高溫后節(jié)理砂巖強度及變形破壞特性

李慶森,楊圣奇,陳國飛

(中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州 221008)

高溫后節(jié)理砂巖強度及變形破壞特性

李慶森,楊圣奇,陳國飛

(中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室,江蘇徐州 221008)

利用單軸壓縮試驗對經(jīng)歷不同溫度后節(jié)理砂巖的物理力學性質(zhì)進行分析研究,得出了關(guān)于節(jié)理砂巖高溫后應力－應變曲線、峰值強度、峰值應變及彈性模量等參數(shù)隨溫度的變化規(guī)律。同時利用聲發(fā)射儀器監(jiān)測巖石壓縮過程中的聲發(fā)射分布特征,探討不同溫度對于變形破壞機理的影響。分析結(jié)果表明:溫度對于節(jié)理砂巖性質(zhì)的影響是多方面的。當經(jīng)歷溫度較低時,溫度對于節(jié)理砂巖性質(zhì)的增強效果大于削弱效果;而當溫度較高時,則反之。400℃為試驗的溫度閾值。在400℃前后,節(jié)理砂巖的峰值強度、峰值應變、彈性模量等均呈現(xiàn)不同的變化趨勢。節(jié)理砂巖經(jīng)歷高溫后,產(chǎn)生的裂紋主要分布在節(jié)理附近,且經(jīng)單軸壓縮破壞后,裂隙同樣主要沿節(jié)理分布,受熱后,巖石的破壞模式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變。

高溫后;節(jié)理砂巖;物理力學性質(zhì)

隨著煤礦地下工程向深部發(fā)展,出現(xiàn)了越來越多的涉及到高溫后巖石物理力學特性問題[1－4],如礦山瓦斯爆炸、巖石工程火災后重建等。由于砂巖具有其獨特的物理力學性質(zhì),國內(nèi)外眾多學者針對砂巖高溫后的物理力學性質(zhì)進行了研究。左建平、蘇承東等[5－8]認為溫度對砂巖的作用結(jié)果與砂巖的礦物組成、礦物形狀、熱膨脹不均等多方面因素有關(guān)。溫度對試樣的力學特性的影響包括兩種形式:一是溫度增高產(chǎn)生熱熔變形使原始裂隙愈合增強巖樣力學特性;二是溫度變化在巖樣內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)熱應力,使試樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋,降低試樣承載能力和抗變形能力。溫度越高,砂巖熱損傷越明顯。熱開裂分布具有隨機性。趙奎、康志強等[9－11]研究分析了砂巖受力過程中的聲發(fā)射參數(shù)特征及時間特征,認為砂巖的聲發(fā)射特性與加載方式有關(guān),研究表明不同巖樣在加載過程中的聲發(fā)射率與聲發(fā)射能量參數(shù)呈正比關(guān)系,并且最終得到不同巖樣的巖石應力－應變曲線與聲發(fā)射特性之間的規(guī)律。上述研究并沒有考慮節(jié)理對巖石性質(zhì)的影響,節(jié)理是影響巖石力學性能的重要因素之一。王在泉、夏才初、陳新等[12－14]從多方面對節(jié)理巖石進行了分析研究,研究表明節(jié)理巖石破壞形式有兩種:穿切節(jié)理面和沿節(jié)理面破壞;節(jié)理巖石的變形特性與應力路徑有關(guān);節(jié)理連通率越大,巖石延性越強,連通率相同時,巖石強度在節(jié)理傾角為90°時最大。

研究不同類型的巖石高溫后的力學特性很有必要。本文通過節(jié)理砂巖的單軸壓縮試驗,研究節(jié)理砂巖在經(jīng)歷20～800℃各溫度段的強度及變形特性,探討高溫對砂巖峰值強度、峰值應變、彈性模量等的影響,并從巖石內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)變化及組成成分討論砂巖在高溫作用下的破壞機理,同時利用聲發(fā)射儀器監(jiān)測巖石壓縮過程中的聲發(fā)射現(xiàn)象,探討不同溫度對于節(jié)理砂巖變形破壞機理的影響。

