随着国家宏观经济结构转型和供给侧结构性改革的政策调控，煤炭资源开发战略目标开始向西部矿区转移[1-2]。而西部矿区地层主要以弱胶结地层为主，该类地层的岩石具有强度较低、遇水易软化崩解、胶结性能较差等特点，与我国中东部石炭二叠系地层有很大的差别[3-5]。尽管西部弱胶结地层矿区经过十几年的发展，建成并投产了一批生产矿井，但是西部矿区的弱胶结地层中进行资源开采时依然面临井壁坍塌、围岩变形难以控制、突水溃沙、工作面异常来压等问题，严重制约了西部煤矿的安全高效生产[6-10]。而对西部弱胶结地层岩石物理力学性能认识不深刻是导致西部矿区资源开采过程中灾害性事故频发的根本原因。
西部弱胶结岩石物理力学特性的研究已成为岩石力学热点研究问题之一。已有的研究已经证明弱胶结岩石为颗粒物质和胶结物质经过溶蚀、压实和胶结作用而成的沉积岩，大量的颗粒物质与胶结物质相互胶结、相互作用，共同构成了复杂的结构系统，是一种典型的多尺度复合材料[11-12]。基于这一点的认识，可知弱胶结岩石的细观结构对其宏观力学性能起到决定性作用，弱胶结岩石细观结构上的矿物颗粒的大小和分布特征对其力学性质具有重要的影响[13]。材料宏观结构行为是固体力学之本，如何跨尺度关联回到宏观尺度，建立细观结构与宏观力学行为之间的联系非常有必要。岩石材料受力破坏时，内部微裂纹的萌生、扩展、贯通的过程与细观结构特征密切相关，该过程伴随能量的释放产生声发射等物理现象[14]。声发射信号特征决定于岩石材料物理性能及所受的应力历史，能够对岩石内部微裂纹的发展状态进行实时监测[15-16]。研究不同粒度弱胶结砂岩破裂过程中的声发射信号特征，能够对地层岩体性质、稳定状态和破坏程度进行有效判识和预测，从而为灾害防控提供判识依据。
目前，学者们对岩石破坏过程中的声发射特征开展了卓有成效的研究，取得了一定的研究成果。WASANTHA[17]、LIU Xinrong[18]、纪洪广[19]等对岩石的微观结构进行了研究，并对其微观结构与力学特征的关系进行了探讨;纪洪广等[20]研究了红庆河煤矿白垩系弱胶结粗粒砂岩力学性质及声发射特征，得到了弱胶结砂岩应力峰后AE累积计数和绝对能量较峰前发生量级变化;李化敏等[21]研究了神东矿区弱胶结砂岩的力学及声发射特征，弱胶结砂岩的AE振铃计数峰值一般不出现在塑性变形阶段与常规砂岩有较大的差异性;宋朝阳等[22]研究了干湿循环作用下弱胶结砂岩声发射特征及其细观劣化机理，对比分析了不同干湿循环作用次数后岩样的变形破坏特征及破坏过程中声发射事件数、能量释放率、b值及熵值等参数变化特征，声发射多参数变化特征能够反映水对其宏观强度和细观结构物质的劣化作用及影响程度;曾鹏等[23]研究了单轴压缩下弱胶结粗粒砂岩临界破坏的多频段声发射耦合判据和前兆识别特征，得到了弱胶结粗粒砂岩在临界破坏状态下，高频段(140.625～156.250 kHz)、低频段(31.250～46.875 kHz)2个固定频段占比分别出现了最大值和最小值的特征，且2者的声发射幅值关联维数都下降到最低值;李楠等[24]研究了循环加载和分级加载作用下岩石损伤破裂过程中的声发射信号主频变化规律，得到了岩石加载阶段和卸载阶段的AE主频变化特征，在岩石破裂阶段声发射信号主频(100～200 kHz)增高，频带变宽，且出现次主频的结论。纪洪广等[25]研究得到了花岗岩破裂的前兆信息在声发射信号峰值频率分布中呈现为峰频主频段增多的特征。已有的研究成果，证明了岩石在损伤、破裂的全过程中AE峰值频率会随之表现出一定的演化特征，但是结合岩石颗粒尺度、力学特征及声发射特征参数之间相关性及定量关系的研究相对较少，且多集中在某一种岩石在损伤、破坏过程中声发射特征参数历程图的定性分析。
有鉴于此，笔者对不同粒度弱胶结砂岩进行单轴压缩的声发射试验，获得不同粒度弱胶结砂岩破坏过程中AE信号特征参数随应力演化规律，研究不同弱胶结砂岩AE振铃计数与其绝对能量、幅值和持续时间之间的分布特征，对弱胶结地层不同粒度砂岩的AE参数进行定量化的对比分析，探求不同粒度弱胶结砂岩多频段AE信号相互之间的匹配模式及其与力学演化过程之间的内在联系，建立不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源及其临界破坏前兆信息识别判据。
1 试验过程
1.1 岩样采集及制备
