巖石作為天然多孔材料，其物理力學(xué)性質(zhì)受礦物成分、含量、尺寸、排列及孔隙結(jié)構(gòu)等多種因素影響。在地質(zhì)工程中，常遇到名稱相同但力學(xué)性質(zhì)差異顯著的巖層，以砂巖最為典型。因此，為確保工程安全，研究砂巖的礦物特征與孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)其力學(xué)性能、破壞機(jī)制及聲發(fā)射（AE）信號(hào)的影響至關(guān)重要。聲發(fā)射是巖石在外部荷載下通過瞬時(shí)彈性波釋放局部應(yīng)變能的過程，蘊(yùn)含了巖石內(nèi)部損傷過程的關(guān)鍵信息，被廣泛應(yīng)用于巖石力學(xué)研究。然而，現(xiàn)有研究在探討礦物含量和孔隙結(jié)構(gòu)共同對(duì)砂巖力學(xué)性能、破壞機(jī)制及AE特性的影響方面相對(duì)有限。為填補(bǔ)此空白，本研究對(duì)五種中粒砂巖開展單軸壓縮下的AE實(shí)驗(yàn)，結(jié)合NMR和SEM技術(shù)，系統(tǒng)分析礦物含量和孔隙結(jié)構(gòu)的影響，并利用分形理論、RA（rise time/amplitude）與AF（average frequency）參數(shù)及主頻信號(hào)特征，探究砂巖內(nèi)部微觀裂紋演化與破壞模式的復(fù)雜性。

研究所用砂巖試樣采自中國(guó)兩個(gè)不同的地層單元，分別為湖南吉首中泥盆統(tǒng)跳馬澗組（D₂t）和四川雅安上三疊統(tǒng)須家河組（T₃xj）。所有樣品均按國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）建議標(biāo)準(zhǔn)加工成直徑50毫米、高100毫米的標(biāo)準(zhǔn)圓柱試樣。測(cè)試設(shè)備包括偏光顯微鏡（用于薄片巖相鑒定）、核磁共振分析儀（MacroMR12–150H–I，用于孔隙結(jié)構(gòu)分析）、WAW-1000 kN電液伺服試驗(yàn)機(jī)（用于單軸壓縮試驗(yàn)）、PCI-2數(shù)字聲發(fā)射系統(tǒng)（用于AE監(jiān)測(cè)）以及COXEM EM-30掃描電鏡（用于破壞后斷面形貌觀察）。根據(jù)孔隙結(jié)構(gòu)特征，將砂巖分為高孔隙度（1號(hào)和2號(hào)巖樣）和低孔隙度（3-5號(hào)巖樣）兩組，其中3-5號(hào)巖樣用于分析不同礦物含量的影響。

薄片鑒定表明，砂巖礦物組成基本相似，主要由長(zhǎng)石、石英、云母、硅質(zhì)巖屑和泥質(zhì)巖屑構(gòu)成。長(zhǎng)石和石英含量最高，長(zhǎng)石百分比在25-62%之間，石英百分比在22-70%之間，礦物粒徑范圍均為0.1-0.5毫米。因此，本實(shí)驗(yàn)不考慮礦物成分和粒徑對(duì)結(jié)果的影響。

通過核磁共振T₂譜分析，砂巖孔隙度在7.26%至13.2%之間。T₂譜呈典型“三峰”分布，對(duì)應(yīng)砂巖中的微孔、中孔和大孔。其中，第一峰和第二峰面積之和超過99.1%，表明微孔和中孔構(gòu)成了砂巖孔隙的主體。例如，1號(hào)巖樣的中孔比例高達(dá)73.3%，主導(dǎo)了其孔隙結(jié)構(gòu)。

砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度（Uniaxial Compressive Strength, UCS）和彈性模量（Elastic Modulus, E）受礦物含量和孔隙結(jié)構(gòu)的共同控制。當(dāng)砂巖礦物含量相似時(shí)（如1-3號(hào)樣），其UCS和E與孔隙度呈負(fù)相關(guān)，并受中孔比例的影響。孔隙度越高、中孔比例越大，礦物顆粒間的粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角越弱，導(dǎo)致UCS和E降低。當(dāng)砂巖孔隙結(jié)構(gòu)相似時(shí)（如3-5號(hào)樣），其UCS和E與長(zhǎng)石及其他附屬礦物含量呈正相關(guān)，與石英含量呈相反趨勢(shì)。這可以從微觀力學(xué)角度解釋：長(zhǎng)石等礦物通過增強(qiáng)顆粒間粘結(jié)和載荷傳遞來提高砂巖骨架穩(wěn)定性，而石英雖然強(qiáng)度高，但其更大的脆性和棱角形態(tài)易在加載下誘發(fā)局部應(yīng)力集中和微裂紋萌生，從而降低整體強(qiáng)度。

