煤炭开采环境为沉积岩，在煤系地层沉积岩中，泥岩是一种主要构成岩层[1]。由于其独特的物理化学性质，使其对温度、湿度、应力和地下水等环境因素极为敏感，特别是湿度条件变化时，泥岩的性质和状态会发生很大的变化，产生水化膨胀、碎胀扩容、强度降低，导致处于这类岩层中的巷道、硐室、建筑物基体等产生大变形甚至坍塌[2-4]。
因此，研究不同含水状态下泥岩的物理力学特性，是一项具有理论研究和实际工程应用价值的课题。朱合华等[5]开展干燥和饱水环境下岩石蠕变试验，研究岩石蠕变受含水状态影响的规律。李天斌等[6]进行了不同含水率和不同围压条件下的砂岩常规三轴压缩试验，从能量演化角度和声发射特征分析不同含水率作用下岩石的能量机制。杨春和等[7]通过测定板岩泡水过程中吸水率、润湿角的变化以及不同浸泡时间下矿物颗粒微观结构、孔隙度的变化，研究板岩泡水后软化的过程和机理。郭佳奇等[8]通过开展自然和饱水状态岩样单轴压缩和常规三轴压缩试验，探讨饱水对岩溶灰岩力学性质和能量机制的影响。周翠英等[9]进行了不同饱水状态下红色砂岩、泥岩以及黑色碳质泥岩等软岩的力学特性试验，研究不同饱水时间点的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、抗剪强度及其随饱水时间的变化规律。
以上研究表明，软岩遇水易软化、膨胀及崩解，不同的含水状态对岩石的力学性质和破坏机制有重要的影响。但以往研究往往比较单一的分析饱水或天然状态下岩石力学性质的劣化，很少结合能量机制分析含水率对岩石力学特性的影响效应及机理。因此，笔者开展了不同围压作用下的烘干状态、天然状态以及饱水状态泥岩常规三轴压缩试验，根据能量演化规律和声发射特征分析不同含水率作用下泥岩的能量机制，研究成果将对分析工程岩体破坏及稳定性具有重要的工程意义。
1 试验方法 1.1 试样制备 本文的泥岩采自淮南顾北煤矿-575 m到-648 m水平，质纯细腻，呈灰黑色，性质较脆，钻取的岩样如图1所示。采用D8 Advance X-射线衍射仪对其进行矿物分析，测得泥岩矿物成分为:高岭石19.12%，伊利石18.88%，钠长石16.47%，石英45.53%。经测定，该泥岩的天然密度为2.61 g/cm3，颗粒密度2.73 g/cm3。按照国际规范的要求，试件加工成直径为50 mm，高为100 mm的标准圆柱岩样，试件两端面不平行度不超过0.02 mm，端面垂直于轴线，且最大偏差不超过0.2°。
图1 制备的泥岩试样Fig.1 Preparation of mudstone samples
笔者近似认为所取岩样含水率相同，根据吸水失水规律分别采取烘干和浸水的方式以获取小于和大于天然含水率的泥岩试样。将制备好的岩样分成3组，一组进行烘干，烘干温度采用105 ℃，烘干时长为3 h，预计烘干岩样含水率为0.80%;一组采用自然浸水浸泡岩样，浸泡时长为3 h，预计浸水岩样含水率约为2.03%;第3组保持自然状态，天然泥岩含水率约1.56%。根据岩样取样深度，围压取为0，15，30 MPa，分别对应临空，原位应力同等应力水平及两倍原位应力水平，试验采用U1～U3，S1～S3，N1～N3九块岩样，见表1。
表1 试样三轴压缩试验设计Table 1 Scheme of triaxial compression test of mudstones on different saturated state
试样编号围压/MPa含水率/%加载方式烘干样U100.89烘干样U2150.80烘干样U3300.90浸水样S101.97浸水样S2152.03浸水样S3301.92天然样N101.56天然样N2151.56天然样N3301.56以0.1 MPa/s的加载速率加围压至设定值,保持围压不变,以0.001 mm/s的轴向加载速率加载
