真三軸條件下深部煤巖試樣力學(xué)特性研究*

趙杰

(山西三路安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司,山西 長(zhǎng)治市 046000)

0 引言

大量降雨和地下水轉(zhuǎn)移現(xiàn)象的發(fā)生,對(duì)煤礦采空區(qū)穩(wěn)定性的變化產(chǎn)生重要影響,煤礦采空區(qū)賦水,給礦山安全生產(chǎn)帶來(lái)了重大隱患,同時(shí),地層中的巖石在地質(zhì)構(gòu)造作用下往往處于三向不等壓狀態(tài),常規(guī)的巖石力學(xué)試驗(yàn)無(wú)法研究巖石在實(shí)際應(yīng)力條件下的力學(xué)特性[1-2],開展與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況更接近的真三軸試驗(yàn)研究能夠更加準(zhǔn)確地模擬巖體實(shí)際受力狀態(tài),為分析深部煤巖體浸水作用前后煤巖體的穩(wěn)定性提供技術(shù)指導(dǎo)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步,越來(lái)越多的學(xué)者通過(guò)真三軸試驗(yàn)機(jī)開展巖體試件在三向應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)特性試驗(yàn)研究。DU 等[3]利用英國(guó)GDS真三軸儀對(duì)騰格里沙漠風(fēng)積沙進(jìn)行了排水剪切試驗(yàn)研究。GAO等[4]采用三維離散元法(DEM)研究節(jié)理大理巖中間主應(yīng)力和節(jié)理傾角對(duì)宏觀力學(xué)特性的影響。SHEN 等[5]對(duì)“x向位移固定、y向加載、z向卸載”真三軸應(yīng)力路徑下的沖擊危險(xiǎn)煤樣進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究。DUAN 等[6]系統(tǒng)分析了各主應(yīng)力循環(huán)對(duì)煤體變形、能量演化及損傷特征的影響。CHEN等[7]研究了真三軸應(yīng)力作用下原煤水力壓裂誘發(fā)的聲發(fā)射參數(shù)變化規(guī)律和聲發(fā)射事件的時(shí)空分布規(guī)律。CHANG 等[8]提出了一種考慮微裂紋引起的微觀損傷和先存缺陷引起的宏觀損傷的損傷模型來(lái)描述含單一缺陷巖石試件在真三軸壓縮下的破壞行為。LI等[9]對(duì)砂巖進(jìn)行了一系列真三軸試驗(yàn),研究了裂隙巖石的破裂特征和破壞機(jī)制。ZHENG 等[10]對(duì)硬巖在常規(guī)和真三軸應(yīng)力狀態(tài)下的破壞進(jìn)行了對(duì)比分析研究。WANG 等[11]基于自主研發(fā)的真三軸多功能流固耦合試驗(yàn)系統(tǒng)開展砂巖損傷力學(xué)特性研究。馮帆等[12]探討了不同含水狀態(tài)紅砂巖試樣在動(dòng)靜組合狀態(tài)下的失穩(wěn)破裂特征,從能量轉(zhuǎn)化、力學(xué)、物理以及化學(xué)的角度初步揭示了真三軸卸載-動(dòng)力擾動(dòng)下水弱化巖爆機(jī)制。王凱等[13]進(jìn)行了5 種不同真三軸應(yīng)力路徑下含瓦斯復(fù)合煤巖體滲流特性及力學(xué)破壞特征試驗(yàn)研究。許文松等[14]通過(guò)真三軸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)動(dòng)力事故發(fā)生的主要原因是巖體內(nèi)部能量的積聚釋放,巖體次生各向異性對(duì)巖體自身極限儲(chǔ)存能存在很大影響。楊成祥等[15]利用真三軸加載系統(tǒng)和聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)3種蝕變巖的變形、強(qiáng)度、破裂演化過(guò)程及微觀破壞機(jī)制進(jìn)行了分析。

本文利用真三軸力學(xué)試驗(yàn)裝置,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取樣制得的5組煤巖試件分別進(jìn)行真三向應(yīng)力力學(xué)試驗(yàn)與真三向應(yīng)力浸水作用下的力學(xué)特征研究,試樣標(biāo)準(zhǔn)尺寸:100 mm×50 mm×50 mm,分析深部煤巖體變形、強(qiáng)度變化、巖石破壞模式以及巖石破裂失穩(wěn)全過(guò)程,為現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)賦水情況分析提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)概述