宏觀破壞模式存在顯著差異：1號(hào)巖樣表現(xiàn)為以多條垂直裂紋為主的拉伸破壞模式，而2-5號(hào)巖樣均表現(xiàn)為以剪切滑移破裂面為主的剪切破壞模式。結(jié)合SEM斷口形貌分析發(fā)現(xiàn)，1號(hào)巖樣以膠結(jié)物質(zhì)的破壞為主，伴有部分晶體斷裂；而2-5號(hào)巖樣穿晶斷裂（Transgranular cracking, TG）明顯增多，晶體斷裂占主導(dǎo)。1號(hào)巖樣獨(dú)特的拉伸破壞模式與其高達(dá)73.3%的中孔比例有關(guān)，過多的中孔削弱了礦物顆粒間相互作用，使應(yīng)力更易在中孔周圍集中，誘發(fā)微裂紋產(chǎn)生，并在擴(kuò)展時(shí)不易遇到石英等致密顆粒，從而呈線性延伸，最終表現(xiàn)為拉伸破壞。

AE能量直接反映了內(nèi)部微裂紋活動(dòng)的強(qiáng)度。高孔隙度砂巖（1、2號(hào)）在整個(gè)加載過程中產(chǎn)生大量AE能量信號(hào)，且累積AE能量峰值滯后于應(yīng)力峰值。這是因?yàn)楦呖紫抖壬皫r更易變形，AE信號(hào)活躍；峰值應(yīng)力時(shí)礦物顆粒間的摩擦和微裂紋閉合抑制了宏觀裂紋擴(kuò)展，使試樣在較高應(yīng)力下保持相對(duì)完整，應(yīng)力調(diào)整后裂紋才迅速擴(kuò)展貫通，導(dǎo)致累積AE能量驟增。低孔隙度砂巖（3-5號(hào)）的AE能量與累積AE能量曲線呈現(xiàn)一致的三階段特征：初始?jí)簩?shí)階段（A）、靜止階段（B）和爆發(fā)階段（C）。礦物含量對(duì)AE能量曲線特征無(wú)顯著影響。破壞時(shí)，低孔隙度砂巖（3號(hào)）的累積AE能量高于礦物含量相似的高孔隙度砂巖（2號(hào)），其根本原因在于不同的微觀斷裂機(jī)制（晶體斷裂增多）以及低孔隙度砂巖更高的膠結(jié)程度和自約束能力。

采用G·P關(guān)聯(lián)維算法計(jì)算了AE能量的分形維數(shù)（Fractal Dimension, D）。D值的演化可分為兩種模式：持續(xù)下降型（1號(hào)巖樣）和持續(xù)波動(dòng)型（2-5號(hào)巖樣）。D值的增減通常意味著巖石內(nèi)部結(jié)構(gòu)有序性的增強(qiáng)或減弱。1號(hào)巖樣D值持續(xù)下降，與其破壞以膠結(jié)物質(zhì)破裂為主、AE能量釋放相對(duì)有序有關(guān)。2-5號(hào)巖樣D值持續(xù)波動(dòng)，則反映了晶體斷裂和破碎增多導(dǎo)致應(yīng)力不斷調(diào)整，AE能量釋放呈混沌無(wú)序狀態(tài)。因此，AE能量的分形特征直接受砂巖斷裂機(jī)制影響，斷口形貌特征可用于推斷D值的變化規(guī)律。