1 試樣及試驗方法

1.1 節(jié)理砂巖

巖樣取自興安煤礦,興安礦地層有大量泥巖、礫巖、砂巖,且節(jié)理裂隙極其發(fā)育。所取節(jié)理砂巖(圖1)呈暗灰色,有黑色連續(xù)節(jié)理。試樣為標準圓柱體,規(guī)格?50 mm×100 mm。經(jīng)XRD衍射分析可知,在節(jié)理砂巖中成分最多的為高嶺石,約占總質(zhì)量的37%;其次為石英,約占總質(zhì)量的23%;長石、伊/蒙混層、伊利石所占比例近似,分別為總質(zhì)量的11%,10%, 8%;另外在節(jié)理砂巖中還含有少量的綠泥石和菱鐵礦和其他成分,共占11%。巖石共10個試樣,按照MS1－MS10依次編號。試樣按照20,200,400,600, 800℃分組,每組溫度下2個巖樣?？紤]節(jié)理自身的性質(zhì)如節(jié)理傾角、節(jié)理數(shù)目等對巖石性質(zhì)的影響,試驗巖樣中節(jié)理傾角均大于75°,主要節(jié)理數(shù)目均小于2條,以盡量減少節(jié)理自身對試驗結(jié)果的影響。

圖1 節(jié)理砂巖Fig.1 Joint sandstone

1.2 試驗方法

試驗共分兩步:一是巖樣加溫,二是單軸壓縮試驗。巖樣加溫過程:將巖樣采用20℃/min的加溫速度加熱至預定溫度,然后恒溫2 h,使巖樣受熱充分,打開加溫儀器,使巖樣自然冷卻,取出巖樣,所得巖樣用于巖石單軸壓縮試驗。巖樣單軸壓縮試驗過程:采用位移控制,0.2 mm/min的加載速率勻速加載,直至巖樣失去承載力,停止加載。在壓縮過程中同時利用聲發(fā)射儀器監(jiān)測巖石壓縮產(chǎn)生的聲發(fā)射信號。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 節(jié)理砂巖經(jīng)歷不同溫度后的微觀變化

圖2為節(jié)理砂巖經(jīng)歷不同溫度后的微觀結(jié)構(gòu),通過圖2可以看出,在常溫下試驗中的節(jié)理砂巖整體呈青灰色,表面有鐵銹色及深青色斑狀區(qū)域,經(jīng)不同溫度處理后,節(jié)理砂巖表面顏色隨著溫度的增加而變淺,整體上青灰色轉(zhuǎn)為灰白色,深青色斑狀區(qū)域逐漸消失,有黑色點狀物質(zhì)產(chǎn)生,鐵銹色分布逐漸均勻。當溫度達到600℃時,巖石表面有少量裂紋生成,溫度到達800℃時,巖石表面有裂紋產(chǎn)生,且裂紋主要集中在節(jié)理附近,沿節(jié)理方向分布?；趫D2分析,在微觀上,高溫作用使砂巖顆粒產(chǎn)生不均勻膨脹,砂巖內(nèi)部結(jié)構(gòu)及組成成分都有一定程度的改變,并且,節(jié)理處為節(jié)理砂巖的溫度薄弱區(qū)域,靠近節(jié)理處的砂巖最先受高溫破壞。

2.2 節(jié)理砂巖單軸壓縮全應力-應變曲線

試驗得到了節(jié)理砂巖完整的應力－應變曲線,如圖3所示。經(jīng)歷不同溫度作用后節(jié)理砂巖的應力－應變曲線大致經(jīng)歷了4個階段:壓密階段、彈性階段、塑性變形階段、破壞階段。對比不同溫度作用下節(jié)理砂巖應力－應變曲線可以得出:經(jīng)歷的溫度較低時,節(jié)理砂巖應力－應變曲線變化規(guī)律基本類似,節(jié)理砂巖應力應變的變化受溫度影響較小;經(jīng)歷的溫度超過400℃后,節(jié)理砂巖應力－應變?nèi)^程曲線開始發(fā)生較大變化,這可能是由于加溫導致巖石性質(zhì)發(fā)生改變產(chǎn)生的,詳細的變化規(guī)律將在下面進行討論。