试验选用内蒙古红庆河煤矿-740～-700 m地层弱胶结砂岩的部分岩芯，属白垩系下统志丹群伊金霍洛组，岩性以灰色粗、中、细粒砂岩及粉砂岩为主，夹薄层为褐红色泥岩、砂质泥岩等。为防止取心岩样风化，岩样取出后及时采用保鲜膜密封，如图1所示。按照标准和规程要求，在实验室内切割、打磨、加工成直径为50 mm、高为100 mm，且试样两端的平行度低于0.05 mm的标准圆柱体岩样。
图1 取样过程
Fig.1 Sample preparation process
利用综合自动矿物岩石学检测系统(Quantitative Evaluation of Minerals by Scanning electron microscopy，QEMSCAN)对不同粒度弱胶结砂岩进行电镜扫描，QEMSCAN可以对扫描电镜下的矿物进行定量分析，得到不同粒度弱胶结砂岩矿物成分占比图和矿物颗粒分布图，分别如图2，3所示。分析图2可得，不同粒度弱胶结砂岩的矿物成分相同，只是各种矿物成分的占比有差异，主要以方解石、石英、长石、云母等颗粒物质和绿泥石、伊利石、高岭石等泥质胶结物质经过沉积作用成岩。
图2 不同粒度弱胶结砂岩的矿物成分占比
Fig.2 Mineral composition of weakly cemented sandstone
with different particle sizes
由图3可以看出，弱胶结砂岩细观结构上颗粒的磨圆度较差，主要为泥质胶结。因此，在矿物成分相同的情况下，按照其矿物颗粒的大小分为弱胶结粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩;弱胶结粗粒砂岩粒径为0.50～0.25 mm，弱胶结中粒砂岩粒径为0.25～0.10 mm，弱胶结细粒砂岩粒径为0.10～0.01 mm。
1.2 试验设备及方法
本试验采用长春朝阳仪器有限公司生产的 GAW-2000型岩石刚性压缩试验机，其主要由压力机、DCS控制器和功率测试程序组成，具有闭环控制、恒定负载控制和负载保持功能。此外，液压油泵可达到2 000 kN的最大负荷，能够实现恒压、恒速、力与位移复合控制。试验全过程均采用变形控制方式，加载速率为0.006 mm/min。
本试验采用的AE仪器型号为PCI-2型，选用的AE传感器分别为R6α和R15α型谐振式高灵敏度传感器，前置放大增益40 dB，采样频率为 1 MSPS，门槛值为35 dB。试验过程中，使用胶带将AE传感器固定在岩样侧面，并在AE传感器与岩样接触面上涂抹适量凡士林，增强2者的耦合性，减少声发射信号的衰减。为保证各系统的数据在时间上严格对应，同步计时数据采集系统。试验设备与岩样安装，如图4所示。通过试验获得了弱胶结粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩各3个试样的力学加载与同步声发射监测试验数据，并从不同粒度的测试结果中分别合理选择一个具有代表性的测试数据进行分析说明。图5为不同粒度弱胶结砂岩破坏状态图。
图3 不同粒度弱胶结砂岩的矿物颗粒分布
Fig.3 Mineral particle distribution of weakly cemented sandstone with different particle sizes
图4 试验设备与岩样安装
Fig.4 Test equipment and rock sample installation
图5 不同粒度弱胶结砂岩破坏状态
Fig.5 Failure state of weakly cemented sandstone with
different grain sizes
2 单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩声发射基本特征参数分析
2.1 声发射振铃计数分析
声发射振铃是指在声发射波的时域图形上，换能器每震荡一次输出的一个脉冲，而AE振铃计数是AE波形信号中越过门槛值的震荡次数。图6为不同粒度弱胶结砂岩单轴压缩过程中应力与AE振铃计数随时间的变化曲线。
图6 不同粒度弱胶结砂岩应力-时间-AE振铃计数关系
Fig.6 Stress-time-AE ringing count relationship of weakly
