1、 岩土会议 单轴压缩下 含杂质盐岩的声发射 特征 试验 研究 徐杨梦迪 1，刘建锋 1*， 徐慧宁 1， 李天一 2， 向 高 1， 邓朝福 1， 吴 池 1 （ 1 四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室、 水利水电学院 ，四川 成都 610065； 2.四川省地质工程勘察院，四川 成都 610000） 摘 要 ： 针对 中国能源地下储库盐岩高杂质 的问题 ， 基于 水 不溶物含量及类型 将 取自某拟建储库的盐岩试样 加工后 分为 纯盐岩组（ 纯盐岩 ） 、 含泥岩杂质 盐岩 组（ 泥质盐岩 和 盐质泥岩 ） 、 含钙芒硝岩 杂质盐岩 组（ 钙芒硝质盐岩 和钙芒硝岩 ） ，然后开展了
2、 单轴压缩 破坏全 过程的 声发射 测试 试验 。通过 试验 研究， 得到了以下结果 ：（ 1） 泥岩杂质和钙芒硝岩杂质均能提高盐岩 的 抗压强度，减小其变形能力，钙芒硝岩杂质使得盐岩屈服阶段大幅度减小；（ 2）随着泥岩杂质含量的增加，振铃计数率活跃区会后移， 能量率大值集中区向后推移， 累计振铃计数曲线 和累计能量曲线呈现出 由上凸 到 下凹 的变化过程 ；（ 3）随着钙芒硝岩杂质的增加，振铃计数率最大值出现时间是向后推移的，整个试验过程中 振铃计数率和 能量率相对不稳定，累计能量 -应变曲线台阶状增长 更明显 。 关键词 ： 含 杂质 盐岩；泥岩；钙芒硝 ；声发射；单轴压缩 中图分类号 ：
3、 TU45 文献标志码： A Experimental Study on Acoustic Emission Characteristics of Salt Rock with Impurities under Uniaxial Compression XU Yangmengdi1， LIU Jianfeng1*， XU Huining1,LI Tianyi2， XIANG Gao1， DENG Chaofu1， WU Chi1 (1.State Key Lab. of Hydraulics and Mountain River Eng., College of Water Resource
4、and Hydropower, Sichuan Univ. , Chengdu, Sichuan 610065, China；2.Geological Eng. Survey Inst. of Sichuan Province, Chengdu 610000,China) Abstract: According to the characteristics of salt rocks of Chinese energy underground storage which is high impurity uniaxial experiments were carried out on the
5、pure salt rocks, argillaceous salt rock, halopelite, glauberite salt rock and glauberite rock . All of these specimens were taken from a proposed salt rocks reservoir, and then were divided by the impurity content and type . Through experimental study, the following results were obtained: (1) both t
