不同軸向靜壓下硬巖受頻繁動力沖擊作用下的力學(xué)特性研究

羊秋黎

(1.成都理工大學(xué)沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610213；2.中國石油東方地球物理公司西南物探研究院，四川 成都 610213)

0 引 言

巖石在高應(yīng)力下受動力擾動作用，其力學(xué)特性及破壞機制與巖石僅在靜力作用下和動力沖擊單一作用下的破壞機制完全不同，這一結(jié)論已成為巖石力學(xué)領(lǐng)域的共識[1-5]。巖石在高應(yīng)力條件下受動力擾動作用，巖石的破壞比受到單一力學(xué)作用下更加具有破壞力[6-8]，深井開采過程中的巖爆現(xiàn)象就是最好的說明。在深井開采過程中，巖體在上覆巖體和地應(yīng)力的作用下，通常處于高靜應(yīng)力狀態(tài)，此時，巖體內(nèi)部儲存了大量的彈性應(yīng)變能，而開采過程中的爆破作業(yè)可視為一種動力擾動作用。同時，隨著開采過程逐步推進，巖體的應(yīng)力狀態(tài)始終處于動態(tài)的重分布狀態(tài)，巖體內(nèi)部應(yīng)力的不斷變化也可看做一種動力擾動，上述兩種動力擾動和巖體的高應(yīng)力狀態(tài)是造成深井開采巖爆頻發(fā)的主要原因。一些學(xué)者的研究表明，動力擾動對巖爆的誘導(dǎo)發(fā)生起關(guān)鍵作用[9-10]。李夕兵等[2-3]對SHPB試驗裝置進行改進，改進后的SHPB試驗設(shè)備可實現(xiàn)軸向靜壓0～500 MPa下的動力沖擊試驗，該試驗裝置可模擬深部巖體在高應(yīng)力狀態(tài)下的動力擾動破壞現(xiàn)象，為揭示在高應(yīng)力條件下巖石受動力沖擊作用下的力學(xué)特性和破壞機制提供了條件，同時，也為進一步揭示深井開采的巖爆現(xiàn)象提供依據(jù)。

1 試驗方案與原理

1.1 試樣制備

試樣來自冬瓜山銅礦深部，埋深距地表900 m，巖石試樣加工選擇結(jié)構(gòu)完整，無明顯裂痕的矽卡巖巖芯，巖芯的直徑為50 mm左右。將試件加工成Φ50 mm×100 mm和Φ50 mm×50 mm兩種規(guī)格，其中，Φ50 mm×100 mm的試件用于測定巖石的單軸抗壓強度，Φ50 mm×50 mm的試件用于動力沖擊試驗。

1.2 單軸壓縮

為了確定合適的軸向預(yù)應(yīng)力的數(shù)值，首先開展單軸壓縮試驗，獲取矽卡巖的靜載物理力學(xué)參數(shù)，重復(fù)5次，取其平均數(shù)。單軸壓縮實驗結(jié)果見表1。

1.3 試驗方案

由于本文研究的是巖石在軸向預(yù)應(yīng)力條件下受頻繁沖擊作用下的力學(xué)特性，因此，合適的軸向預(yù)應(yīng)力的選擇是試驗是否成功的關(guān)鍵。在正式試驗之前，進行了多個軸壓條件下的預(yù)沖擊試驗，為軸向預(yù)應(yīng)力的選擇提供了參考，最終的試驗方案見表2。

表1 單軸壓縮試驗結(jié)果Table 1 Uniaxial compression test results

表2 預(yù)應(yīng)力下頻繁沖擊試驗方案Table 2 Frequent impact test plan under prestress

1.4 試驗設(shè)備

本次試驗在中南大學(xué)實驗室內(nèi)完成，其中單軸壓縮實驗采用Instron1346試驗機完成，預(yù)應(yīng)力條件下的頻繁沖擊試驗采用改進后SHPB試驗機完成，試驗機結(jié)構(gòu)見圖1。

