂巖材料聲發(fā)射特性研究取得新進(jìn)展

日前，江西理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院、稀有金屬資源安全高效開(kāi)采江西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室吳賢振教授團(tuán)隊(duì)在《金屬礦山》雜志在線首發(fā)了《凍融作用下不同粒徑類(lèi)砂巖材料聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究》一文。該成果受到國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：52464007，51664018，52164004）資助，團(tuán)隊(duì)曾鵬副教授為本文通信作者。

巖石是由不同種類(lèi)礦物按照一定方式組成的集合體，礦物顆粒作為關(guān)鍵組成部分，其尺寸大小對(duì)巖石力學(xué)特性具有重要影響。由于不同粒徑巖石的凍融損傷機(jī)制各異，導(dǎo)致其物理力學(xué)特性也表現(xiàn)出明顯不同。因此，開(kāi)展凍融作用下不同粒徑巖石的力學(xué)及聲發(fā)射特性相關(guān)試驗(yàn)研究，對(duì)邊坡、隧道圍巖等巖石工程的穩(wěn)定性分析與控制具有現(xiàn)實(shí)意義。

為研究?jī)鋈谧饔脤?duì)不同粒徑巖石力學(xué)特性的影響，吳賢振教授團(tuán)隊(duì)選用0.125~0.25 mm、0.3~0.5 mm、0.6~1 mm 3種粒徑的石英砂、水泥及硅粉為主要原材料，在保證水化反應(yīng)充分的前提下，制備孔隙率相近的3種粒徑類(lèi)砂巖試樣。然后對(duì)3種粒徑的類(lèi)砂巖試樣進(jìn)行不同循環(huán)次數(shù)的凍融試驗(yàn)，再對(duì)凍融后試樣進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射（AE）試驗(yàn)，重點(diǎn)研究?jī)鋈谧饔孟虏煌筋?lèi)砂巖的物理力學(xué)特性及其試樣破壞過(guò)程的聲發(fā)射特征，探索凍融作用下粒徑尺寸對(duì)巖石力學(xué)及聲發(fā)射特性的影響。

本項(xiàng)研究主要結(jié)論：

（1）隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，不同粒徑試樣譜面積逐漸增大，小孔隙占比逐漸減小，大、中孔隙占比逐漸增加，單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量逐漸降低，變化幅度隨著粒徑的增加逐漸增大。

（2）聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)的演化過(guò)程呈現(xiàn)出明顯的階段性特征，可分為平靜、緩增、驟增3個(gè)階段。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)呈先增后減的變化趨勢(shì)，粗粒試樣在凍融20次后達(dá)到極大值，中、細(xì)粒試樣在凍融40次后達(dá)到極大值。

（3）聲發(fā)射值根據(jù)其變化規(guī)律可分為3個(gè)階段：波動(dòng)上升階段、劇烈下降階段、平穩(wěn)階段。聲發(fā)射值在平穩(wěn)階段波動(dòng)幅度顯著減小，且隨著粒徑的增大，其整體大小呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。粗、中、細(xì)粒凍融類(lèi)砂巖聲發(fā)射值波動(dòng)幅度顯著減小，且分別降至0.8、1.25和1.65，這一現(xiàn)象可作為相應(yīng)粒徑凍融類(lèi)砂巖材料失穩(wěn)破壞的前兆信息。

1 試樣制備及相關(guān)試驗(yàn)

1.1 試樣制備

結(jié)合相關(guān)研究成果，并綜合考慮各種原材料特點(diǎn)，制作不同粒徑類(lèi)砂巖試樣，具體配比為：32.5R普通硅酸鹽水泥:石英砂:硅粉:水:減水劑:懸浮穩(wěn)定劑=10:10:1.2::0.1:0.006（為水的含量比值，由初步制樣試驗(yàn)結(jié)果確定）。細(xì)、中、粗粒試樣使用的石英砂粒徑分別為0.125~0.25 mm、0.3~0.5 mm、0.6~1 mm。

為探究水用量對(duì)不同粒徑類(lèi)砂巖孔隙率的影響規(guī)律，按照上述配比，在其余成分配比不變的前提下，每種粒徑試樣設(shè)置5種不同的水灰比：0.3、0.325、0.35、0.375、0.4（僅通過(guò)增加水的用量調(diào)控水灰比），對(duì)應(yīng)的值為：3、3.25、3.5、3.75、4。3種粒徑試樣分別對(duì)應(yīng)5種水灰比，共計(jì)15組，每組3個(gè)試樣，制樣48 h后脫模，放入恒溫恒濕標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)28 d。養(yǎng)護(hù)完成后進(jìn)行超聲波測(cè)試，剔除縱波波速差異較大試樣。