通過上升時(shí)間與振幅比（RA）和平均頻率（AF）參數(shù)對(duì)裂紋進(jìn)行定量分析。結(jié)果顯示，不同砂巖的RA和AF分布范圍基本一致。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，1號(hào)巖樣拉伸裂紋比例較高（73.08%），而2-5號(hào)巖樣均以剪切裂紋為主（比例在68.32%-73.84%之間）。RA-AF裂紋分類統(tǒng)計(jì)結(jié)果與宏觀破壞特征一致。在加載過程中，拉伸和剪切裂紋同時(shí)出現(xiàn)，但在不穩(wěn)定破壞階段兩者數(shù)量均急劇增加。值得注意的是，與剪切裂紋相對(duì)應(yīng)的累積AE能量始終占主導(dǎo)地位（比例在77.01%-78.55%之間），這與剪切應(yīng)力導(dǎo)致礦物顆粒相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生摩擦和變形，從而釋放更高能量有關(guān)。裂紋演化特征的差異與孔隙結(jié)構(gòu)相關(guān)：1號(hào)巖樣拉伸裂紋顯著多于2-5號(hào)巖樣，可歸因于其高比例的中孔削弱了膠結(jié)性能，使壓力誘發(fā)的微裂紋更易擴(kuò)展為拉伸裂紋。礦物含量則不影響砂巖的微觀裂紋演化模式。

通過對(duì)AE原始波形數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform, FFT）獲取主頻。不同砂巖的主頻分布在三個(gè)區(qū)間：低頻（0–20 kHz）、中頻（20–60 kHz，2號(hào)巖樣為20-80 kHz）和高頻（60–160 kHz）。根據(jù)高頻信號(hào)分布特征可分為兩類：加載初期高頻缺失型（1、2號(hào)巖樣）和加載初期高頻離散型（3-5號(hào)巖樣）。主頻的分布和演化與孔隙度相關(guān)，反映了裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。高孔隙度砂巖早期僅見低、中頻信號(hào)，高頻信號(hào)在第二階段才出現(xiàn)，表明其早期內(nèi)部斷裂模式相對(duì)簡(jiǎn)單。低孔隙度砂巖在壓實(shí)階段即出現(xiàn)全部三個(gè)頻段的信號(hào)，表明其早期內(nèi)部斷裂模式更復(fù)雜。所有砂巖在發(fā)生宏觀破壞時(shí)，低、中、高頻的累積信號(hào)均出現(xiàn)密集增長(zhǎng)并達(dá)到峰值，呈現(xiàn)出“三頻協(xié)同增長(zhǎng)現(xiàn)象”，這是砂巖破壞固有的AE特征，與礦物含量和孔隙結(jié)構(gòu)特性無(wú)關(guān)。這種現(xiàn)象源于破壞時(shí)內(nèi)部裂紋擴(kuò)展貫通形成宏觀破裂面，斷裂模式變得極為復(fù)雜。

本研究通過對(duì)五種中粒砂巖開展單軸壓縮聲發(fā)射測(cè)試，結(jié)合NMR與SEM技術(shù)，系統(tǒng)分析了礦物含量、孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)砂巖力學(xué)性能及AE特性的影響，主要結(jié)論如下：

(1) 砂巖的力學(xué)性能（UCS和E）受礦物學(xué)和孔隙結(jié)構(gòu)的雙重控制，與長(zhǎng)石及附屬礦物含量呈正相關(guān)，與石英含量呈負(fù)相關(guān)，同時(shí)與孔隙度及中孔比例呈負(fù)相關(guān)。

(2) AE能量與累積能量的時(shí)間演化是損傷過程的特征標(biāo)志。高孔隙度砂巖表現(xiàn)為持續(xù)的AE活動(dòng)及峰后能量釋放；低孔隙度砂巖則呈現(xiàn)壓實(shí)、靜止、爆發(fā)的三相模式。

(3) 基于RA-AF值的裂紋類型分析與宏觀破壞模式一致，并顯示出對(duì)孔隙結(jié)構(gòu)的依賴性。高中孔比例的砂巖以拉伸裂紋為主，孔隙分布更均勻的試樣則以剪切裂紋為主。與剪切裂紋相關(guān)的累積AE能量始終更高，凸顯了破壞過程中摩擦滑動(dòng)和晶界相互作用的關(guān)鍵作用。

(4) AE主頻的分布和演化與孔隙度內(nèi)在相關(guān)，反映了裂隙網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。高孔隙度砂巖早期高頻信號(hào)的缺失與低孔隙度砂巖早期高頻信號(hào)的離散分布形成對(duì)比。宏觀破壞時(shí)普遍存在的“三頻協(xié)同增長(zhǎng)現(xiàn)象”是與礦物學(xué)變化無(wú)關(guān)的基本AE破裂特征。