1.5 試驗原理

根據(jù)一維應(yīng)力波在細桿中傳播，其波形不發(fā)生畸形變化的特點，如圖1所示，應(yīng)變片A1可記錄透射應(yīng)變波的信號，應(yīng)變片A2可記錄入射波與反射波的信號，根據(jù)一維應(yīng)力波理論，巖石試樣的動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變及應(yīng)變率計算見式(1)。

(1)

假定在沖擊過程中，試樣吸收的沖擊動能為Ws，根據(jù)能量守恒原理，計算見式(2)～(6)。

ws=wI-wR-wT

(2)

(3)

(4)

(5)

wV=ws/Vs

(6)

2 實驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)束后，對試驗結(jié)果進行整理、計算，主要試驗結(jié)果見表3。系統(tǒng)會自動記錄每次沖擊試驗巖石試樣的動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變。圖2為不同軸向靜壓條件下沖擊次數(shù)的變化規(guī)律和擬合函數(shù)關(guān)系，隨著軸向靜壓的增大，沖擊次數(shù)呈二次函數(shù)降低趨勢。

圖1 試驗機結(jié)構(gòu)Fig.1 Test machine structure

表3 試驗結(jié)果Table 3 Test results

2.1 變形模量與沖擊次數(shù)的關(guān)系

變形模量E是表征巖石體抗變形能力的重要參數(shù)，現(xiàn)階段，關(guān)于巖石在動力沖擊作用下的動態(tài)彈性模量的計算還沒有統(tǒng)一的規(guī)范。由于沖擊作用下，巖石動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線與靜態(tài)壓縮條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線形態(tài)不同，沒有十分明顯的彈性壓縮段，因此，如果直接采用靜態(tài)壓縮條件下彈性模量的計算方法來計算動態(tài)彈性模量，其計算結(jié)果必然誤差較大。根據(jù)宮鳳強定義的第二類彈模和金解放定義的加載段彈模的計算方法，上述兩種彈性模量的計算方法均只計算了動態(tài)加載過程中部分應(yīng)力-應(yīng)變曲線所表征的彈模，不能反映整個動態(tài)加載過程中試驗的變形情況。綜上所述，提出了將割線彈模、加載段彈模與第二類割線彈模的算術(shù)平均值作為整個動態(tài)加載過程中試驗的彈性模量，3種彈模的定義見圖3。計算見式(7)～(10)。

E1=σd50/εd50

(7)

(8)

E3=tanα

(9)

(10)

式中：E1、E2、E3、Ed分別為割線彈模、第二類彈模、加載段彈模和動態(tài)彈模；σd、σd50分別為每次沖擊峰值應(yīng)力和50%峰值應(yīng)力；εd、εd50分別為每次沖擊峰值應(yīng)力和50%峰值應(yīng)力所對應(yīng)的應(yīng)變值；α為50%峰值應(yīng)力處應(yīng)力-應(yīng)變曲線切線與應(yīng)變軸的夾角。

圖2 試樣累積沖擊次數(shù)與軸向靜壓的關(guān)系Fig.2 Relationship between cumulative numbe nd axial pressure

圖3 動態(tài)彈性模量計算方法示意圖Fig.3 Calculation method of dynamic elastic modulus

圖4為不同軸向靜壓條件下動態(tài)彈性模量與沖擊次數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。從圖4中可以看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，彈性模量整體呈下降趨勢，說明隨著沖擊次數(shù)的增加，矽卡巖試樣內(nèi)部損傷加劇，裂紋數(shù)量增加，整體抵抗外部沖擊的能力下降。不同軸向靜壓條件下，彈性模量隨沖擊次數(shù)表現(xiàn)出不同的變化特征，軸向靜壓越大，巖石初始彈性模量越小，這是由于在軸向靜壓較大時(100 MPa)，試樣內(nèi)部已發(fā)生了微觀的破壞，當軸向靜壓較小時(75 MPa、85 MPa)，試樣在軸向靜壓的作用下，內(nèi)部微裂紋閉合，使得巖石整體抵抗沖擊的能力提高，表現(xiàn)為初始彈模有不同程度的提高。