圖2 不同溫度后節(jié)理砂巖微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of joint sandstone after different temperatures

圖3 經(jīng)歷不同溫度后節(jié)理砂巖應力－應變曲線Fig.3 Axial stress-strain curves of joint sandstone after different temperatures

2.3 溫度對節(jié)理砂巖峰值強度的影響

高溫后節(jié)理砂巖的峰值強度與溫度的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知,節(jié)理砂巖經(jīng)歷的溫度低于200℃時,隨受熱溫度的升高,峰值強度變化不大;而當經(jīng)歷溫度在200～400℃時,峰值強度隨受熱溫度的升高而升高,當經(jīng)歷400℃高溫時,節(jié)理砂巖平均峰值強度由常溫時的72 MPa升至85 MPa,增加18%。在400～600℃,節(jié)理砂巖平均峰值強度隨受熱溫度的升高而降低,在約600℃時,其強度與常溫時較為接近。經(jīng)歷800℃高溫后,節(jié)理砂巖平均強度由常溫時的72 MPa下降到61 MPa,損失約15%。溫度超過400℃,峰值強度與溫度呈負相關(guān)關(guān)系。在600℃時同組巖樣峰值強度差異較大,經(jīng)觀察,這組巖樣節(jié)理傾角約相差15°,差異應是由節(jié)理傾角差異性所造成的。

圖4 強度與溫度關(guān)系曲線Fig.4 Strength and temperature curve

2.4 溫度對節(jié)理砂巖峰值應變的影響

節(jié)理砂巖峰值應變與溫度的關(guān)系如圖5所示,由圖5可以看出,高溫后節(jié)理巖石的峰值應變與常溫相比發(fā)生了明顯的變化。節(jié)理砂巖經(jīng)歷高溫后,峰值應力隨受熱溫度的升高先升后降然后再升,但總體上都要大于常溫的峰值應變;經(jīng)歷200,400,600,800℃高溫后,節(jié)理砂巖平均峰值應變分別增加了15.0%, 10.8%,44.0%,51.1%。溫度超過400℃后,峰值應變隨溫度升高而急劇變化,兩者呈正相關(guān)。

圖5 峰值應變與溫度的關(guān)系曲線Fig.5 Peak strain and temperature curve

2.5 溫度對節(jié)理砂巖彈性模量的影響

圖6為節(jié)理砂巖彈性模量與溫度之間的關(guān)系曲線。節(jié)理砂巖經(jīng)歷高溫后,彈性模量呈先降低后升高再降低的非線性變化趨勢,且在400℃時出現(xiàn)極大值;經(jīng)歷溫度為400℃時,彈性模量數(shù)值與常溫相近。經(jīng)歷溫度超過400℃后,數(shù)值急劇下降,且基本呈線性,經(jīng)歷800℃時,彈性模量由常溫時的10.37 GPa下降至4.71 GPa,損失了55%。

圖6 彈性模量與溫度的關(guān)系曲線Fig.6 Elastic modulus and temperature curve

3 高溫后節(jié)理砂巖聲發(fā)射特性

圖7為不同溫度條件下砂巖聲發(fā)射振鈴計數(shù)及應力與時間關(guān)系曲線。聲發(fā)射過程中伴隨著能量的釋放,試驗中得到的能量與時間的關(guān)系曲線與振鈴計數(shù)幾乎一致,故在此處將能量與振鈴計數(shù)合并討論。