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用的試驗(yàn)裝置為實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的集成了壓縮-拉伸-電磁卸荷的高剛性真三軸實(shí)驗(yàn)機(jī),系統(tǒng)外觀及結(jié)構(gòu)如圖1所示?？蛇M(jìn)行符合儲(chǔ)層應(yīng)力條件的真三軸巖石力學(xué)試驗(yàn),該裝置可以通過(guò)三方向剛性加載實(shí)現(xiàn)3個(gè)主應(yīng)力方向的獨(dú)立加載,其中,真三軸加載裝置在中間主應(yīng)力σ2、最小主應(yīng)力σ3方向兩端加載軸均為主動(dòng)加載,在最大主應(yīng)力σ1方向一端加載軸為主動(dòng)加載,另外一端為隨動(dòng)加載。

圖1 高剛性軟巖真三軸實(shí)驗(yàn)機(jī)

1.2 煤巖體真三軸力學(xué)試驗(yàn)

首先依據(jù)煤層應(yīng)力條件確定真三軸巖石力學(xué)試驗(yàn)的應(yīng)力水平。依據(jù)取樣附近地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果,確定了室內(nèi)真三軸巖石力學(xué)試驗(yàn)的應(yīng)力水平。按照自重應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算,取樣附近地層最小水平地應(yīng)力值為5～6 MPa,最大水平地應(yīng)力值為10～12 MPa,豎直向地應(yīng)力值為9～10 MPa,見表1。同時(shí),圖2為煤層與巖性真三軸巖石力學(xué)特性試驗(yàn)應(yīng)力水平示意圖。設(shè)定不同層位及巖性真三軸巖石力學(xué)試驗(yàn)最小水平應(yīng)力σ3=15 MPa、垂向應(yīng)力σ2=20 MPa,最大水平應(yīng)力σ1為加載破壞力。

表1 現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試應(yīng)力水平值

煤巖體真三軸巖石力學(xué)特性試驗(yàn)均采種混合的加載方式。在加載初期,最大主應(yīng)力方向主動(dòng)加載軸以力控為主,隨動(dòng)加載軸以位移控為主,通過(guò)隨動(dòng)加載軸跟隨主動(dòng)加載軸位移進(jìn)行加載。圖3為煤巖體真三軸巖石力學(xué)特性試驗(yàn)應(yīng)力路徑。首先,σ2與σ3以恒定的應(yīng)力加載速率4 kN/min加載,σ1以恒定的應(yīng)力加載速率2 kN/min 同步增壓至σ3設(shè)定的目標(biāo)值,即σ3=σ2=σ1=5 MPa。在這個(gè)過(guò)程中,3個(gè)主應(yīng)力方向應(yīng)力始終以靜水壓力的形式增長(zhǎng)。然后,保持σ3不變,以恒定的速率4 kN/min增加σ2,同時(shí)以恒定的速率2 kN/min增加σ1至σ2設(shè)定的目標(biāo)值,即σ2=σ1=12 MPa。在這個(gè)過(guò)程中,σ1和σ2始終保持相等。最后,保持σ2與σ3不變,巖樣最大主應(yīng)力方向以恒定變形速率0.01 mm/min進(jìn)行加載。此時(shí),主動(dòng)加載軸和隨動(dòng)加載軸均以位移控為主,主動(dòng)加載軸通過(guò)伺服反饋保持巖樣變形速率恒定,而隨動(dòng)加載軸始終跟隨主動(dòng)加載軸位移。當(dāng)巖樣強(qiáng)度達(dá)到峰值強(qiáng)度后,根據(jù)巖樣變形的增大幅度調(diào)整變形速率,直到最終達(dá)到殘余強(qiáng)度。

圖3 真三軸力學(xué)試驗(yàn)應(yīng)力路徑

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 巖樣力學(xué)特性及破壞模式

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室真三軸試驗(yàn)機(jī)開展5組煤巖層巖樣的力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試,具體效果如圖4所示,圖4為5組煤層巖樣在真三向應(yīng)力作用下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線,通過(guò)圖4中1#、3#和5#巖樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以總結(jié)出以下3點(diǎn)。

圖4 1#、3#和5#巖樣全應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

(1) 煤層1#總體上表現(xiàn)出較強(qiáng)的延性,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為裂紋壓密階段、彈性壓縮階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段和宏觀裂紋形成階段。

(2)3#巖樣總體上表現(xiàn)出較強(qiáng)的延性,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分為裂紋壓密階段、彈性壓縮階段、局部裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、局部裂紋壓密、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段和宏觀裂紋形成階段。

