飽水狀態(tài)下煤礦粉砂巖蠕變特性試驗研究

郁培陽，馬芹永,2

(1．安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001；2．安徽理工大學礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南 232001)

隨著地下巖體工程往深部發(fā)展，地下水對地下工程結構的影響越來越突出。研究表明，水是影響巖石蠕變特性的重要因素，會弱化巖石的力學性能，造成地下工程結構長期穩(wěn)定性降低。因此，研究水對地下巖體工程的蠕變特性的影響具有重大的工程意義。

目前，國內外眾多學者針對水對巖石蠕變特性的影響開展了理論和試驗研究。文獻[1]對飽水狀態(tài)下的多孔石灰?guī)r開展三軸壓縮蠕變試驗，結果表明飽水石灰?guī)r發(fā)生脆性破壞且變形極?。晃墨I[2]提出了非飽和巖石熱力學統(tǒng)一蠕變模型，并驗證了其對不同含水狀態(tài)下巖石蠕變曲線的適用性；文獻[3]對巴東軟弱夾層軟巖開展三軸蠕變試驗，并探究不同含水率對軟巖蠕變特性的影響；文獻[4]對紅層軟巖開展三軸蠕變試驗探究了水巖作用對紅層軟巖蠕變特性的影響。文獻[5]對干燥和飽水狀態(tài)下的隧道圍壓開展蠕變試驗，探究了水對隧道圍巖蠕變特性的影響規(guī)律；文獻[6]對風干和飽水狀態(tài)下的花崗巖開展單軸壓縮蠕變試驗，得出飽水后的花崗巖長期強度降低，變形量和流變速率升高；文獻[7]對飽水狀態(tài)下的大理巖和綠片巖進行三軸壓縮流變試驗，得出在不同圍壓作用下硬巖軸向應變和側向應變的變化規(guī)律；文獻[8]對不同含水率砂巖開展剪切蠕變試驗，探究了含水率對砂巖軟弱結構面剪切蠕變的影響；文獻[9]對干燥和飽水狀態(tài)下的砂巖開展剪切蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)水增大砂巖的蠕變量和蠕變速率，并降低砂巖蠕變破壞強度值；文獻[10]對自然和飽水狀態(tài)下的深部斜長角閃巖開展分級加卸載蠕變試驗，結果表明，飽水狀態(tài)下試件的蠕變量、應變速率大于自然狀態(tài)試件，瞬時強度、長期強度低于自然狀態(tài)；文獻[11]對炭質板巖開展干燥和飽水狀態(tài)下的單軸壓縮蠕變試驗，探討了水對炭質板巖蠕變特性的影響規(guī)律；文獻[12]對重慶某地深部砂巖開展高圍壓和高孔隙水壓下的蠕變試驗，發(fā)現(xiàn)在加載初期孔隙水壓力具有抑制巖石軸向變形的作用；文獻[13]通過對不同含水狀態(tài)下板巖開展單軸蠕變試驗，得出巖石的瞬時彈性模量、黏性模量以及黏滯系數(shù)隨飽和度的增大而減??；文獻[14]對不同含水狀態(tài)下油頁巖進行三軸壓縮蠕變試驗，并建立了非線性損傷蠕變模型；文獻[15]對不同含水條件下的紅層泥巖開展三軸蠕變試驗探究含水率的紅層泥巖蠕變特性的影響；文獻[16]對邊坡巖石開展三軸蠕變試驗探究水巖作用對邊坡巖石蠕變特性的影響。但較少涉及對深部巖石的研究，尤其是飽水后煤礦圍巖的蠕變特性研究。

為此，本文以朱集東礦粉砂巖為研究對象，采用分級加載方式，對飽水狀態(tài)下砂巖試件開展單軸壓縮蠕變試驗，探究水對煤礦砂巖單軸壓縮蠕變特性的影響。

1 飽水狀態(tài)下粉砂巖蠕變試驗設計

1.1 巖石特性

試驗所用巖樣為粉砂巖，呈淺灰色，密度為2.61g/cm3，取自淮南礦業(yè)集團朱集東礦西-13-1煤底板軌道大巷(南)-906m處。

1.2 蠕變試驗設備

借助巖石高溫高壓蠕變儀(ZYSS2000，長春機械研究院)進行煤礦粉砂巖單軸壓縮蠕變試驗。該設備軸向載荷施加范圍為40～2 000kN，圍壓施加范圍為0～60MPa，溫度調控范圍為20～50℃，孔隙水壓力施加范圍為0～30MPa。

1.3 蠕變試驗設計

飽水狀態(tài)下煤礦粉砂巖單軸壓縮蠕變試驗，采用分級加載方式，軸向荷載施加7～9級。蠕變試驗前對自然狀態(tài)下的煤礦粉砂巖進行常規(guī)單軸壓縮試驗，得出其單軸抗壓強度為115.88MPa，以此作為蠕變試驗分級加載的依據(jù)，確定第一級荷載為煤礦粉砂巖單軸抗壓強度的40%，分級荷載增量為20kN，每級荷載持續(xù)24h，試驗過程中計算機自動采集數(shù)據(jù)，加載期間每隔0.1s采集一次，穩(wěn)壓期間每隔30min采集一次。為避免環(huán)境對試驗結果的影響，試驗在恒溫恒濕的蠕變實驗室內進行。