圖7 振鈴計數(shù)及應力與時間曲線Fig.7 Curves of AE count and stress with time

溫度在常溫至200℃,節(jié)理砂巖的聲發(fā)射振鈴計數(shù)變化情況不大。聲發(fā)射振鈴計數(shù)的變化規(guī)律與應力－應變曲線規(guī)律相互對應。在巖石初始壓密階段及塑性變形階段,沒有或僅有少量聲發(fā)射信號產(chǎn)生,這些信號主要是由巖石顆粒相互滑移或微裂紋閉合產(chǎn)生。當接近屈服強度時,巖石內(nèi)部開始出現(xiàn)新的微裂紋,在薄弱處率先出現(xiàn)較多的聲發(fā)射信號,直到巖樣出現(xiàn)較大破壞而出現(xiàn)聲發(fā)射信號峰值,巖樣破壞后,聲發(fā)射事件迅速減少,在峰值應力后,聲發(fā)射基本趨于平靜。

在溫度為400℃時,節(jié)理砂巖聲發(fā)射現(xiàn)象出現(xiàn)了較大的變化。節(jié)理砂巖在加載初期處于較低的應力水平下,由于溫度的作用,一些原始裂紋已經(jīng)閉合,在此階段,產(chǎn)生的振鈴計數(shù)信號減少。當應力增加到峰值強度約60%時,應力時間曲線出現(xiàn)一次波動,這在聲發(fā)射振鈴計數(shù)與時間關(guān)系圖上體現(xiàn)為一次大的聲發(fā)射信號峰值出現(xiàn)。此時,巖石內(nèi)部必然出現(xiàn)了一次大的破裂,導致大量的聲發(fā)射事件的發(fā)生,此時同樣伴隨著大量能量的釋放。在接下來的一段時間里,聲發(fā)射事件數(shù)又趨于平靜,之前累積的能量在前一次的破裂中釋放出來。在接近峰值強度時,砂巖聲發(fā)射信號增多,接著伴隨著再一次出現(xiàn)大范圍破裂,產(chǎn)生第2個聲發(fā)射峰值,對應的應力驟然下降。當巖石達到峰值應力,巖樣破壞,此時釋放出來的聲發(fā)射信號沒有前兩次的劇烈,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是:在應力達到峰值強度之前的兩次破裂釋放出了大量累積的能量,且新的能量還未累計到足夠大,巖石就被徹底破壞。節(jié)理砂巖達到峰值強度后,導致試樣失穩(wěn)破壞的主裂紋已經(jīng)形成,沒有再產(chǎn)生新的大裂紋,此時產(chǎn)生較少的聲發(fā)射信號。

600℃時節(jié)理砂巖聲發(fā)射信號波動更加明顯。在應力－時間曲線上有3次大的折點,都對應著聲發(fā)射振鈴計數(shù)峰值。巖石的峰值應力出現(xiàn)在第2次折點處,但是聲發(fā)射信號最大峰值出現(xiàn)在第3次折點處。在第2次破裂之后,巖樣內(nèi)部縫隙重新咬合,內(nèi)部組成新的結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)所能承受的最大應力取決于兩點:巖石的抗壓強度和結(jié)構(gòu)自身強度的最小值。當應力繼續(xù)增加時,巖石尚未達到其抗壓強度,結(jié)構(gòu)首先被破壞,故出現(xiàn)了最終破裂應力小于峰值應力的情況。

當加溫溫度為800℃時,節(jié)理砂巖表現(xiàn)出從開始大規(guī)模出現(xiàn)聲發(fā)射信號至應力峰值前產(chǎn)生的聲發(fā)射頻率更加均勻。這是由于高溫使節(jié)理砂巖內(nèi)部組成發(fā)生變化,礦物成分重組,更加均質(zhì)。巖石不是由一條主裂隙迅速擴張突然失穩(wěn),而是最軟弱的裂紋首先破壞,產(chǎn)生較大的裂紋,之后不斷有微裂紋發(fā)展為大裂隙,并伴隨著大量的聲發(fā)射信號,但是此時巖石的主體結(jié)構(gòu)并未破壞,巖樣并未失穩(wěn)。當各裂隙相互貫通時,此時應力接近峰值應力,巖石產(chǎn)生導致最終失穩(wěn)的主裂隙。