1.2 试验方案 对不同含水状态的泥岩开展单轴及三轴压缩试验，其中三轴压缩试验采用RMT-301大三轴装置进行，可以测量侧向变形。试验过程为:以0.1 MPa/s的加载速率加围压至设定值，保持围压不变，预加载，选择轴向应变控制，以0.001 mm/s的轴向加载速率加载，直至获得完整应力应变曲线。试验过程中采用声发射设备PCI-II进行实时监测，其中采样频率设置为5 MHz，门槛值设置为55 dB。此外，为了提高AE事件三维定位的精度，采用8个探头进行数据采集。试验设备如图2所示。
图2 试验加载测试系统Fig.2 Rock mechanics test system
2 基于能耗演化规律的含水率效应 2.1 岩石破坏过程的能量原理 根据热力学第一定律，当一个岩体单元在外力作用下发生变形，且该过程与外面不发生热交换，则认为外力所做的功全部被岩石吸收，吸收的总能量记为U。其中，一部分应变能转换为可释放的弹性应变能Ue存储起来，另一部分即以耗散应变能Ud的形式耗散掉，其表达式[10]为
U=Ue+Ud
(1)
单轴条件下岩样吸收的总应变能可表示[11]为
(3)
式中，σ1和ε1分别为主应力、应变值;σ1i和ε1i为应力-应变曲线上每一点的主应力、应变值;i为数据点编号;n为总的数据点数;为弹性应变值;E0为初始弹性模量。
常规三轴压缩试验中，主应力σ2=σ3，总能量和弹性应变能[12]可分别表示为
(5)
其中，U0为试验起初施加围压对岩石所做的功，其实质是该静水压力状态下存储的应变能，因此可表示[13]为
(6)
式中，υ为泊松比;为初始围压值。其中式(4)可以理解为，三轴压缩试验中外力做功输入的能量包括轴力对岩石做的正功、环向力对岩石做的负功以及初始围压对岩石所做的正功3部分。
2.2 不同含水率作用下的能耗特征分析 从能量角度来说，岩石的受力变形破坏是一个能量输入、弹性能积聚、能量耗散和能量释放的过程，岩石在能量的驱动下引发损伤直至宏观失稳破坏。图3分别给出单轴条件下饱水样S1,15 MPa围压下烘干样U2,30 MPa围压下天然样N3的应力、能量与应变的关系。总结能量演化曲线可以发现，伴随着应力应变曲线的不同阶段，即压密阶段(OA)、弹性阶段(AB)、破裂稳定发展阶段(BC)和破坏失稳阶段(CD)，不同含水率泥岩的能量成分也呈现相应的变化特点。在压密阶段和弹性阶段，泥岩吸收的能量主要以弹性能的形式存储起来，只有极少部分用于能量耗散，此时弹性能曲线与总能量曲线变化相当，而耗散能曲线低而平稳;进入破裂稳定发展阶段后，弹性能曲线增速越来越平缓，与此相对的耗散能曲线开始陡增，说明用于塑性应变和裂纹扩展的总能量越来越多，耗散能所占比重迅速增大;处于破坏失稳阶段时，弹性能随应力曲线的脆性跌落而迅速降低，存储在岩石内的弹性能瞬间释放，用于岩石破裂进一步发展和沿滑移面剪切变形的耗散能继续增加，这个时期吸收的总能量几乎都转化为耗散能消耗了[14-16]。
图3 应力、能量与应变的关系曲线Fig.3 Variation of stress and energy with strain
图4给出了不同围压下总能量与应变的关系曲线，通过曲线可以发现，随着含水率的增加，泥岩吸收的总能量随着应变的增长速率有所减缓;含水率越高(如饱水样)，泥岩吸收的总能量越少，含水量越低(如烘干样)，泥岩吸收的总能量越多。这是由于水对岩石的化学侵蚀，导致黏性颗粒的黏聚力降低，破坏了内部的微观力学结构，使得岩石达到较低的能量状态，岩石储能和能量释放相对减少，塑性增强。这也是地下工程中常采用岩层注水预防冲击地压的机制。
图4 不同围压下总能量与应变的关系曲线Fig.4 Variation of total energy with strain under different confining pressure
图5给出了30 MPa围压下耗散能与应变的关系曲线。耗散能主要用于岩石内部裂纹的产生和扩展，以及损伤的积累。由图5可知，在压密阶段和弹性阶段，耗散能数值较小且增长缓慢，相比之下饱水样在此阶段增速较快，天然样次之，说明这个阶段含水率越大，耗散的能量越多。这主要是由于浸水样经过饱水过程，内部发生水岩相互作用引起的一系列物理和化学反应，使浸水样在加荷过程中局部有微裂隙萌生、扩展，消耗一部分应变能。而烘干样经压密后接近连续介质，线弹性特征十分明显，因而弹性阶段耗散能增加较少。进入弹塑性阶段后，岩石内部裂纹开始产生和扩展，吸收的总能量用于耗散作用的比例急剧增长，且烘干样增长速率最快，天然样次之，饱水样相对最低。当岩石发生破坏后，耗散能持续增长，此时岩石内部积累的弹性能瞬间释放，岩石吸收的总能量基本都转化为耗散能消耗掉。破坏后烘干样耗散能依然增长最快，说明进入破裂稳定发展的弹塑性阶段后，随着含水率的增大，用于裂纹扩展的耗散能逐渐降低。