6、he mudstone impurity and glauberite rock impurity can increase the compressive strength of pure rock salt and reduce its deformability, glauberite rock impurity has more influence on rock salt than the mudstone impurity;(2) with the increase of mudstone impurities, the active area of AE counts is po
7、stponed, high energy rate is over backwards, cumulative AE counts curve and the accumulative energy curve presented by the changing process from convex to concave;(3) with the increase of glauberite rock impurities , the time when the maximum AE count appeared was backwards , the AE counts and energ
8、y rate was relatively stable through the whole test , the accumulative energy - strain curve step growth more obviously. Key words: rock salt with impurity; mudstone; glauberite; acoustic emission; uniaxial compression 0 引 言 盐岩 因其 极强的致密性、超低的渗透性、 溶水性、蠕变损伤恢复 等 特性以及不溶于油的独特性质 能 很好的适应储存压 力的变化，保证储存库良好的密闭性
9、13。 因此，盐岩 被视为 地下储存库 优选围岩 。 然而 我国地下盐 矿 资源具有杂质含量普遍较高且含量差异 较大 的 特点 ，其中又以泥岩和钙芒硝岩杂质为主 2。 近 年来，国内针对杂质盐岩作了多方面的研究。 郑雅丽 等 4通过 基本力学试验对比了泥岩、钙芒硝岩杂质对盐岩力学性质 的影响； 李银平等 5着重 分析了泥岩夹层对盐岩变形和破坏特征的影响； 刘伟 、 武志德 等 1、 6通过 瞬态法和 稳态法对纯盐岩、含 钙芒硝岩 杂质盐岩和含 泥岩杂质 盐岩进行渗透特性试验研究， 获得了 杂质影响盐岩渗透的 规律 ； 梁卫国等 7对无水芒硝盐岩和钙芒硝盐岩进行了巴西劈裂试验和单轴压缩试验研究，
10、 得到了钙芒硝盐岩的溶解渗透 力学 特性 ；杜超 、 周志威等 8、 9通过对盐岩、 泥岩 进行 蠕变 试验研究，分析了外在条件和内部组成结构对盐岩蠕变特性的影响 以及两者间所表现出的蠕变特征的异同 。 收稿日期： 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51120145001,513741481） ,四川省科技计划项目（ 2015JY0111） 作者简介： 徐杨梦迪 (1989 )，女， 2013 年毕业于四川大学水利水电工程专业，现为硕士研究生，研究方向为岩石力学与工程 。 E-mail： 。 *通信联系人： 刘建锋 (1979 )，男，博士，现任副教授， E-mail： 。 网络出版时间
11、： 网络出版地址： 声发射 作为无 损检测的重要方法被应用于盐岩研究当中。 吴刚、任松、王伟超等 10-12利用声发射技术研究了盐岩在高温、变恒幅荷载、变加载速率 、 变应变率的条件下盐岩声发射演变过程及其损伤特性；李浩然等 13研究了单轴加载条件下的盐岩变形破坏特征和声波、声发射特征， 得到了声发射活跃性与波速的关系 ； 卓越等 14利用了声发射定位试验研究了三轴应力作用下盐岩的围压效应； 刘建锋等 15通过对层状盐岩进行直接拉伸和间接拉伸试验，得到了两种破坏方式 下 声发射空间分布特征及损伤演化规律； Xu 等 16通过拉伸和压缩试验研究得到了不同应 力条件对盐岩破坏形式和声发射特征的影响
