溫度與荷載對(duì)砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)性能及裂紋的影響

徐 穎，王 崑，邵彬彬

(安徽理工大學(xué)土木建筑學(xué)院，安徽 淮南 232001)

社會(huì)發(fā)展進(jìn)步給人類造福的同時(shí)，能源消耗量也逐漸加劇，而煤炭又作為主要能源在各行各業(yè)中有很大的需求量。根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明[1]，中國(guó)煤炭消耗量占世界消耗總量的50%以上，但目前人均煤炭資源占有量極為匱乏。從我國(guó)煤炭資源總體分布情況來(lái)看，由于其分布不均勻，因此開采呈現(xiàn)“東深西淺”的狀況，且置于地下深層超千米的煤礦量約占總量的53%。為了滿足我國(guó)對(duì)煤礦開挖產(chǎn)量的需求，開采深部煤礦是大勢(shì)所趨，但隨著開采的不斷深入，眾多問(wèn)題也隨之出現(xiàn)。深層地下的巖石受干擾程度與淺層有很大差異，可歸納為“三高一擾動(dòng)”(高溫度、高應(yīng)力、高滲透壓及強(qiáng)烈的開采擾動(dòng))[2]，在此類干擾作用下巖石本身所表現(xiàn)出來(lái)的各種力學(xué)性能、破壞規(guī)律都將異于淺層，其彈性模量，泊松比等[3]眾多參數(shù)也會(huì)有所不同。由于我國(guó)煤炭需求量巨大，即便是困難重重，也應(yīng)進(jìn)一步研究深部開采所遇到的溫度、巖石力學(xué)問(wèn)題，其研究意義重大并具有重要的實(shí)用價(jià)值。為此國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者就此課題進(jìn)行了各種探究與實(shí)驗(yàn)，也得出了許多創(chuàng)新性成果。Alm O等[4]利用溫度加熱設(shè)備將巖體加熱，探究了其各種靜態(tài)力學(xué)性能。Atkinson等[5]將巖體加熱至20～500 ℃范圍內(nèi)，觀察了巖體的斷裂形態(tài)，并采用聲發(fā)射技術(shù)研究了巖體的損傷破壞過(guò)程。寇紹全[6]研究了經(jīng)20～600 ℃加熱過(guò)的花崗巖的力學(xué)性能及破壞形式，發(fā)現(xiàn)二者皆產(chǎn)生了較為明顯的變化。羅生銀等[7]對(duì)高溫自然冷卻后和實(shí)時(shí)高溫下巖樣的力學(xué)性能進(jìn)行了對(duì)比分析。許錫昌等[8]把巖體從常溫加熱至600 ℃，得知在75 ℃和200 ℃時(shí)巖體彈性模量和單軸壓縮強(qiáng)度會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變。王德榮等[9]對(duì)比分析了砂巖和花崗巖在一定應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。而本文介紹的是將砂巖進(jìn)行常溫～高溫(25～700 ℃)處理之后，利用變截面SHPB實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行3 種沖擊氣壓下巖石的動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。該實(shí)驗(yàn)得到了不同高溫條件下砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析高溫條件下巖體的破碎情況及其特征。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和材料

1.1 高溫SHPB實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)采用了實(shí)時(shí)高溫變截面SHPB實(shí)驗(yàn)裝置。裝置中的撞擊子彈、入射桿及透射桿采用φ50 mm的高強(qiáng)度合金鋼桿，其中撞擊子彈、入射桿及透射桿長(zhǎng)度分別為800、2 400、1 200 mm。合金鋼桿的彈性模量、密度、泊松比分別為210 GPa、7 800 kg/m3，0.25。彈性縱波波速為5 190 m/s，SHPB實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental equipment of SHPB

對(duì)于砂巖加熱與控制，本實(shí)驗(yàn)運(yùn)用了與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相匹配的溫度加熱裝置與控制裝置。加熱裝置能將試件從常溫加熱至1 000 ℃。溫控裝置能調(diào)節(jié)其溫度并保證穩(wěn)定在一定的范圍，不會(huì)發(fā)生較大的改變，其誤差可保持在±10 ℃內(nèi)。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)用的砂巖巖體均取于淮南礦業(yè)集團(tuán)顧北礦-848 m處。外觀呈灰白色，均勻且完整性較好。根據(jù)要求[10]，把其加工打磨成φ50 mm×25 mm的圓柱體試件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，該批試樣平均密度達(dá)2.559 g/cm3,單軸抗壓強(qiáng)度為119.274 MPa，劈裂抗拉強(qiáng)度為6.127 MPa，縱波平均波速為3 833 m/s。