2.2 峰值應(yīng)力

圖5為不同軸向靜壓條件下峰值應(yīng)力與沖擊次數(shù)的變化關(guān)系。從圖5中可以看出，隨著沖擊次數(shù)的增加，峰值應(yīng)力整體呈降低趨勢，當軸向靜壓為75 MPa和85 MPa時，峰值應(yīng)力在沖擊前期，峰值應(yīng)力降低緩慢，在最后一次沖擊時，峰值應(yīng)力迅速降低，試樣破壞。當軸向靜壓為100 MPa時，峰值應(yīng)力隨著沖擊次數(shù)迅速降低。說明在軸向靜壓為75 MPa和85 MPa時，巖石在軸向靜壓的作用下，試樣內(nèi)部的微裂紋在軸壓作用下完全閉合，在頻繁的動力沖擊作用下，試樣內(nèi)部發(fā)生持續(xù)的裂紋擴展，宏觀表現(xiàn)為應(yīng)力峰值降低，抵抗和傳遞沖擊動能的能力下降，但下降比較均勻緩慢；當軸向靜壓為100 MPa時，在軸向靜壓的作用下，巖石試樣內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生了較大的損傷，在沖擊作用下，內(nèi)部裂紋迅速擴展、貫通，峰值應(yīng)力迅速降低，試樣發(fā)生破壞。

圖4 動態(tài)彈性模量與沖擊次數(shù)的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between dynamic elastic modulu nd number of impacts

圖5 峰值應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的變化關(guān)系 Fig.5 Relationship between peak stress an umber of impacts

2.3 沖擊能耗散規(guī)律

圖6 單位體積耗能與沖擊次數(shù)之間的變化關(guān)系Fig.6 The relationship between the energy consumptio er unit volume and the number of impacts

圖6為矽卡巖試樣在不同軸向靜壓條件下，試樣單位體積耗能與沖擊次數(shù)之間的變化關(guān)系。從圖6中可以看出，當軸向靜壓為75 MPa時，試樣在頻繁沖擊作用下，從釋放能量(單位體積耗能為負值)向吸收能量(單位體積耗能為正值)的方向發(fā)展，釋放能量先減小后增大，隨后釋放能量減小并轉(zhuǎn)變成吸收能量直至試樣發(fā)生破壞。分析其原因是由于在軸向靜壓作用下，試樣內(nèi)部的微裂紋閉合，隨著沖擊次數(shù)的增加，微裂紋在沖擊作用下發(fā)展緩慢，微裂紋的發(fā)展逐漸消耗了由于軸向靜壓作用儲存在試樣內(nèi)部的彈性應(yīng)變能，這也是導(dǎo)致在沖擊初期，試樣在沖擊作用下釋放能量變小的原因；隨著沖擊次數(shù)的進一步增加，內(nèi)部微裂紋持續(xù)受到?jīng)_擊作用，產(chǎn)生疲勞損傷，裂紋擴展速度增大，因此出現(xiàn)了釋放能量增大的現(xiàn)象，說明試樣內(nèi)部在此時已經(jīng)產(chǎn)生了較大的貫穿裂紋；當沖擊次數(shù)達到一定數(shù)值，試樣向著宏觀破壞的方向發(fā)展，此時，試樣需要消耗大量的能量，因此出現(xiàn)了釋放能量持續(xù)減小，由于軸向靜壓較小(75 MPa)產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能無法滿足破壞試樣，因此出現(xiàn)了試樣由釋放能量轉(zhuǎn)換為吸收能量的現(xiàn)象。當軸向靜壓增加至85 MPa時，隨著沖擊次數(shù)的增加，試樣釋放能量出現(xiàn)了先減小后不變之后又減小的現(xiàn)象，直至破壞試樣也處于釋放能量的狀態(tài)，說明軸壓在85 MPa條件下，儲存在試樣內(nèi)的彈性應(yīng)變能已經(jīng)能夠滿足在沖擊作用下發(fā)生破壞所需要的能量。由于在軸壓作用下，試樣內(nèi)部的微裂紋在沖擊作用下發(fā)生擴展，釋放了部分彈性應(yīng)變能，因此，試樣在最初的幾次沖擊作用下，釋放能量出現(xiàn)了減小的現(xiàn)象，但隨著沖擊次數(shù)的增加，試樣內(nèi)部出現(xiàn)了疲勞沖擊適應(yīng)階段，此時，隨著沖擊次數(shù)的增加，裂紋不再擴展，出現(xiàn)了釋放能量隨沖擊次數(shù)不變的現(xiàn)象；當沖擊累積到一定次數(shù)，巖石試樣內(nèi)部損傷加劇，此時內(nèi)部裂紋出現(xiàn)了貫通并向宏觀破壞的方向進一步發(fā)展，彈性能消耗增加，此時，試樣釋放能量隨沖擊次數(shù)增加進一步減小，直至試樣發(fā)生破壞。當軸向靜壓增加至100 MPa時，試樣在沖擊作用下的能耗規(guī)律與軸向靜壓為75 MPa的后半段相同，均出現(xiàn)釋放能量先減小后增大的變化趨勢，不同的是，由于軸向靜壓為100 MPa時，試樣在高應(yīng)力作用下，內(nèi)部已經(jīng)儲存了大量的彈性應(yīng)變能，在軸向靜壓力的施加過程中，類似于軸向靜壓力為75 MPa時前期沖擊過程，軸向靜壓為100 MPa依然沒有出現(xiàn)吸收能量的現(xiàn)象，是因為高軸向靜壓已經(jīng)能夠為試樣破壞提供足夠的能量。