12、 。 由于取样难等问题，对盐岩声发射特征方面的工作开展较少，特别是 对于含杂质盐岩的声发射 试验分析相对更 少。本文基于我国盐岩 含量高 的情况， 针对纯盐岩、 含泥杂质盐岩和含钙芒硝杂质盐岩进行了 单轴压缩试验，揭示杂质对盐岩力学特性和声发射特征的影响。 1 试件 制备与试验设备 1.1 试件 制备 本文含杂质盐岩 试件 均取自 某 拟建天然储气库盐矿。由于盐岩有易溶于水，易在饱和盐水中发生重结晶且易在潮湿环境中潮解等特点，因此会在室内将现场直接提取的岩芯精加工，采用车床干车法制备 试验所需 试件 。加工标准参照水利水电工程岩石试验规程 17和工程岩体试验方法标准 18。 试件 高径比为 2
13、.0，共 16 块。 在 试件 加工过程中，分别保存每个试件车削下的 盐粉 ，并利用化学分析方法对其组分和水不溶物含量进行测定。经测定， 这批试件的 水不溶物主要为泥岩或钙芒硝岩，故本文根据主要水不溶物类型和含量 对岩样进行分类 ，详见 表 1 所示 。 将水不溶物含量在 10%以内的 试件 定 性 为纯盐岩 ， 因杂质含量少，故 作 对比分析时 不考虑杂质影响 ；将主要杂质为泥岩且水不溶物含量在 10%50%间的盐样定性为泥质盐岩；将主要杂质为泥岩且水不溶物含量 在 50%以上的岩样定性为盐质泥岩；将主要杂质为钙芒硝岩且水不溶物含量在 10%50%间的岩样定性为钙芒硝质盐岩；将主要杂质为钙芒
14、硝岩且水不溶物含量在 50%以上的盐样定性为钙芒硝岩。然后将这五类岩样分为 三 大 组， 即 纯盐岩组（纯盐岩）、含泥岩杂质盐岩组（泥质盐岩和盐质泥岩）、含钙芒硝岩杂质盐岩组（钙芒硝质盐岩和钙芒硝岩） 进行对比分析 。图 1 为 5 类 试件 中所选取的 典型岩样 加工后照片。 表 1 岩样分类及 不溶物含量 列 表 Table 1 List of Rock Sample Classification and Insoluble Content 组名 试件名称 水不溶物含量 纯盐岩组 纯盐岩 10% 含泥 岩 杂质盐岩组 泥质盐岩 10%-50% 盐质泥岩 50% 含钙芒硝 岩 杂质盐岩组 钙
15、芒硝质盐岩 10%-50% 钙芒硝岩 50% (a)纯盐岩 (b)泥质盐岩 (c)盐质泥岩 (d)钙芒硝质盐岩 (e)钙芒硝岩 图 1 试件示例照片 Figure 1 Specimen Sample Photos 1.2 试验设备 力学加载 试验 加载设备为 MTS815 Flex Test GT岩 石力学测试系统 。 轴向荷载 采用 1000kN，单轴纵向引申计测量量程为 4mm，横向引申计量程为-2.5mm12.5mm， 各测量传感器的测量精度 为 5 RO。 声发射测试设备采用美国声学物理公司 PCI-2 声发射（ AE） 三 维定位系统 ，声发射传感器采用 Micro30。试验过程中在
16、试件上安装 8 个 AE 传感器，靠近试件上下端面分别对称放置 4 个。 2 试验结果分析 2.1 力学 特性 选取每种类型中 的典型岩样 ，绘制其应力 -应变图，如图 2 所示。纯盐岩受单轴压缩后，弹性阶段较短，塑性阶段较长，整条应力 -应变曲线较为平缓，且应 变硬化现象明显。含泥岩杂质的盐岩与纯盐岩的应力 -应变曲线较为相似，短暂的弹性阶段过后，进入了很长的屈服阶段直至峰值，出现了应变软化现象。而随着泥岩杂质含量的增加 盐岩的峰值强度增大，屈服阶段虽仍就比较长，峰值处的轴向应变与环向应变却小了很多，应变软化现象更加明显。而含钙芒硝岩杂质的盐岩，其应力应变曲线与纯盐岩的相似度较低 。就整条应