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中分別加壓至0.3、0.5、0.7 MPa，并在25 ℃(常溫)和100、200、300、400、500、600、700 ℃的溫度下對(duì)砂巖進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的典型加載波如圖2所示。

圖2 加載波波形Fig.2 Loading waveform

把φ50 mm×25 mm的砂巖試件按照對(duì)徑加載方式，左右分別用入射桿與透射桿夾緊，使三者共軸(見圖3)。實(shí)驗(yàn)中可在接觸面涂抹凡士林以降低摩擦以及砂巖表面均勻度對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。

圖3 試件安裝Fig.3 Specimen mounting

2 實(shí)驗(yàn)與分析

2.1 不同沖擊氣壓下相同溫度的壓縮實(shí)驗(yàn)

25～700 ℃環(huán)境中，試件在0.3、0.5、0.7 MPa氣壓下進(jìn)行動(dòng)態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理后，試件典型的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變?nèi)鐖D4所示。

注：1～3表示沖擊氣壓依次為0.3、0.5、0.7 MPa圖4 25～700 ℃中3種氣壓下的應(yīng)力應(yīng)變Fig.4 Stress-strain under 3 kinds of air pressure between 25 and 700 ℃

通過(guò)對(duì)圖4分析后得知，砂巖試件在所處溫度一定且氣壓在0.3～0.7 MPa范圍內(nèi)時(shí)，沖擊氣壓越大，試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度也會(huì)相應(yīng)增加。同時(shí)可以看出，砂巖在8 個(gè)溫度時(shí)不同沖擊載荷下應(yīng)力應(yīng)變曲線可分為3 個(gè)階段。①迅速上升階段。試件的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度在應(yīng)變緩慢增加的狀況下有明顯增加，呈線性升高走勢(shì);②平緩上升階段。砂巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度在此階段中也逐漸增大，但增幅較之前階段相比明顯降低，應(yīng)力上升也較為緩慢，直至應(yīng)力峰值;③破壞階段。到達(dá)應(yīng)力峰值后，應(yīng)力隨應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)有所減弱，最終砂巖被破壞(見圖5)。

圖5 砂巖試件破碎情況Fig.5 Fracture of sandstone specimen

從砂巖試件的破碎情況可看出，隨著沖擊氣壓的增大，試件破裂程度逐漸加劇，最終成碎塊或粉末狀。這是由于當(dāng)試件受到較小的外部沖擊荷載作用時(shí)，其內(nèi)部微裂縫裂紋貫穿不夠充分，因此無(wú)法形成明顯的破環(huán)現(xiàn)象，只能出現(xiàn)微小裂紋。隨著外界氣壓荷載的不斷增大，此時(shí)作用于巖體內(nèi)部的能量滿足充分貫穿其內(nèi)部微裂紋的條件，并不斷延伸出宏觀裂紋，使得砂巖試件損壞，破損程度進(jìn)一步加劇。最終試件出現(xiàn)眾多裂塊，甚至在較大沖擊氣壓下出現(xiàn)粉碎現(xiàn)象。

2.2 相同沖擊氣壓下不同溫度的壓縮實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步研究同種氣壓下，溫度差異對(duì)砂巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度所造成的影響，把0.3、0.5、0.7 MPa每種沖擊氣壓下不同溫度砂巖的應(yīng)力應(yīng)變曲線轉(zhuǎn)化在同一個(gè)坐標(biāo)平面內(nèi)(見圖6)。

注：1～8表示溫度依次為25、100、200、300、400、500、600、700 ℃。圖6 不同溫度下砂巖的應(yīng)力應(yīng)變Fig.6 Stress-strain of sandstone at different temperatures

由圖6分析可得知，當(dāng)受到0.3 MPa沖擊氣壓作用時(shí)，試件達(dá)到峰值應(yīng)力其應(yīng)變集中于0.01～0.02。而在0.5 MPa沖擊氣壓下，試件達(dá)到應(yīng)峰值應(yīng)力時(shí)其應(yīng)變集中在0.02～0.025。在0.7 MPa沖擊氣壓下，試件達(dá)到峰值應(yīng)力時(shí)其應(yīng)變集中在0.025～0.035。根據(jù)上述情況可得知，當(dāng)提升沖擊氣壓時(shí)，滿足試件達(dá)到峰值應(yīng)力狀態(tài)時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變也會(huì)有所增加。二者的關(guān)系可以從試件抗壓強(qiáng)度峰值隨溫度變化趨勢(shì)中直觀的反映出來(lái)(見圖7)。