初步制得試樣平均孔隙率，如圖1所示，當(dāng)孔隙率為13%時(shí)，粗、中、細(xì)粒試樣所對(duì)應(yīng)水灰比分別為0.322、0.336、0.357，對(duì)應(yīng)的值分別為3.22、3.36、3.57。以此水灰比批量制取不同粒徑試樣，剔除部分不符合試驗(yàn)要求試樣，測(cè)得到粗、中、細(xì)粒試樣實(shí)際平均孔隙率分別為12.88%、13.3%、13.12%。測(cè)試試樣密度、彈性模量、泊松比、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度，并與砂巖相關(guān)參數(shù)對(duì)比分析，兩者物理力學(xué)參數(shù)相近，由此說(shuō)明所制備試樣可歸為類(lèi)砂巖材料。

圖1 不同水灰比下試樣孔隙率

1.2 試驗(yàn)方案

對(duì)3組粒徑試樣分別進(jìn)行循環(huán)次數(shù)為0、20、40、60、80次的凍融試驗(yàn)。其中，凍結(jié)溫度為-10 ℃、融化溫度為20 ℃、凍結(jié)時(shí)間為2 h、融化時(shí)間為2 h。凍融試驗(yàn)前，試樣先放入真空飽和儀進(jìn)行飽水處理，壓強(qiáng)設(shè)置為-0.1 MPa，飽水時(shí)間為48 h，飽水后用保鮮膜完全包裹，防止水分流失。試樣完成相應(yīng)次數(shù)的凍融循環(huán)后，放入核磁共振儀檢測(cè)，再進(jìn)行單軸壓縮聲發(fā)射試驗(yàn)。試驗(yàn)采用RMT-150C巖石力學(xué)加載系統(tǒng)，以0.002 mm/s的加載速率進(jìn)行位移控制。通過(guò)PCI-Ⅱ型聲發(fā)射儀采集試樣破壞過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)，聲發(fā)射傳感器類(lèi)型為nano30，前置放大增益設(shè)為40 dB，采樣率為1 MSPS，門(mén)檻值為45 dB。

2 物理力學(xué)特征

2.1 孔隙率與孔徑分布

對(duì)不同粒徑試樣進(jìn)行核磁共振檢測(cè)，分別得到凍融0、20、40、60、80次后試樣的分布曲線如圖2所示。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，3種粒徑試樣的譜峰面積均有不同程度的增加。凍融循環(huán)80次后，粗粒試樣孔隙率增加了3.22%，增長(zhǎng)率為24.79%；中粒試樣孔隙率增加了3.07%，增長(zhǎng)率為23.6%；細(xì)粒試樣孔隙率增加了2.51%，增長(zhǎng)率為19.78%。隨著粒徑的增大，試樣孔隙率的增長(zhǎng)率呈上升趨勢(shì)，凍融作用對(duì)粗粒徑試樣的劣化損傷更為顯著。

（a）粗粒

（b）中粒

（c）細(xì)粒

圖2 3種試樣的譜分布圖

為定量描述試樣內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的變化，將弛豫時(shí)間＜10 ms的孔隙視為小孔，10 ms＜＜100 ms的孔隙視為中孔，＞100 ms的孔隙視為大孔?？讖秸急茸兓?guī)律如圖3所示。隨著凍融循環(huán)次數(shù)增加，3種試樣小孔占比逐漸減小，大、中孔隙占比則有所上升。經(jīng)歷80次凍融循環(huán)的粗、中、細(xì)粒試樣，其小孔占比下降幅度分別為3.34%、2.89%、1.82%，中孔占比增加幅度分別為34.10%、23.83%、18.76%，大孔占比增加幅度分別為92.21%、67.95%、51.39%。粗粒試樣大孔占比的變化幅度遠(yuǎn)高于中、小孔，表明粗粒試樣凍融過(guò)程中往往伴隨著更多大孔隙產(chǎn)生。

（a）粗粒

（b）中粒

（c）細(xì)粒

圖3 3種試樣中孔徑分布占比變化規(guī)律

2.2 應(yīng)力—應(yīng)變曲線

不同凍融循環(huán)次數(shù)粗、中、細(xì)粒試樣單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線如圖4所示。不同凍融循環(huán)次數(shù)試樣的應(yīng)力—應(yīng)變的變化規(guī)律較為相似，可劃分為孔隙壓密階段（Ⅰ）、彈性變形階段（Ⅱ）、塑性變形階段（Ⅲ）及峰后階段（Ⅳ）4個(gè)階段。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部孔隙不斷擴(kuò)展、微小損傷逐漸積累，壓密階段的持續(xù)時(shí)間增加，彈性階段斜率與塑性變形階段應(yīng)力水平降低，峰后階段試樣破壞程度加劇。

