雙軸加載條件下紅砂巖基本力學(xué)特性及破壞機制

馬興印，公緒飛，卞立國，尹寶杰，王 超，王方方，郭偉耀，張鵬飛

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島 266590；3.開灤(集團)有限責(zé)任公司 能源化工股份有限公司，河北 唐山 063000；4.開灤(集團)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河北 唐山 063000；5. 兗礦能源股份有限公司，山東 濟寧 273500)

隨著礦井開采深度增加，巷道圍巖大變形破壞、沖擊地壓破壞等災(zāi)害頻發(fā)，對煤炭資源安全高效開采造成重大威脅[1-3]。研究開挖卸荷巷道圍巖破裂特征及其力學(xué)演化過程，可為深井巷道圍巖控制和沖擊地壓防治提供重要依據(jù)。巷道開挖后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)由近似單向受力狀態(tài)向雙向應(yīng)力狀態(tài)和三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變[4]。針對巷道圍巖的三種應(yīng)力狀態(tài)，眾多學(xué)者開展了大量煤巖體單軸加載、雙軸加載、三軸加載等試驗研究。

在單軸加載方面，李庶林等[5]通過巖石單軸受壓破壞試驗研究了巖石破壞全過程的聲發(fā)射(acoustic emission，AE)特征；蘇承東等[6]對砂巖進(jìn)行單軸壓縮下的聲發(fā)射試驗，分析了砂巖破壞的聲發(fā)射前兆信息；劉?？h等[7-8]通過煤巖單軸壓縮變形及聲發(fā)射試驗研究，建立了基于聲發(fā)射特性的單軸壓縮煤巖損傷模型。在雙軸加載方面，黎立云等[9]進(jìn)行了雙向加卸載試驗，通過紅外監(jiān)測技術(shù)研究了巖石能量的釋放規(guī)律；徐世達(dá)等[10]開展了不同側(cè)壓下花崗巖試樣的雙軸加載試驗，分析了抗壓強度、聲發(fā)射活動與側(cè)向壓力的關(guān)系。在三軸加載方面，李建林等[11]基于三軸卸荷破壞試驗，研究了砂巖在三軸卸荷狀態(tài)下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線及破壞特征；劉新榮等[12]開展了不同初始卸荷水平的三軸加卸載試驗，研究了加卸載對砂巖的強度、變形及擴容特征的影響；楊永杰等[13]通過不同加、卸荷路徑的煤樣三軸加載試驗，分析了煤樣破壞過程中的能量演化規(guī)律；劉婕等[14]開展了花崗巖真三軸加卸載試驗，分析了不同路徑下的特征應(yīng)力、破壞形式和能量演化特征；榮浩宇等[15]開展巖石真三軸擾動卸荷試驗，分析了不同應(yīng)力路徑下的力學(xué)參數(shù)及巖石變形破壞特征。上述文獻(xiàn)主要針對單向和三向應(yīng)力狀態(tài)下巖石變形破壞過程進(jìn)行了大量的研究，但雙向應(yīng)力狀態(tài)下巖石破壞機制研究還不夠充分。

為研究巷道開挖卸荷后圍巖的破壞特征，利用自制的簡易雙軸加載裝置，對紅砂巖試樣開展了不同側(cè)壓下雙軸加載試驗，研究了雙向應(yīng)力狀態(tài)下紅砂巖變形破壞及聲發(fā)射演化規(guī)律，從能量角度探討了雙向應(yīng)力狀態(tài)下紅砂巖破壞機制，對煤礦現(xiàn)場巷道圍巖控制及沖擊地壓災(zāi)害防治有一定理論指導(dǎo)意義。

1 試驗方案及試驗過程

1.1 試樣制備及試驗方案

鑒于紅砂巖質(zhì)地均勻，取樣離散性因素可控[16]，選取紅砂巖進(jìn)行研究。將紅砂巖加工成尺寸為50 mm×50 mm×100 mm的長方體試樣，保證其試樣端面不平行度和不垂直度小于0.02 mm。為減少試樣差異性，對制備好的試樣進(jìn)行縱波速度測試，選取波速在2 100～2 300 m/s的紅砂巖試樣。共選取18塊試樣進(jìn)行力學(xué)試驗，其中3塊進(jìn)行單軸抗壓強度試驗，以獲得該尺寸下的單軸力學(xué)特性，其他試樣進(jìn)行5種側(cè)壓下的雙軸試驗。具體試驗方案見表1。