cemented sandstone with different grain sizes
对比分析图6，在单轴加载全过程中弱胶结粗粒砂岩与中粒砂岩、细粒砂岩的AE振铃计数趋势特征存在较大的差异。弱胶结粗粒砂岩在孔隙压密阶段和线弹性阶段即出现大量的AE振铃计数;应力峰值强度后出现AE振铃计数峰值，表现出一定的滞后特征，但峰值振铃计数相对于全过程振铃计数变化不明显;弱胶结粗粒砂岩在达到应力峰值后，依然产生大量的AE振铃计数;弱胶结粗粒砂岩在初始压密阶段压缩明显，应力应变曲线呈现更为明显的下凹特征，主要是由于粗粒砂岩孔隙率较高，且胶结程度相对更低导致粗粒砂岩在初始阶段变形量较大，产生了相对较多的AE信号。相比较而言，弱胶结中粒砂岩、细粒砂岩的振铃计数峰值也出现滞后应力峰值的特征，但振铃计数相对全过程中的振铃计数出现明显的突增现象;达到峰值后基本无显著声发射再发生。随着弱胶结砂岩粒度的减小，岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显，AE振铃计数的峰值呈现数量级增加。
不同粒度的弱胶结砂岩AE累积振铃计数的变化趋势表现为一致性:在初始加密阶段和线弹性阶段AE累积振铃计数增长得相对较缓慢;在塑性变形破坏阶段AE累积振铃计数曲线出现增长拐点，此阶段内岩样发生非稳定破坏，裂纹迅速扩展、连通，因此AE累积振铃计数增长速度迅速增加;在达到应力峰值后，岩样发生失稳破坏，AE累积振铃计数以指数式增长并迅速达到峰值，这一点弱胶结细粒砂岩表现的更为突出。
2.2 声发射绝对能量分析
声发射绝对能量是声发射撞击信号能量的真实反映，能够反映岩石内部破裂发生的规模。图7为不同粒度弱胶结砂岩单轴压缩过程中应力与AE绝对能量随时间的变化曲线。
对比分析图7可以看出:不同粒度的弱胶结砂岩在单轴压缩的全过程中均伴随着能量的释放，其绝对能量的变化规律与图6中AE振铃计数的变化规律表现出一致性;不同粒度的弱胶结砂岩AE绝对能量峰值均在应力峰值后迅速增加，能量突然释放，AE绝对能量峰值较应力峰值出现滞后现象;弱胶结粗粒砂岩的AE绝对能量峰值为1.064×10-12 J，中粒砂岩的AE绝对能量峰值为1.602×10-11 J，细粒砂岩的AE绝对能量峰值为3.763×10-10 J，表现出随着弱胶结砂岩粒度的减小AE绝对能量峰值增加;弱胶结粗粒砂岩的AE绝对能量峰值相对于应力峰值强度之前释放的绝对能量变化不显著，相比而言，弱胶结细粒砂岩AE绝对能量峰值相对于应力峰值强度之前释放的绝对能量变化最为明显。
图7 不同粒度弱胶结砂岩应力-时间-AE绝对能量关系
Fig.7 Stress-time-AE absolute energy relationship of weakly
cemented sandstone with different grain sizes
弱胶结粗粒砂岩的AE累积绝对能量曲线从初始压密阶段、线弹性阶段、塑性变形破坏阶段到峰后阶段过程中表现出明显的台阶式跳跃规律，从全过程来看发生了3次阶跃现象;而弱胶结细粒砂岩的AE累积绝对能量曲线，从全过程来看，只在岩样峰后阶段发生了一次明显的阶跃现象;弱胶结中粒砂岩AE累积绝对能量曲线变化规律介于粗粒砂岩和细粒砂岩的规律之间。弱胶结砂岩AE累积绝对能量均在峰后迅速增加，达到应力峰值时岩样内部裂纹迅速贯通，出现滑移等结构性失稳破坏，能量大量释放，导致了累积能量的迅速增加。这说明随着弱胶结砂岩粒度的减小，弱胶结砂岩胶结程度更高，岩样在加载过程中能量集聚效应更加明显，岩样的自蓄能能力更强。
3 单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩声发射特征参数之间分布特征的差异性
声发射信号参数分布分析方法是将声发射信号特征参数值进行统计分布分析。笔者采用分布图进行分析，纵轴选用AE振铃计数，横轴选用AE绝对能量、振幅、持续时间。分布分析能够发现声发射源的特征，鉴别声发射源、评价声发射源的强度，从而达到判识和预测地层不同岩性的破裂状态。
3.1 声发射绝对能量与振铃计数之间的分布特征
图8为不同粒度弱胶结砂岩AE绝对能量与振铃计数分布图。
图8 弱胶结砂岩AE绝对能量与振铃计数分布