4 破壞模式及機理研究

經(jīng)歷溫度在200℃以內(nèi),節(jié)理砂巖受熱而使內(nèi)部水分蒸發(fā),水汽膨脹使節(jié)理砂巖內(nèi)部產(chǎn)生新的微裂紋,導致砂巖強度下降,峰值應變增大,此時溫度對砂巖力學特性具有較小的削弱作用。而在200～400℃,節(jié)理砂巖受熱后,巖石內(nèi)部各礦物成分發(fā)生改變,礦物顆粒小幅膨脹相互擠壓,部分微裂紋被修復,致密程度得到改善,這使得砂巖的強度有所上升,彈性模量增強,峰值應變降低,此時,溫度對砂巖的力學性能具有增強的作用。經(jīng)歷溫度達到400℃及400℃后,溫度對砂巖力學性質(zhì)的削弱作用大于修復作用。在加溫過程中,由于砂巖內(nèi)部各礦物的顆粒成分和體積等的不同及巖石具有各向異性的特點,導致砂巖內(nèi)部顆粒變形不均,顆粒繼續(xù)相互擠壓,造成內(nèi)部產(chǎn)生熱損傷,衍生出新的裂紋,同時這種熱損傷隨著溫度的升高而進一步增大,最終導致節(jié)理砂巖的強度降低,峰值應變增大,彈性模量下降,整體性質(zhì)劣化。

從應力－應變曲線可以看出,在經(jīng)歷溫度較低時,節(jié)理砂巖的破壞具有突發(fā)性的特點,在最終破壞之前,沒有明顯的特征。而經(jīng)歷較高溫度后,應力－應變曲線在最終破壞前都會有較大波動。節(jié)理砂巖的規(guī)律性表現(xiàn)的較為明顯,節(jié)理砂巖的破壞類型在常溫下為典型的脆性破壞,突發(fā)失穩(wěn)。在200℃時,為脆性破裂,應力－應變曲線在屈服階段有微小抖動,峰后強化;溫度在400及400℃之后,節(jié)理砂巖的破壞都是由多次失穩(wěn)造成的,并且在最終破壞前的非線性階段增大,巖石破壞類型為延性破壞。

高溫作用后砂巖聲發(fā)射曲線可以較好地反映節(jié)理砂巖經(jīng)歷不同溫度后的壓縮破壞過程。隨著溫度的升高,節(jié)理砂巖延性增強,節(jié)理砂巖內(nèi)部微裂紋演化成宏觀裂紋的時間增長,且從第1次產(chǎn)生大規(guī)模聲發(fā)射現(xiàn)象到最后一次大規(guī)模聲發(fā)射現(xiàn)象時間增長,位于相鄰兩峰值間聲發(fā)射活動增多。每次宏觀裂隙的產(chǎn)生必然伴隨著一次大規(guī)模聲發(fā)射現(xiàn)象,都會形成應力波峰值,節(jié)理砂巖的破壞往往不是由一條主裂隙造成的,而是由多條裂隙共同引發(fā)的。

從圖8可以明顯觀測出帶有節(jié)理砂巖主要裂隙分布在節(jié)理處。節(jié)理會使巖石的不均勻性和各向異性更加明顯。節(jié)理一般均以一定的優(yōu)勢方向分布,這就造成了節(jié)理巖體的物理力學性質(zhì)在方向上的差異。沿著節(jié)理優(yōu)勢方向,巖石物理力學性質(zhì)較差,而垂直節(jié)理優(yōu)勢方向,巖石物理力學性質(zhì)相對較好[15]。這可以解釋節(jié)理砂巖的主要裂隙均沿節(jié)理分布。在溫度較低時,節(jié)理砂巖的破壞為沿節(jié)理的劈裂破壞,且主裂隙僅有1～2條,而當溫度達到400℃及以上時,主裂隙數(shù)目增加,破壞后的巖樣上普遍存在2條以上的裂隙,節(jié)理砂巖的破壞類型為多個共軛斜面劈裂破壞,這說明高溫的作用使節(jié)理與完整巖樣的差異性變小。