表1 試驗方案

圖1 試驗系統(tǒng)

1.2 試驗過程

試驗系統(tǒng)由加載系統(tǒng)和聲發(fā)射系統(tǒng)兩部分組成，如圖1所示。加載系統(tǒng)包括RLJW-2000型巖石試驗機和自主設(shè)計的簡易雙軸加載裝置，雙軸加載裝置側(cè)向加載面高度97 mm，保證與軸向加載面存在一定間隙。采用AMSY-6聲發(fā)射系統(tǒng)，門檻值設(shè)置為40 dB，采樣頻率為10 MHz；在自由面布置一個聲發(fā)射探頭，探頭與試樣之間涂抹凡士林，提高接觸面耦合度且降低信號損失。試驗過程中，根據(jù)表1的試驗方案進(jìn)行雙軸加載試驗，具體為：首先以0.1 MPa/s的加載速率同時施加軸壓與側(cè)壓至設(shè)定值，之后保持側(cè)壓不變；然后，以0.25 mm/min的位移加載速率施加軸壓，同步收集試樣載荷-位移數(shù)據(jù)和聲發(fā)射數(shù)據(jù)，直至試樣發(fā)生破壞。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 基本力學(xué)特性

圖2給出了不同側(cè)壓下典型紅砂巖試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線，所提到的應(yīng)力均指偏應(yīng)力?？梢钥闯?，應(yīng)力-應(yīng)變曲線可劃分成4個階段，即壓密階段、彈性階段、屈服階段和破壞階段；隨著側(cè)壓增大，應(yīng)力-應(yīng)變曲線中壓密階段占比逐漸減小(曲線斜率變化較小時進(jìn)入彈性階段，標(biāo)志著壓密階段結(jié)束)。對不同側(cè)壓下壓密階段占比進(jìn)行統(tǒng)計，如圖3所示。當(dāng)側(cè)壓為0時，壓密階段應(yīng)變占整個應(yīng)變的57.38%，而側(cè)壓增大到10 MPa時，壓密階段應(yīng)變僅占總應(yīng)變19.20%，表明側(cè)壓增大可顯著減小壓密階段應(yīng)變占比。

圖2 不同側(cè)壓下紅砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig. 2 Stress-strain curves of red sandstone under different lateral pressures

圖3 不同側(cè)壓下壓密階段應(yīng)變占比Fig. 3 Strain ratio in compaction stage under different lateral pressures

圖4給出了試樣峰值強度、峰值應(yīng)變、彈性模量與側(cè)壓的關(guān)系，其中3個參數(shù)為平均值。側(cè)壓對紅砂巖基本力學(xué)參數(shù)有顯著影響，隨著側(cè)壓增大，峰值強度呈先增大后減小的變化趨勢。當(dāng)側(cè)壓為0時，峰值應(yīng)力為56.81 MPa，之后隨側(cè)壓增大峰值強度逐漸增大；當(dāng)側(cè)壓為5 MPa時，峰值強度取最大值為76.23 MPa。峰值應(yīng)變隨側(cè)壓增大呈逐漸減小的趨勢，當(dāng)側(cè)壓為0時，峰值應(yīng)變最大為1.6%，而當(dāng)側(cè)壓增大到10 MPa時，峰值應(yīng)變減小到0.93%，較側(cè)壓為0時減小了41.9%。隨著側(cè)壓增大，彈性模量呈先增大后減小的趨勢，其變化趨勢與峰值強度類似，當(dāng)側(cè)壓從0增大到5 MPa時，試樣的彈性模量由7.33 GPa增加到9.13 GPa，增大了24.6%，而當(dāng)側(cè)壓增大到10 MPa時，彈性模量減小到8.31 GPa。