2 飽水狀態(tài)下粉砂巖蠕變試驗結果

2.1 軸向及側向蠕變變形分析

飽水狀態(tài)下粉砂巖軸向及側向蠕變曲線，如圖1所示。

圖1 飽水狀態(tài)下粉砂巖單軸壓縮蠕變試驗曲線

從圖1可以看出，粉砂巖試件在各級應力作用下均出現(xiàn)瞬時應變和蠕變應變，其總應變隨應力的逐級增加不斷增大。 粉砂巖試件在各級荷載作用

下，軸向和側向蠕變曲線較為相似，隨應力的逐級增加，曲線的斜率逐漸增大，主要表現(xiàn)出減速蠕變和等速蠕變，減速蠕變段歷時較短，應變隨時間增大較快，應變速率隨時間逐漸減小，等速蠕變段歷時較長，曲線以一定的斜率增長。粉砂巖試件在最后一級應力作用下發(fā)生蠕變破壞，軸向和側向均經(jīng)歷了減速蠕變段、等速蠕變段和加速蠕變段，并于加速蠕變段破壞。

2.2 加速蠕變階段分析

在最后一級應力作用下，粉砂巖試件發(fā)生蠕變破壞，粉砂巖試件在該級應力水平下的應變及應變速率隨時間的變化，如圖2所示。

(a) 軸向 (b) 側向圖2 飽水狀態(tài)下粉砂巖加速蠕變階段應變及應變速率與時間的關系

粉砂巖試件在最后一級應力水平下軸向和側向發(fā)生蠕變破壞的規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為由減速蠕變階段經(jīng)等速蠕變階段發(fā)展到加速蠕變階段，其中減速蠕變階段和加速蠕變階段歷時較短，等速蠕變階段歷時相對較長。在此過程中側向應變速率遠遠大于軸向應變速率。

2.3 體積蠕變試驗結果

繪制粉砂巖試件蠕變過程中體積應變隨時間的變化趨勢，如圖3所示，隨應力水平的提高，粉砂巖的體積應變由正值向負值轉化，表現(xiàn)出由壓縮向擴容轉化的過程，在前三級應力的作用下，粉砂巖處于壓縮狀態(tài)，當應力水平達75.76MPa時，粉砂巖開始擴容。隨應力的不斷增大，粉砂巖擴容越來越明顯。

圖3 飽水狀態(tài)下粉砂巖體積應變與時間的關系

3 飽水狀態(tài)下粉砂巖蠕變試驗分析

3.1 瞬時應變與應力的關系

為探究粉砂巖試件在各級應力下軸向與側向瞬時變形的關系，作出瞬時應變與應力的關系曲線，如圖4所示。粉砂巖的軸向、側向瞬時應變隨應力的逐級增加呈現(xiàn)出不同的增長趨勢，軸向瞬時應變呈近似線性增長，側向瞬時應變呈增長速率逐漸增大的非線性增長。隨應力的增大，軸向與側向之間的應變差值不斷減小，側向變形增長趨勢隨應力的增大越來越明顯，表明在試驗過程中側向瞬時變形較軸向發(fā)展更快。

圖4 飽水狀態(tài)下粉砂巖瞬時應變與應力的關系

3.2 蠕變應變與應力的關系

繪制粉砂巖蠕變應變與應力的關系曲線，如圖5所示。隨應力的增大，軸向蠕變應變前期變化平緩后期變化劇烈，側向蠕變應變呈增長速率逐漸增大的非線性增長。在前幾級應力水平作用下，相鄰應力水平下軸向蠕變應變變化不大而側向蠕變應變增長較為明顯，加載至最后一級時，均出現(xiàn)較大的蠕變變形，0.065 0×10-2和0.145 5×10-2，分別為各自蠕變應變的最小值的9.83倍和21.03倍，由此可見，應力的逐級增加對粉砂巖側向蠕變的影響比軸向蠕變要大。

圖5 飽水狀態(tài)下粉砂巖蠕變應變與應力的關系

3.3 穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應力的關系

為探究粉砂巖破壞之前軸向和側向蠕變速率隨應力的變化趨勢，繪制粉砂巖穩(wěn)態(tài)蠕變速率與應力的關系曲線，如圖6所示。隨應力的增大，軸向穩(wěn)態(tài)蠕變速率變化并不顯著，側向穩(wěn)態(tài)蠕變速率前期增長較快后期趨于穩(wěn)定。在此過程中，側向穩(wěn)態(tài)蠕變速率遠遠大于軸向穩(wěn)態(tài)蠕變速率，表明粉砂巖側向蠕變發(fā)展速度較軸向更快。

圖6 飽水狀態(tài)下粉砂巖穩(wěn)態(tài)蠕變速率

3.4 等時應力-應變關系

根據(jù)試驗結果作出粉砂巖蠕變過程中的等時應力-應變曲線，如圖7所示，軸向等時曲線的間距隨應力的逐漸增加變化較小，側向等時曲線的間距增加較為明顯；隨應力水平和時間的增大，軸向、側向等時曲線呈現(xiàn)出凹向應變軸的趨勢，軸向等時曲線由近似直線轉為折線，側向等時曲線呈斜率逐漸減小的曲線，表明在蠕變過程中粉砂巖側向的時效變形及非線性特性較軸向更明顯。

(a) 軸向

(b) 側向圖7 飽水狀態(tài)下粉砂巖等時應力-應變曲線

4 結論

(1) 煤礦粉砂巖在各級應力作用下，軸向和側向蠕變曲線較為相似，主要表現(xiàn)為減速蠕變和等速蠕變，其中減速蠕變段歷時較短，等速蠕變段歷時較長；體積蠕變曲線表現(xiàn)出壓縮向擴容轉化的特征。

(2) 隨應力的逐級增大，煤礦粉砂巖的瞬時應變、蠕變應變及穩(wěn)態(tài)蠕變速率整體呈增長趨勢，但應力的增大對煤礦粉砂巖側向變形的影響比軸向變形要大。

(3) 粉砂巖蠕變過程中的等時應力應變曲線，表明粉砂巖側向的時效變形與非線性特性較軸向更明顯。