17、力 -应变曲线来讲，其弹性阶段较长，在经历过短暂的屈服阶段后达到峰值强度。而随着钙芒硝岩杂质含量的增加，岩样强度增加明显，屈服阶段 更短 ，钙芒硝岩 几乎没有经过屈服阶段便达到峰值 并 迅速破坏 ， 试件 呈脆性破坏。由此可见， 试件 水不溶物含量越高，其变形量越小，塑性变形阶段变形量缩小明显。 图 2 试件 应力 -应变曲线 Figure 2 Stress-strain Curves of Tested Rock Specimen 所有 试件 的单轴 抗压强度和 水不溶物含量关系 如图 3（ a） ， 其 弹性模量 （ 为 切线弹性模量） 和 水不溶物含量关系 如图 3（ b） 。 钙芒硝岩
18、杂质对盐岩的 强度和变形特性 影响较泥岩杂质更大。 含钙芒硝岩杂质组和含泥岩杂质组 试件 的单轴抗压强度 和弹性模量 均 随着水不溶物含量的增加 而 逐渐增加。 在所有类型盐岩 的 平均抗压强度 中， 纯盐岩的 最小 为 17.71MPa； 泥质盐岩 是纯盐岩的 1.92 倍 ； 盐质泥岩较纯盐增长了 1.82 倍 ； 钙芒硝质盐岩 是纯盐岩的1.67 倍； 钙芒硝岩 较纯盐增长了 3.28 倍。 不同水不溶物含量影响下的 弹性模量 变化特征与 抗压强度的 变化特征 相似 （图 3（ b） ） 。纯盐岩 的平均弹性模量 最小 为4.71GPa， 泥质 盐岩 和盐质泥岩 的平均弹性模量 值分别是
19、纯盐岩的 1.98 倍和 4.06 倍 。其 中钙芒硝质盐岩的 弹性模量平均值较纯盐岩增长了 151.2%，是泥质盐岩的1.26 倍；钙芒硝岩的弹性模量平均值 较纯盐岩增长了719.5%， 是盐质 泥岩的 2.02 倍 。 不同杂质含量盐岩的应力 -应变曲线 以及抗压强度、弹性模量 的差异表明，纯盐岩抗压强度较低而变形量较大，杂质岩使得盐岩的抗压强度变高而变形量变小，其中钙芒硝岩杂质对盐岩的影响较泥岩杂质大。这是因为盐岩颗粒大、粒间 黏聚力低 ，而泥岩颗粒 和钙芒硝岩颗粒 较 小 ， 颗粒可填充盐岩颗粒间的缝隙 ，增大粒间黏聚力， 所以受力后纯盐岩变形量最大而强度最小， 而含杂质盐岩随着杂质含
20、量的增加 ，其变形量逐渐变小，强度变高。钙芒硝岩钙质胶结强度很高，黏聚力大 ，因此含有钙芒硝岩杂质的盐岩强度更高，变形量却最小。 （ a） 抗压强 度和杂质含量关系图 （ b） 弹 性模量和杂质含量关 系图 图 3 抗压 强度 、弹性模量与杂质含量关系图 Figure 3 Relationships between Axial Stress , Elastic Modulus and Impurity Content 2.2 含泥岩杂质盐岩的声发射 特征 根据试样受压所表现出的力学特性将应力应变曲线分为 初始变形阶段、 弹性变形阶段、 屈服变形阶段及 峰后破坏阶段 ，并对 四个阶段 中 盐岩变
21、形破坏全过程的声发射特征及不同水不溶物含量对其的影响 进行分析。 （ a） 应力、 应变 和振铃计数 率 关系曲线 （ b）应力、 应变 和累计 振铃计数 关系曲线 （ c）应力、 应变 和 能量率 关系曲线 （ d）应力、 应变 和累计能量关系曲线 图 4 纯盐岩 应力、 应变 和 声发射特征 关系图 Figure 4 Relationships between Stress, Strain and Acoustic Emission Characteristic of Pure Rock Salt （ a） 应力、应变和振铃计数率关系曲线 （ b）应力、应变和累计振铃计数关系曲线 （ c）
22、应力、应变和能量率关系曲线 （ d）应力、应变和累计能量关系曲线 图 5 泥质盐岩应力、应变和声发射 特征 关系图 Figure 5 Relationships between Stress, Strain and Acoustic Emission Characteristic of Argillaceous Rock Salt （ a）应力、应变和振铃计数率关系曲线 （ b）应力、应变和累计振铃计数关系曲线 （ c）应力、应变和能量率关系曲线 （ d）应力、应变和累计能量关系曲线 图 6 盐质泥岩应力、应变和声发射 特征 关系图 Figure 6 Relationships between