圖4 峰值強度、峰值應(yīng)變、彈性模量與側(cè)壓的關(guān)系圖

由上述分析可知，隨著側(cè)壓增大，峰值強度呈先增大再減小的變化規(guī)律，當(dāng)側(cè)壓為5 MPa時(約為單軸抗壓強度的10%)，峰值強度達(dá)到最大；而超過此側(cè)壓，峰值強度會逐漸降低，但同樣高于單軸抗壓強度，這與文獻(xiàn)[17]研究結(jié)果相一致。這可能與側(cè)壓對裂紋的作用狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)側(cè)壓較低時，側(cè)向壓力會限制垂直方向的裂紋擴展，因此可以明顯增強巖石承載能力，而隨側(cè)壓增大，較大的側(cè)壓與軸壓產(chǎn)生的切應(yīng)力造成了巖石內(nèi)部損傷，導(dǎo)致裂紋加速發(fā)育進(jìn)而弱化巖石承載能力。

2.2 破壞模式

紅砂巖試樣破壞產(chǎn)生的宏觀裂紋主要分布于側(cè)向加載面，將不同側(cè)壓下側(cè)向加載面的破壞形態(tài)進(jìn)行了素描，如圖5所示。同時，表2給出了試樣破壞過程中的現(xiàn)象描述。

圖5 不同側(cè)壓下雙軸加載紅砂巖側(cè)向加載面破壞形態(tài)圖Fig. 5 Failure mode diagram of lateral loading surface of biaxial loading red sandstone under different lateral pressures

由圖5和表2可知，隨著側(cè)壓增大，紅砂巖破壞模式由劈裂破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變。當(dāng)側(cè)壓為0、1或3 MPa時，試樣沿軸向方向產(chǎn)生多條貫穿裂紋，發(fā)生明顯的劈裂破壞，即為拉伸破壞機制。當(dāng)側(cè)壓增大到5 MPa時，靠近自由面區(qū)域產(chǎn)生多條軸向宏觀裂紋，而遠(yuǎn)離自由面位置產(chǎn)生一條傾斜剪切裂紋，表明在遠(yuǎn)離自由面過程中，試樣內(nèi)部由劈裂破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變。側(cè)壓為8 MPa時，破裂面存在一條明顯剪切裂紋，且自由面區(qū)域發(fā)生局部劈裂破壞，紅砂巖試樣主要發(fā)生剪切破壞。當(dāng)側(cè)壓增大到10 MPa時，沿對角線方向產(chǎn)生一條剪切裂紋，且自由面區(qū)域未見明顯裂紋發(fā)育，試樣發(fā)生剪切破壞。

結(jié)合表2給出的破壞現(xiàn)象進(jìn)行分析，當(dāng)側(cè)壓為0、1或3 MPa時，試樣在破壞階段產(chǎn)生了較大聲響，破裂面比較干凈，試樣發(fā)生劈裂破壞而失去承載力。當(dāng)側(cè)壓增大到5和8 MPa時，試樣在破壞階段產(chǎn)生了較大聲響，且沿剪切面產(chǎn)生砂巖粉末，表明其形貌是由剪切滑移機制產(chǎn)生，與文獻(xiàn)[18-19]研究結(jié)果一致。而當(dāng)側(cè)壓增大到10 MPa時，除上述現(xiàn)象外，試樣自由面還產(chǎn)生了巖塊拋出等現(xiàn)象，表明隨著側(cè)壓增大，試樣破壞過程更加劇烈。

表2 試樣破壞描述

2.3 聲發(fā)射演化規(guī)律

圖6給出了不同側(cè)壓下試樣加載過程中應(yīng)力、聲發(fā)射能量與時間的關(guān)系。當(dāng)側(cè)壓為0和1 MPa時，整個加載過程的聲發(fā)射活動較為活躍，聲發(fā)射累計能量近似呈臺階狀上升；而當(dāng)側(cè)壓增大到3和5 MPa時，加載前期聲發(fā)射活動相對減弱，破壞階段產(chǎn)生的聲發(fā)射能量明顯增加，表現(xiàn)為破壞階段累計能量大幅度增加；當(dāng)側(cè)壓增大到8和10 MPa時，上述規(guī)律進(jìn)一步增強，破壞階段的聲發(fā)射能量占比進(jìn)一步增加。

圖6 不同側(cè)壓下AE能量參數(shù)、應(yīng)力隨時間演化規(guī)律Fig. 6 AE energy parameters and stress evolution with time under different lateral pressures