（a）粗粒

（b）中粒

（c）細(xì)粒

圖4 不同凍融次數(shù)3種粒徑類(lèi)砂巖應(yīng)力—應(yīng)變曲線

2.3 單軸抗壓強(qiáng)度與彈性模量

圖5和圖6分別為單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律。凍融循環(huán)80次后，粗、中、細(xì)粒試樣的單軸抗壓強(qiáng)度劣化度分別為41.68%、37.06%、24.64%，彈性模量劣化度分別為46.29%、40.86%、37.11%。隨著粒徑的增加，單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量下降速率呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。試樣粒徑越大，其受凍融循環(huán)的劣化作用越顯著。

圖5 單軸抗壓強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

圖6 彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)變化規(guī)律

3 聲發(fā)射特性

3.1 聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)

圖7~圖9為3類(lèi)試樣應(yīng)力—振鈴計(jì)數(shù)—累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線。不同凍融循環(huán)次數(shù)類(lèi)砂巖振鈴計(jì)數(shù)演化曲線變化規(guī)律相近，總體可分為平靜、緩增、驟增3個(gè)階段：① 平靜階段，試樣原生裂隙缺陷逐漸被壓密，使得其內(nèi)部整體趨于完整，聲發(fā)射活躍度處于較低水平；② 緩增階段，在外部荷載的持續(xù)作用下，試樣原生裂紋逐漸擴(kuò)展、次生裂紋不斷萌生與發(fā)育，表現(xiàn)為聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)增加；③ 驟增階段，試樣接近峰值應(yīng)力時(shí)，區(qū)域裂紋迅速匯聚后大范圍貫通，聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)出現(xiàn)峰值，隨后振鈴計(jì)數(shù)保持高水平但增速減緩。

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圖7 粗粒試樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、振鈴累計(jì)數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間變化特征

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圖8 中粒試樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、振鈴累計(jì)數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間變化特征

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圖9 細(xì)粒試樣聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)、振鈴累計(jì)數(shù)及應(yīng)力隨時(shí)間變化特征

統(tǒng)計(jì)得到3種粒徑類(lèi)砂巖試樣聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)變化規(guī)律如圖10所示。隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加，3種試樣聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)整體呈先增后減的變化趨勢(shì)。主要原因是凍融循環(huán)初期試樣內(nèi)部微裂紋不斷擴(kuò)展，有利于荷載作用下局部破裂產(chǎn)生，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)增加。隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加，微裂隙不斷貫通，在外荷載作用下微破裂減少，累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)降低。此外，凍融過(guò)程中冰晶生長(zhǎng)產(chǎn)生的壓力易在顆粒邊界處集中，粗粒試樣晶體粒度大，顆粒邊界少，產(chǎn)生的局部應(yīng)力高，使得顆粒間結(jié)構(gòu)更易被破壞。粗粒試樣凍融損傷進(jìn)程快于中、細(xì)粒試樣，凍融20次后達(dá)到極大值，中、細(xì)粒試樣凍融40次后達(dá)到極大值。

圖10 聲發(fā)射累計(jì)振鈴計(jì)數(shù)變化特征

3.2 聲發(fā)射

統(tǒng)計(jì)分析得到不同凍融循環(huán)次數(shù)下3種粒徑試樣的聲發(fā)射值—應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖11~圖13所示。根據(jù)聲發(fā)射值演化特征，將其劃分為3個(gè)階段，即為初期波動(dòng)上升階段I、劇烈下降階段II和平穩(wěn)階段III。

聲發(fā)射值在第Ⅰ階段達(dá)到峰值后整體呈下降趨勢(shì)，表明在加載初期試樣內(nèi)部以小尺寸裂紋擴(kuò)展為主，進(jìn)入第Ⅱ階段后試樣內(nèi)部破壞形式則逐漸變?yōu)榇蟪叨绕茐?。進(jìn)入平穩(wěn)階段Ⅲ，聲發(fā)射值趨于平穩(wěn)，在較小范圍內(nèi)波動(dòng)。不同粒徑試樣的聲發(fā)射值在此階段存在差異，具體來(lái)說(shuō)，粗粒試樣進(jìn)入該階段后值降至0.8以下，分布區(qū)間為0.45~0.8；中粒試樣進(jìn)入該階段后值降至1.25以下，分布區(qū)間為0.5~1.25；細(xì)粒試樣進(jìn)入該階段后值降至1.65以下，分布區(qū)間為0.75~1.65。因此，當(dāng)粗、中、細(xì)粒試樣的聲發(fā)射值分別降至0.8、1.25、1.65以下，且波動(dòng)幅度顯著減小，可作為相應(yīng)試樣破壞的有效預(yù)測(cè)預(yù)警信息。