23、 Stress, Strain and Acoustic Emission Characteristic of Halopelite 纯盐岩 和含 泥岩 杂质盐岩 组 的声发射振铃计数 率在整个加载阶段都较 含钙芒硝杂质盐岩组 活跃 （ 图 4（ a）、图 5（ a）和图 6（ a） ） 。纯盐岩振铃计数率在 第和 第 变形阶段初期最为活跃， 泥质盐岩的振铃计数活跃区集中在第变形阶中后期， 而盐质泥岩 的 振铃计数率活跃区会后移到峰值处。 泥岩杂质含量增大时，振铃计数率活跃区会后移。 累计振铃计数表明， 纯盐岩在 第 变形阶段和 第变形阶段初期内，累计振铃计 数增长稳定，直到 第阶段中段累计振
24、铃计数增长开始逐渐变缓， 到 第 变形 阶段开始，累计振铃计数保持一个相对稳定的增长速度增长。泥质盐岩累计振铃计数曲线 在第变 形阶段之后保持了一个较高的增长速率增长 ，整体呈 线性增长 。而盐质泥岩则相反， 其 累计振铃计数曲线 呈下凹形式增长。其在 第 变形 阶段内累计 振铃计数保持在一个较高的增长率上稳定增长 ， 待进入 第 变形阶段后，累计振铃计数增长率突然变小，而后 缓慢变大， 到 第 变形 阶段后段峰值前，累计振铃计数增长率又开始变大，且保持在一个相对稳定的增长速度增长。 随着泥岩杂质含量的增长，累计振铃计数曲线表现为上凸 -线性 -下凹。 对比图 4（ c）、图 5（ c）和图
25、6（ c）可知，纯盐岩高能量区集中在 第 变形 阶段和 第 变形 阶段初期，最大能量率值为 46.17，之后能量率值除偶尔出现较大值外均保持在较低值。泥质盐岩高能量区集中在第 变形阶段，最大能量率值为 110.04，而第、变形阶段的能量率极低 。盐质泥岩的高能量区向后推移明显，集中在 第 变形阶段后期、峰值处直至试验结束，最大能量率值为 1150.86，出现在 第 变形 阶段。随着泥岩杂质含量的增加，能量率大值集中区向后推移， 且能量率值逐渐增大 。 累计能量 -应变曲线整体发展趋势同其累计振铃计数 -应变曲线相似 （ 图 4（ d）、图 5（ d）和图 6（ d） ） ，其斜率大小，曲线走向
26、以及曲线拐点出现区域都相同。因此，而随着泥岩杂质 含量的增大，累计能量 -应变曲线的 表现为 上凸 -线性 -下凹。 。 2.3 含钙芒硝岩杂质盐岩的声发射特性行为分析 因 钙芒硝岩 杂质 的影响，钙芒硝质盐岩和钙芒硝岩的声发射振铃计数 明显减弱， 振铃计数最大值出现时间是向后推移的 （ 图 4（ a）、图 7（ a）和图 8（ a） ） 。 对比图 4（ b）、图 7（ b）和图 8（ b）可知，在 第 变形 阶段， 纯盐岩 累计振铃计数 -应变曲线斜率较高，增长率较大 ； 钙芒硝质盐岩增长率相对较小，增长曲线较为稳定 ； 钙芒硝岩声发射信号是由少逐渐变多，在 第 变形 阶段前段累计振铃计数
27、 -应变曲线几乎呈水平贴近应变轴，之后 振铃计数迅速增多，曲线接近竖直，呈现出一个明显的凹形。 岩盐初始裂隙较多，而钙芒硝岩则较少。 进入 第 变 形阶段之后，钙芒硝质盐岩的累计振铃计数 -应变曲线经历了由急变缓再变急的过程， 在 第 变形阶段的初期出现累计振铃计数停止增长的现象，即峰前平静期 ， 待到 第 变形阶段中期开始迅速增长，到 峰值之后又出现几乎停止增长的现象。 而钙芒硝岩的累计振铃计数曲线一直维持着缓慢变缓的变化规律。不同于含泥岩杂质 盐岩，在第 变形阶段 ，累计振铃计数都得到较大的增长， 而含 钙芒硝岩 杂质盐岩 的累计振铃计数曲线斜率变得很小。 纯盐岩能量率变化较稳 定，而钙芒
28、硝质盐岩和钙芒硝岩能量率变化相对不稳定 ，突增点较多 （ 图 4（ c）、图 7（ c）和 8（ c） ） 。 特别是 钙芒硝岩 ，其 能量率最大值为 1173.25，而其它时候的能量率值大多集中在 50以内，差异较大。 钙芒硝质盐岩和钙芒硝岩的累计能量 -应变曲线同累计振铃计数 -应变关系曲线的走向相似，但出现了许多的突增点，类似台阶的形式增长 （ 图4（ d）、图 7（ d）和图 8（ d） ） 。随着钙芒硝岩杂质的增加，累计能量 -应变曲线台阶状增长 更加明显 。 （ a）应力、时间和振铃计数率关系曲线 （ b）应力、应变和累计振铃计数关系曲线 （ c）应力、时间和能量率关系曲线 （ d