圖7 AE能量參數(shù)隨側(cè)壓的演化規(guī)律

為進(jìn)一步分析破壞階段聲發(fā)射能量釋放規(guī)律，對不同側(cè)壓下紅砂巖試樣破壞階段的聲發(fā)射能量進(jìn)行統(tǒng)計分析，如圖7所示。隨著側(cè)壓增大，破壞階段的聲發(fā)射能量占比近似線性增加，表明破壞階段釋放能量隨側(cè)壓增大而增加。結(jié)合試樣破壞模式由劈裂破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變可知，雙軸加載情況下剪切破壞釋放能量大于劈裂破壞。

3 討論

如圖8所示，側(cè)向加載面約束力隨側(cè)壓增大而增大，限制了垂直于最小主應(yīng)力方向的裂紋產(chǎn)生，最小主應(yīng)力方向的拉伸應(yīng)變開始減小，試樣峰值強度逐漸增大，而隨著軸向壓力應(yīng)力增大，試樣內(nèi)部剪應(yīng)力開始增大，最終發(fā)生破壞。低側(cè)壓時，紅砂巖破壞機制以拉伸破壞為主，試樣破壞與軸向裂紋發(fā)育有關(guān)，未有剪切裂紋貫穿；高側(cè)壓時，紅砂巖破裂機制以剪切破壞為主，試樣破壞與剪切裂紋貫穿有關(guān)，沿剪切裂紋形成傾斜破裂面。

結(jié)合圖6、圖8分析可知，低側(cè)壓時，試樣最終破壞形成多個明顯破裂面，軸向裂紋較為發(fā)育。這與聲發(fā)射能量演化相對應(yīng)，在加載過程中，軸向裂紋發(fā)育導(dǎo)致能量多次釋放、聲發(fā)射能率增加，由于能量多次釋放，導(dǎo)致破壞瞬間釋放能量相對較少；高側(cè)壓時，試樣最終破壞形成一個明顯剪切破裂面，裂紋發(fā)育較少，表明加載過程中能量釋放較少，剪切破壞時將釋放更多能量，導(dǎo)致破壞階段聲發(fā)射能量占比進(jìn)一步提升。

圖8 試樣破壞機制示意圖

沖擊地壓防治主要通過對巷道圍巖卸壓及控制來實現(xiàn)，結(jié)合上述試驗，可以考慮從減少圍巖破壞時釋放能量角度入手，降低圍巖側(cè)向應(yīng)力程度。當(dāng)側(cè)向壓力高時，圍巖單次釋放較高的能量，不利于災(zāi)害的防治；而當(dāng)側(cè)向應(yīng)力降低時，圍巖破壞時能量釋放呈高頻低能特征。煤礦現(xiàn)場可通過大直徑卸壓鉆孔進(jìn)行卸壓，降低一定深度內(nèi)側(cè)向應(yīng)力，釋放煤體內(nèi)部儲存的應(yīng)變能，保證煤體破壞時能夠緩慢釋放能量，但卸壓孔過多會破壞圍巖完整性，導(dǎo)致圍巖承載能力降低。因此，在沖擊地壓防治工程實踐中，在保證巷道圍巖承載力同時，應(yīng)選擇合理的卸壓參數(shù)以降低圍巖側(cè)向應(yīng)力水平。

4 結(jié)論

1) 側(cè)壓對紅砂巖的基本力學(xué)性質(zhì)影響較大，隨著側(cè)壓增大，紅砂巖峰值強度和彈性模量呈先增大后減小的趨勢，而試樣的峰值應(yīng)變呈逐漸減小的趨勢。

2) 隨著側(cè)壓增加，紅砂巖的破壞模式由劈裂破壞向剪切破壞轉(zhuǎn)變。低側(cè)壓時，紅砂巖試樣主要發(fā)生劈裂破壞，為拉伸破壞機制；高側(cè)壓時，紅砂巖試樣主要發(fā)生剪切破壞，為剪切破壞機制。

3) 隨著側(cè)壓增加，紅砂巖試樣加載過程中的聲發(fā)射累計能量逐漸減小，但破壞階段的聲發(fā)射能量占比逐漸增大，表明雙軸加載情況下剪切破壞釋放能量大于劈裂破壞。