從上述矽卡巖在不同軸向靜壓作用下隨沖擊次數(shù)的能耗變化規(guī)律可以看出，高應(yīng)力作用下，儲存在試樣內(nèi)部的彈性應(yīng)變能已經(jīng)能夠完全提供試樣發(fā)生破壞所需要的能量，此時，巖石若受到?jīng)_擊等動力擾動，在擾動的誘導(dǎo)作用下，極易發(fā)生破壞，這一現(xiàn)象為揭示深井開采過程中的巖爆發(fā)生機制提供了依據(jù)。

2.4 試樣的破壞模式

圖7為矽卡巖試樣分別在軸向靜壓為75 MPa、85 MPa、100 MPa時典型試樣受頻繁動力沖擊后的破壞照片。從圖7(a)可以看出，在軸向75 MPa條件下，試樣受頻繁沖擊后破壞碎片為片條狀，說明在沖擊過程中，試樣內(nèi)部的裂紋是沿著加載方向擴展的，由此可見，在軸向靜壓75 MPa條件下，試樣受頻繁動力沖擊下試樣的破壞方式為拉伸破壞；從圖7(b)可以看出，在軸向靜壓85 MPa條件下，試樣受頻繁動力沖擊后破壞碎片塊度增大，破壞方式轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟衅茐?；從圖7(c)可以看出，在軸向靜壓100 MPa條件下，試樣的破壞塊度進一步增大，出現(xiàn)了圓臺狀破壞碎片，破壞方式為剪切破壞。

圖7 不同軸向靜壓下試樣的破壞模式Fig.7 Failure mode of the sample under different axial static pressures

3 結(jié) 論

1) 巖石試樣承受的沖擊次數(shù)隨軸向靜壓的增大而減小，當軸向靜壓不變時，每次沖擊時對應(yīng)的試樣的峰值應(yīng)力及彈性模量隨沖擊次數(shù)的增大而減小。

2) 不同軸向靜壓下，試樣隨沖擊次數(shù)表現(xiàn)出不同的能量耗散規(guī)律。軸向靜壓為75 MPa時，試樣在沖擊后期出現(xiàn)了吸收能量的現(xiàn)象；軸向靜壓為85 MPa和100 MPa時，試樣在沖擊作用下始終表現(xiàn)為釋放能量，說明在高應(yīng)力作用下，儲存在試樣內(nèi)部的彈性應(yīng)變能已經(jīng)能夠完全提供試樣發(fā)生破壞所需要的能量。此時，巖石在動力擾動的誘導(dǎo)作用下極易發(fā)生破壞，這一現(xiàn)象為揭示深井開采過程中的巖爆發(fā)生機制提供了依據(jù)。

3) 分析了不同軸向靜壓下試樣在沖擊作用下的破壞模式。隨著軸向靜壓的增大，試樣破壞后的塊度呈增大趨勢，破壞方式由拉伸破壞向剪切破壞過渡。