Fig.8 AE absolute energy and ringing count distribution of
weakly cemented sandstone
不同粒度弱胶结砂岩在相同的AE绝对能量区间内振铃计数表现出明显的差异性，呈现分散又集中现象:弱胶结粗粒砂岩和中粒砂岩AE绝对能量整体呈现Λ型分布规律，分别主要集中在(1～5)×10-17 J和(2～5)×10-16 J;细粒砂岩AE绝对能量的分布整体呈现近U型规律，主要集中在(2～5)×10-16 J和(1～5)×10-12 J;对比分析发现，弱胶结粗粒砂岩AE绝对能量主要在低能量区间，而细粒砂岩在高能量区间依然发生大量的AE振铃计数。
3.2 声发射幅值与振铃计数之间的分布特征
AE幅值与事件大小有直接的关系，且不受门槛的影响，直接决定了AE事件的可测性。声发射信号波形的最大振幅值通常采用dB表示。图9为不同粒度弱胶结砂岩AE振幅与振铃计数分布图。
图9 弱胶结砂岩AE振幅与振铃计数分布
Fig.9 AE amplitude and ringing count distribution of weakly
cemented sandstone
通过图9对比分析可以看出，不同粒度的弱胶结粗粒砂岩的AE幅值分布主要集中在40～50 dB;而中粒砂岩和细粒砂岩的AE幅值除了主要集中在40～50 dB外，在≥70 dB幅值范围内仍然有大量的AE振铃计数发生;值的注意的是在细粒砂岩的AE幅值在100 dB时，依然有大量的AE振铃计数发生;说明尽管弱胶结砂岩损伤破裂过程中以小尺度裂纹扩展[26]，但是随着弱胶结砂岩粒度的减小，试样内部裂纹连接、贯通时释放出更强的声发射信号，此现象与AE释放的绝对能量演化相匹配;因此，可以通过高幅值时对应的AE振铃计数来判识波源类型。
3.3 声发射持续时间与振铃计数之间的分布特征
AE持续时间是信号第1次越过门限至最终降至门限所经历的时间间隔，是鉴别岩石材料波源类型的重要参数之一。 图10为不同粒度弱胶结砂岩AE持续时间与振铃计数分布图。
图10 弱胶结砂岩AE持续时间与振铃计数分布
Fig.10 AE duration and ring count distribution of weakly
cemented sandstone
由图10可以看出，弱胶结粗粒砂岩与中粒砂岩AE持续时间为100～500 μs的振铃计数最多，弱胶结细粒砂岩持续时间为8×104～105 μs的振铃计数最多。同时，弱胶结砂岩的持续时间分布呈现分散又集中现象，表现为:弱胶结粗粒砂岩主要为持续时间低于1 000 μs的振铃;弱胶结中粒砂岩与粗粒砂岩相比，持续时间为0～5×103 μs和8×104～105 μs的振铃计数较多，且相同持续时间内中粒砂岩的振铃计数明显高于粗粒砂岩的振铃计数;弱胶结细粒砂岩的AE信号在持续时间8×104～105 μs的振铃计数最多。随着弱胶结砂岩粒度的减小，持续时间为8×104～105 μs内AE振铃计数增加，AE信号出现更长的持续时间，AE信号强度更强。
4 不同粒度弱胶结砂岩破裂前AE信号峰频特征分析
本次试验中对单轴压缩中的不同粒度弱胶结砂岩的全过程声发射检测均采用低频、高频2个声发射通道进行数据采集，保障了试验过程汇总可以采集到更高频或者更低频的信号。将低频、高频两通道信号进行整合，形成宽频的AE事件信号峰频、时间、应力关系图，如图11所示;同时，对不同粒度弱胶结砂岩应力峰值前的AE信号峰频与峰频累积计数进行统计处理，得到岩样应力峰值前AE峰频分布图，如图12所示。
图11 不同粒度弱胶结砂岩应力-时间-AE信号峰频关系
Fig.11 Stress-time-AE signal peak-frequency relationship of
weakly cemented sandstone with different grain sizes
图12 不同粒度弱胶结砂岩应力峰前AE峰频分布
Fig.12 Peak distribution of AE peaks before stress peaks of
weakly cemented sandstones with different grain sizes