29、）应力、应变和累计能量关系曲线 图 7 钙芒硝质盐岩应力、应变和声发射特性关系图 Figure 7 Relationships between Stress, Strain and Acoustic Emission Characteristic of Glauberite Rock Salt （ a）应力、时间和振铃计数率关系曲线 （ b）应力、应变和累计振铃计数关系曲线 （ c）应力、时间和能量率关系曲线 （ d）应力、应变和累计能量关系曲线 图 8 钙芒硝岩应力、应变和声发射特性关系图 Figure 8 Relationships between Stress, Strain and A
30、coustic Emission Characteristic of Glauberite Rock 2.4 含泥岩杂质和含钙芒硝岩杂质声发射 特征 的对比 综合 图 4图 8 可发现，试验过 程中，含泥岩杂质盐岩 和 纯盐岩的振铃计数率和能量率都比较活跃，而钙芒硝岩杂质却降低了盐岩 的活跃度。 纯盐岩 和含泥岩杂质盐岩的声发射振铃计数和 能量率变化较稳定，而 含钙芒硝岩杂质盐岩的振铃计数和 能量率变化相对不稳定 ，突增点较多 。 峰后阶段含泥岩杂质盐岩的振铃计数和能量仍然稳步增长 ，而含钙芒硝盐岩的振铃计数和能量则迅速减弱。含泥岩杂质盐岩内部 初始微裂隙 较多 ，且受压过程中颗粒间错动明显，
31、 试件 破坏时也产生了大量的裂纹，而含钙芒硝岩杂质盐岩初始微裂纹较少，且晶粒间不易滑动，接收到的声发射信号多来自裂纹的产生，因此振铃计数率和 能量率较小，突增点较多 。 3 分析与讨论 中国层状盐岩中的杂质 含量不一， 分布不均，得到的 试件中 的杂质也可能 是 不 均匀分布 的 。 而本文 在进行组分分析时所用盐粉是实验 车床加工时打磨 样品表面所得， 这样 得到 实验结果只能表明杂质含量大小 。且 目前的技术手段很难判别杂质的具体分布，这也是目前研究的难点所在。因此本文假定 杂质是均匀分布的。 声发射空间分布可以在一定意义上通过 AE 空间位置与杂 质分布的关系来分析杂质分布对损伤破坏的影
32、响，但限于篇幅，这些 内容会在后续进行深入研究。 4 结 论 （ 1）泥岩杂质和钙芒硝岩杂质 均 能提 高盐岩抗压强度，减小其变形能力。其中 钙芒硝岩杂质对盐岩 的强度和硬度 影响更大 。 （ 2） 基于泥岩杂质对盐岩声发射特征影响分析得到： 随着泥岩杂质含量的增加， 振铃计数率活跃区会后移 ； 能量率大值集中区向后推移，最大值逐渐 增大 ；累计 振铃计数 -应变曲线 和累计能量 -应变曲线表现为上凸 -线性 -下凹。 （ 3） 基于钙芒硝岩杂质对盐岩声发射特征影响分析得到： 随着钙芒硝岩杂质的增加，其振铃计数率最大值出现时间是向后推移的；累计振铃计数增长率在压密阶段的初期和峰后阶段 都呈现
33、逐渐变缓的 趋势 ；含钙芒硝岩杂质盐岩的振铃计数和 能量率变化相对不稳定 ，突增点较多 ；累计能量 -应变曲线台阶状增长 更明显 。 钙芒硝岩杂质 对盐岩 声发射特征的影响较泥岩的更显著 。 参考文献 1Liu Wei, MUHAMMAD Nawaz, Li Yinping, et al. Experimental study of permeability of salt rock and its application to deep underground gas storageJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,20
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