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圖11 粗粒試樣聲發(fā)射值—應(yīng)力隨時(shí)間變化特征

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圖12 中粒試樣聲發(fā)射值—應(yīng)力隨時(shí)間變化特征

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圖13 細(xì)粒試樣聲發(fā)射值—應(yīng)力隨時(shí)間變化特征

成果來(lái)源

吳賢振，丁輝，曾鵬，趙奎，楊賢達(dá)，李從明，楊硯．凍融作用下不同粒徑類(lèi)砂巖材料聲發(fā)射特性試驗(yàn)研究[J/OL].金屬礦山，1-14[2025-03-28].

作者簡(jiǎn)介

驗(yàn)室主任。《金屬礦山》青年專(zhuān)家學(xué)術(shù)委員，《地質(zhì)與勘探》、《成都理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）》青年編委，成都理工大學(xué)首屆優(yōu)秀研究生導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)成員，“自然資源部西藏主要成礦帶大型-特大型礦床勘查評(píng)價(jià)和研究科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”和“自然資源部高層次科技創(chuàng)新人才工程科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”骨干成員，主要從事青藏高原及周緣銅多金屬礦床的研究與找礦勘查工作，先后參與多個(gè)大型-超大型礦床的勘查評(píng)價(jià)，主持國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃專(zhuān)題、四川省自然科學(xué)基金及各類(lèi)橫向項(xiàng)目10余項(xiàng)，發(fā)表文章70余篇，主編專(zhuān)著2部，參編教材2部

吳賢振，江西理工大學(xué)采礦工程系教授、博士、博士研究生導(dǎo)師?，F(xiàn)任江西理工大學(xué)黨委研究生工作部部長(zhǎng)、研究生院院長(zhǎng)、學(xué)科建設(shè)辦公室主任。主要從事巖石力學(xué)、采礦理論與技術(shù)、邊坡穩(wěn)定、爆破振動(dòng)等方面的教學(xué)與科研工作。江西省安監(jiān)局非煤礦山安全組專(zhuān)家、江西省中青年骨干教師、中國(guó)冶金教育學(xué)會(huì)學(xué)科建設(shè)先進(jìn)工作者、江西理工大學(xué)優(yōu)秀研究生指導(dǎo)教師。主持各類(lèi)科研項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲江西省研究生教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，指導(dǎo)的多名學(xué)生分別獲江西省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文、寶鋼優(yōu)秀學(xué)生獎(jiǎng)、中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)科技論文優(yōu)秀獎(jiǎng)。在《巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)》《巖土力學(xué)》《煤炭學(xué)報(bào)》《金屬礦山》等期刊發(fā)表論文60余篇，出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著1部。

曾鵬，江西理工大學(xué)采礦工程系副教授、博士（后）、博士研究生導(dǎo)師?，F(xiàn)任江西理工大學(xué)采礦工程系主任。主要從事礦山巖石力學(xué)與工程穩(wěn)定性、金屬礦山復(fù)雜難采礦體開(kāi)采方面的研究工作。江西省應(yīng)急管理廳專(zhuān)家，中國(guó)綠色智能礦業(yè)網(wǎng)智庫(kù)理事會(huì)理事，《金屬礦山》青年專(zhuān)家學(xué)術(shù)委員。獲省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，行業(yè)協(xié)會(huì)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，指導(dǎo)學(xué)生獲省部級(jí)等各類(lèi)榮譽(yù)10余項(xiàng)；主持國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目2項(xiàng)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題子任務(wù)1項(xiàng)，省部級(jí)及企事業(yè)單位項(xiàng)目7項(xiàng)，作為項(xiàng)目骨干參與國(guó)家級(jí)、省部級(jí)及企事業(yè)單位委托等各類(lèi)科研項(xiàng)目50余項(xiàng)。出版學(xué)術(shù)專(zhuān)著2部，發(fā)表論文60余篇，申請(qǐng)專(zhuān)利20余項(xiàng)。

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來(lái)源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

中鋼礦院出版?zhèn)髅街行?/strong>