圖8 加壓前后巖樣對比Fig.8 Comparison of joint sandstone after and before compression

上述試驗分析說明,本次試驗所測得和計算的數(shù)據(jù)具有一定的規(guī)律性,試驗能夠反映出節(jié)理砂巖經(jīng)歷不同高溫后的物理力學參數(shù)的變化。但是誤差難以避免,且?guī)r樣帶有節(jié)理,節(jié)理使得巖樣經(jīng)歷高溫后力學參數(shù)有一定的離散,高溫對不同節(jié)理巖石的影響,還有待在今后更深入的研究。

5 結(jié) 論

(1)400℃為本次試驗的閾值,在400℃之內(nèi),節(jié)理砂巖峰值強度都隨溫度的升高而增大,超過這一溫度之后,節(jié)理砂巖峰值強度開始呈現(xiàn)下降趨勢,且溫度越大,降幅越大。節(jié)理砂巖峰值應變隨溫度的升高整體呈升高趨勢,且溫度越大,增幅越大。節(jié)理砂巖彈性模量在400℃內(nèi)先降低后升高,超過400℃后降低,總體呈現(xiàn)非線性變化趨勢。

(2)聲發(fā)射信號能較好地反映出節(jié)理砂巖內(nèi)部裂紋產(chǎn)生情況。溫度越高,峰值前后聲發(fā)射信號增多,持續(xù)段釋放的能量增多,從巖石開始破壞至最終破壞之間產(chǎn)生的聲發(fā)射活動越強烈,并呈現(xiàn)出多峰值的情況,巖石延性特征越明顯。

(3)節(jié)理砂巖經(jīng)歷高溫后產(chǎn)生的微裂紋主要集中在節(jié)理附近,加壓后,產(chǎn)生的裂紋主要沿節(jié)理分布,巖石的破壞模式由脆性破壞向延性破壞轉(zhuǎn)變,破壞形式由劈裂破壞向多共軛斜面劈裂破壞轉(zhuǎn)變。

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Strength and deformation properties of post-high-temperature joint sandstone

LI Qing-sen,YANG Sheng-qi,CHEN Guo-fei

(State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221008,China)

Based on the uniaxial compression test,the physical and mechanical properties of joint sandstone under different high temperatures were studied.The scope included the variation of a series of stress-strain curve,peak stress, peak strain and elastic modulus with temperature changing.Meanwhile,using the acoustic emission instrument,the distributional feature of acoustic emission was monitored in the process of rock compression in order to discuss the effect on the mechanism of deformation and failure of joint sandstones under different temperatures.The influence of temperature on joint sandstone properties is various.When temperature is low,the enhancement effect of joint sandstone properties is greater than the weakening effect;And when the temperature is higher,the result is on the contrary.400℃is the temperature threshold value in the test.Before and after it,the peak stress,peak strain and elastic modulus show a different trend.The crack is mainly distributed in the joint nearby after high temperature,and the crack also mainly along the joint after uniaxial compression.The failure mode of the sandstone has transferred from brittle failure to ductile failure when heated.

post-high-temperature;joint sandstone;physical and mechanical properties

TD315,TU45

A

0253－9993(2014)04－0651－07

李慶森,楊圣奇,陳國飛.高溫后節(jié)理砂巖強度及變形破壞特性[J].煤炭學報,2014,39(4):651－657.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0496

Li Qingsen,Yang Shengqi,Chen Guofei.Strength and deformation properties of post-high-temperature joint sandstone[J].Journal of China Coal Society,2014,39(4):651－657.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0496

2013－04－17 責任編輯:王婉潔

新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET－12－0961);國家自然科學基金資助項目(41272344)

李慶森(1990—),男,江蘇徐州人,碩士研究生。E－mail:lqscumt@gmail.com。通訊作者:楊圣奇(1978—),男,江蘇鹽城人,教授,博士生導師。E－mail:yangsqi@hotmail.com