图5 30 MPa围压下耗散能与应变的关系曲线Fig.5 Variation of dissipated energy with strain under 30 MPa confining pressure
图6 30 MPa围压下弹性能与应变的关系曲线Fig.6 Variation of elastic energy with strain under 30 MPa confining pressure
图6给出了围压30 MPa条件下弹性能与应变的关系曲线。在压密阶段和弹性阶段，岩石内存储的弹性能快速增加，此时岩石吸收的总能量基本都转化为弹性能存储起来。不同含水状态泥岩弹性能存储速率相差较大，含水率越低，储能过程中弹性能越大。进入弹塑性阶段后，弹性能增长速率减缓，原因在于岩石内部逐渐产生裂纹。失稳破坏后，弹性能急剧释放成为岩石破坏的动力来源。从破裂稳定发展阶段开始，含水率越低，岩石内部存储的弹性能越高，并且浸水样弹性应变能的释放速率大于烘干样的释放速率，这可能是由于峰后浸水样在水的软化作用下，承受相对较小轴向应变增幅下就发生了整体破坏，形成贯通的宏观裂隙，从而有利于弹性应变能释放。
岩石内部存储的弹性能从产生、积聚到释放整个过程中，总是存在一个最大值，通常称之为储能极限。图7给出了不同围压条件下储能极限与含水率的关系曲线，从图中可以看出，同一围压条件下，储能极限随着含水率的增高线性降低，即含水率越低，岩石所能存储的最大弹性应变能越高，这与前文各能量组分的分析结果一致。此外，围压越高，极限储能越大，说明围压的增高加强了岩石的储能能力。
图7 岩石的储能极限和含水率的关系Fig.7 Relationship between energy storage limit and moisture content
图8 单轴压缩条件下不同含水率泥岩声发射事件率变化曲线Fig.8 Variation of AE event rate for different samples under uniaxial compression
3 不同含水率泥岩的声发射特征分析 声发射活动可直观反映岩石内部损伤情况和微裂纹萌生扩展演化过程。常用的声发射表征参数有:声发射事件率、声发射振幅、声发射累计能量等[17-20]。声发射事件率是单位时间声发射事件的数量，反映岩石内部裂纹扩展所释放的能量，声发射事件率越高，说明岩石内部损伤越严重[21]。图8给出了单轴压缩条件下不同含水率泥岩声发射事件率的变化曲线。由图8可知，声发射事件率随着应力-应变曲线的不同阶段呈现相应的变化特征，两者的变化趋势具有较好的一致性。当岩石处于密实阶段的时候，声发射事件率很低，饱水样声发射事件率近乎为零，压缩阶段没有新裂纹产生，少有的声发射事件来源于原始孔隙裂纹的压实。进入弹性阶段后，应力应变成正比，泥岩刚度为常数，不同含水率泥岩声发射事件率相比压密阶段有所增长，但依然很低。进入塑性阶段后，声发射信号均明显增强，声发射事件率是弹性阶段的3～5倍，说明此时岩石内部新生裂隙逐渐产生，损伤逐渐积累。在临近破坏前声发射信号突增，这意味着有较大的裂隙或贯穿裂隙产生。进入破坏阶段，不同含水率泥岩均可发现微破裂甚至崩裂的产生，此时声发射事件率出现阶跃，其与应力-应变曲线上的不规则拐点基本一致。
图9给出围压15 MPa条件下不同含水率泥岩破坏时刻声发射定位图。声发射定位技术可从微观角度确定岩石内部微裂隙的空间位置和扩展方向。结合图8，9可以发现，含水量越高，声发射事件率越低，岩石最终破坏时内部定位事件越少，即声发射活动性越弱，原因在于泥岩受水作用的影响，水分子进入泥岩颗粒间隙削弱了颗粒间的黏结作用，使其破坏所需的能量降低，因此表现为声发射活动性减弱。由此可见，水可软化泥岩，使其强度降低，储能能力和应变能释放能力降低，水对泥岩的影响不可忽视。