由图11可以看出，弱胶结在初始压密阶段和线弹性阶段AE峰值频率主要集中在40～50 kHz和145～155 kHz两个频段。随着应力进一步的增加，在塑性变形破坏阶段，弱胶结粗粒砂岩AE峰频开始向更高和更低频段转化，呈现出10～20，40～50，90～100，145～155，275～285 kHz 5个频段，而弱胶结中粒砂岩和细粒砂岩AE峰频呈现10～20，40～50，90～100，145～155 kHz 4个频段，AE峰频频段这种分布特征一直持续到岩样应力峰后阶段。
结合图11和12可以看出，在弱胶结砂岩达到应力峰前阶段，粗粒砂岩AE峰频出现更高频率(275～285 kHz)，而中粒砂岩和细粒砂岩AE峰频低于155 kHz;弱胶结细粒砂岩在线弹性阶段的一开始便大量产生更低频段(10～20 kHz)，这一点要早于粗粒砂岩和中粒砂岩，且更低频的累积计数大于粗粒砂岩和中粒砂岩的累积计数;弱胶结中粒砂岩在40～50 kHz和145～155 kHz两个主频段的AE峰值频率的累计计数最大。
通过以上对弱胶结砂岩应力峰值前的AE峰频特征分析，可以得到:
(1)单轴压缩试验中，弱胶结砂岩在初始压密阶段AE峰频主要分布在40～50 kHz和145～155 kHz两个频段;当进入线弹性阶段时，弱胶结细粒砂岩率先出现更低频段(10～20 kHz)。
(2)当进入塑性变形阶段时，此时岩样发生非稳定破裂，岩样内部裂纹快速发展、贯通，迅速达到岩样的峰值强度，在此阶段内弱胶结粗粒砂岩AE峰频出现更高频(275～285 kHz)，AE峰频频段演化为5个主频段，而此阶段内弱胶结中粒砂岩、细粒砂岩的AE峰频频段演化为4个主频段。
(3)弱胶结中粒砂岩在40～50 kHz和145～155 kHz两个主频段的AE峰频累积计数最大，细粒砂岩在两个主频段的AE峰频累积计数次之。
综合上述分析，单轴压缩下弱胶结砂岩AE峰频主频段随应力的演化特征，可以作为不同粒度弱胶结砂岩AE信号源和岩样临界破裂前兆信息准确判识的有效方法。具体言之，当岩样AE峰值频率由2个主频演化为4个或5个频段时，表明岩样进入塑性变形阶段，岩样处于临界破坏状态;当AE峰频出现更高频段(275～285 kHz)，可以判定为粗粒砂岩的AE信号源;当AE峰频在两个主频段(40～50和145～155 kHz)累积计数最大的，可以判定为中粒砂岩的AE信号源;当岩样率先出现更低频段(10～20 kHz)，且AE更低频的累积计数较大时，可判定为细粒砂岩AE信号源。
5 结 论
(1)不同粒度的弱胶结砂岩AE累积振铃计数的变化趋势表现出一致性，在塑性变形阶段AE累积振铃计数曲线出现增长拐点，随后以指数式增长并迅速达到峰值;弱胶结粗粒砂岩在孔隙压密阶段和线弹性阶段即出现大量的AE振铃计数，峰值振铃计数相对于全过程振铃计数变化不明显，而中粒砂岩和细粒砂岩表现为AE振铃计数突增现象;随着弱胶结砂岩粒度的减小，岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显，AE振铃计数的峰值呈现数量级增加。
(2)随着弱胶结砂岩粒度的减小AE绝对能量峰值增加;弱胶结粗粒砂岩的AE累积绝对能量曲线从全应力应变过程中表现出明显的3次阶跃现象，而弱胶结细粒砂岩的AE累积绝对能量仅发生一次显著的阶跃现象;随着弱胶结砂岩粒度的减小，弱胶结砂岩胶结程度更高，岩样在加载过程中能量集聚效应更加明显，岩样的自蓄能能力更强。
(3)弱胶结粗粒砂岩AE绝对能量主要在低能量区间((1～5)×10-17 J)，而细粒砂岩AE绝对能量却在高能量区间(10-12 J～+∞)依然发生大量的AE振铃计数;随着弱胶结砂岩粒度的减小，岩样在单轴压缩过程中产生更高的AE幅值，更长的AE持续时间。
(4)AE信号峰频随应力的演化特征可以作为不同粒度弱胶结砂岩AE信号源和岩样临界破裂前兆信息准确判识的有效方法。单轴压缩下岩样AE峰值频率由2个主频演化为4个或5个频段时，表明岩样进入塑性变形阶段，处于临界破坏状态;当进入线弹性阶段时，弱胶结细粒砂岩率 先出现更低频段(10～20 kHz)，当进入塑性变形阶段时，弱胶结粗粒砂岩AE峰频出现更高频(275～285 kHz)，AE峰频主频段演化为5个主频段;弱胶结中粒砂岩在达到应力峰值前，在2个主频段(40～50，145～155 kHz)累积计数最大。
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