圖7 砂巖的抗壓強(qiáng)度峰值與溫度變化關(guān)系Fig.7 Relationship between peak stress and temperature variation of sandstone

由圖7可見，隨溫度增加，試件峰值應(yīng)力的總體趨勢(shì)是先緩慢上升后迅速下降。在25(常溫)～200 ℃時(shí)，試件的峰值應(yīng)力變化不明顯，200～600 ℃時(shí)，試件的峰值應(yīng)力先增加后減小，在700 ℃時(shí)其峰值應(yīng)力降到最小。

3 巖石SEM實(shí)驗(yàn)及分析

3.1 SEM設(shè)備介紹

SEM設(shè)備是用來(lái)研究材料組織結(jié)構(gòu)，揭示材料基本性質(zhì)與規(guī)律的重要儀器，其分辨率高，受干擾程度小，立體感較強(qiáng)，通過(guò)激發(fā)檢測(cè)信號(hào)并將信號(hào)轉(zhuǎn)化成試件表面形貌圖像。本次實(shí)驗(yàn)采用日立S-3000N掃描電子顯微鏡。

3.2 巖石SEM實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于巖石內(nèi)部成分復(fù)雜，各種礦物組分的膨脹系數(shù)也有差異，因此在高溫時(shí)，巖石整體就會(huì)發(fā)生開裂現(xiàn)象，即“熱漲”現(xiàn)象。而在本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，高溫因素與外荷載擾動(dòng)共同作用于砂巖巖樣，由此砂巖才出現(xiàn)了一系列的裂縫及破損現(xiàn)象。在沖擊氣壓為0.5 MPa時(shí)，可從SEM電鏡圖中進(jìn)一步了解在25(常溫)～700 ℃環(huán)境中，溫度—應(yīng)力對(duì)砂巖裂縫形成的影響(見圖8)。在25～300 ℃時(shí)，砂巖巖樣上所出現(xiàn)的裂縫均表現(xiàn)為單裂紋?？赡苁怯捎谧饔迷谠嚰系膽?yīng)力大于礦物之間的拉力，超出試件的抗拉強(qiáng)度而形成的，也有可能是由于受到高溫作用，試件出現(xiàn)熱開裂裂紋。單裂紋主要分布在砂巖試樣的頂角、棱角、及邊緣區(qū)域。當(dāng)高于300 ℃，裂紋發(fā)生延伸、擴(kuò)展并分叉，從原本單條一字形轉(zhuǎn)化為多條人字形、甚至爪字形裂痕，形成二次開裂。因此可總結(jié)為，在應(yīng)力與低溫作用下，試件會(huì)先以應(yīng)力作用影響為主出現(xiàn)單條裂紋；當(dāng)溫度升高至300 ℃以上，受溫度作用影響，單條裂紋會(huì)有所延伸并形成多條裂紋，出現(xiàn)開裂。

圖8 不同溫度下砂巖SEM掃描結(jié)果Fig.8 SEM scan result of sandstone at different temperatures

4 結(jié)論

1) 25～700 ℃范圍內(nèi)，當(dāng)溫度一定時(shí)，砂巖動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度會(huì)隨沖擊氣壓的增加而增加，并且砂巖在不同沖擊荷載下的應(yīng)力應(yīng)變可分為迅速上升、緩慢上升、破壞3個(gè)階段。根據(jù)試件破碎情況可知， 隨著沖擊氣壓的增大，試件破裂面也隨之變多，破裂程度逐漸加劇，試件最終破碎成碎塊或粉末狀。

2)動(dòng)態(tài)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)沖擊氣壓一定時(shí)，隨著溫度不斷升高，砂巖峰值應(yīng)力總體趨勢(shì)是先緩慢上升后再迅速下降。在環(huán)境處于25～200 ℃下，砂巖試件的峰值應(yīng)力波動(dòng)并不大，200 ～600 ℃試件峰值應(yīng)力先增大后減小，在700 ℃時(shí)試件的峰值應(yīng)力降到最低，此時(shí)強(qiáng)度也達(dá)到最小。

3)在應(yīng)力與常溫作用下，試件會(huì)先以應(yīng)力作用影響為主出現(xiàn)單條裂紋。當(dāng)溫度升高至300 ℃以上，受溫度作用影響，單條裂紋會(huì)有所延伸并形成多條裂紋，出現(xiàn)二次開裂。