图9 围压15 MPa下不同含水率泥岩破坏时刻声发射定位Fig.9 AE location results at the moment of rock failure
图10给出了不同围压条件下烘干样泥岩声发射事件率变化曲线。对比3种围压下泥岩的声发射活动可以发现，声发射事件率大致呈现随围压的增大而减小的规律。表2给出的不同围压下泥岩声发射累计能量也验证了这个规律，说明围压越小，岩石内部破坏越剧烈。
图10 不同围压条件下烘干样泥岩声发射事件率变化曲线Fig.10 Variation of AE event rate of dried sample under different confining pressure
泥岩的水理性质与岩石的矿物成分和微观结构密切相关。根据矿物成分分析结果，岩样中的矿物以石英和长石等粗颗粒矿物为主，其次为高岭石和伊利石等黏土矿物，两种矿物混合黏结在一起形成了矿物颗粒骨架。由于伊利石和高岭石具有颗粒小、比表面积大、亲水性强的特点，在饱水过程中，水分子易进入黏土矿物颗粒之间，形成极化的水分子层，颗粒间的泥质胶结逐渐溶解破坏。此外，伊利石晶体结构在c轴方向的连接力较小，水分子作为一种极性分子，很容易侵入到晶体结构的层间域中，形成水化膜，进而使得伊利石矿物大幅度膨胀，研究表明，伊利石饱水状态下的膨胀量可达到50%～60%[22-23]。膨胀软化的黏土矿物不仅削弱自身的黏结力，还造成岩石内部不均匀应力以及微观裂纹、孔隙的产生，大幅降低了
表2 不同围压下泥岩声发射累计能量Table 2 Total AE energy under different confining pressure
围岩/MPa声发射累计能量/10-6J烘干样天然样饱水样03 021.521 678.54861.36152 691.471 489.74632.45301 854.361 002.11446.23
原岩的力学强度。并且，泥岩在浸水状态下，由于泥质胶结物的溶解和黏土矿物的吸水膨胀，使得泥岩的结构性遭到破坏。而含水量减小时，细颗粒附着于大颗粒中，颗粒之间的流动性变差，结构性增强。因而泥岩烘干样强度提高，而浸水样强度降低，弹性模量减小、塑性变形增加。从能量角度来看，浸水泥岩比烘干泥岩在加载过程中损耗的应变能增大、储能降低。同时，声发射能量规律显示，浸水样破坏时释放的弹性应变能与烘干样相比减小，更多地转化为塑性变形能，表明随着含水率的增大，泥岩的塑性增强。
通过研究发现，水对泥岩的力学性质影响很大，且影响程度受含水率的大小左右。因此在深部煤矿开采过程中，泥岩的含水率是不得不考虑的重要因素，控制适当的含水率，将有利于深部地下洞室围岩的稳定。
4 结 论 (1)烘干、自然以及浸水状态下，泥岩吸收的总能量随着应变的增长速率逐渐减缓，含水率越高，泥岩吸收的总能量越少。原因在于水分子易进入伊利石和高岭石等黏土矿物颗粒间，削弱了颗粒间的凝聚力，且泥质胶结物的溶解和黏土矿物的吸水膨胀，破坏泥岩的结构性，使岩石得到软化，力学性质有所降低。
(2)耗散能在压密阶段和弹性阶段数值较小且增长缓慢，含水率越大，耗散的能量越多,进入弹塑性阶段后,吸收的总能量用于耗散作用的比例急剧增长,含水率越小,增长速度越快。破坏后烘干样耗散能依然增长最快，说明进入破裂稳定发展的弹塑性阶段后，随着含水率的增大，用于裂纹扩展的耗散能逐渐降低。
(3)弹性能存储速率在压密阶段和弹性阶段随含水量的增大而降低，在弹塑性阶段弹性能增长速率减缓，失稳破坏阶段含水量越低，存储的弹性能越高，同一围压条件下，泥岩的储能极限随着含水率的增高而线性降低。
(4)声发射事件率随含水量的增大而降低，随围压的增大而降低，表明含水量越低，围压越小，泥岩内部破坏越剧烈，塑性减弱。
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