(3)5#巖樣總體上表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出階段性特征,即裂紋壓密階段、彈性壓縮階段、裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段、裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展階段和宏觀裂紋形成階段。

通過(guò)圖5中2#和4#煤層巖樣為在浸水前后真三向應(yīng)力作用下的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以總結(jié)出以下2點(diǎn)。

圖5 2#和4#巖樣浸水前后全應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)比

(1)2#巖樣表現(xiàn)出理想彈塑性和較強(qiáng)的延性,巖樣浸水后的應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)出階段性特征,第一階段巖石變形隨應(yīng)力近乎線性增加,到達(dá)一定應(yīng)力后,變形快速增加,應(yīng)力-應(yīng)變曲線近水平。2#巖樣浸水后表現(xiàn)為理想彈塑性,當(dāng)巖石強(qiáng)度超過(guò)其峰值強(qiáng)度4.14 MPa時(shí),巖石發(fā)生破壞,其后強(qiáng)度幾乎無(wú)變化。巖石在發(fā)生浸水及應(yīng)力破壞后,峰值強(qiáng)度降低了55.3%,力學(xué)性質(zhì)弱化,巖石平行層理方向膨脹變形量大于垂直層理方向膨脹變形量,巖石在浸水以及應(yīng)力破壞后沿層理方向持續(xù)發(fā)生滑移,該層位巖石在真三向應(yīng)力和地層浸水后的變形受層理影響較大。浸水后,2#巖樣彈性模量降低了33.5%,變形能力增加。

(2)4#巖樣總體上仍然表現(xiàn)出較強(qiáng)的脆性,巖樣的密度為1.402 g/cm3,巖樣浸水后的階段性強(qiáng)度特征與未浸水試樣一致,可以看出,浸水后仍具有較高的峰值強(qiáng)度,且?guī)r石在發(fā)生破壞后,其仍然具有殘余強(qiáng)度,4#巖樣浸水前后力學(xué)性質(zhì)對(duì)比,浸水后4#巖樣峰值強(qiáng)度降低了16.4%,力學(xué)性質(zhì)弱化。巖石在垂直層理方向的變形能力較強(qiáng),該層位巖石在真三向應(yīng)力及浸水條件下的變形受結(jié)構(gòu)影響較大。浸水后,4#巖樣彈性模量降低了8%,變形能力增加。

2.2 真三向應(yīng)力下巖石的表觀破壞模式及破裂失穩(wěn)全過(guò)程

通過(guò)觀察5組試件表觀破裂模式,研究該試樣在巖石真三軸條件下的破裂模式,如圖6所示,同時(shí)使用聲發(fā)射設(shè)備監(jiān)測(cè)真三向應(yīng)力下巖石破裂失穩(wěn)全過(guò)程,獲得如圖7所示的巖樣聲發(fā)射破裂特征。

圖6 1#、2#、3#、4#和5#巖樣表觀破裂模式

圖7 1#、2#、3#、4#和5#巖樣聲發(fā)射破裂特征

1#巖樣的峰值強(qiáng)度為9.266 MPa且破裂模式表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)控制型剪切破壞,以層理方向剪切滑移為主;2#巖樣浸水前的峰值強(qiáng)度為4.140 MPa,浸水后,峰值強(qiáng)度降低了55.3%,其破壞模式表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)控制型和應(yīng)力控制綜合控制型剪切破壞,煤巖體浸水后的破壞受層理結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的綜合控制;3#巖樣的峰值強(qiáng)度為10.042 MPa且破壞模式表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)和應(yīng)力綜合控制型剪切破壞,當(dāng)煤體層理不發(fā)育時(shí),煤巖體的破壞受層理結(jié)構(gòu)和應(yīng)力的控制;4#巖樣浸水前峰值強(qiáng)度為11.714 MPa,浸水后峰值強(qiáng)度降低了16.4%,其破壞模式主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)控制型剪切破壞,該試樣巖石剪切破壞表現(xiàn)主要為結(jié)構(gòu)控制,結(jié)構(gòu)面受到水的潤(rùn)滑作用,裂紋多沿著結(jié)構(gòu)面擴(kuò)展,巖石易沿結(jié)構(gòu)面產(chǎn)生滑移;5#巖樣的峰值強(qiáng)度為12.378 MPa且破壞模式表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)控制型剪切破壞為主,以層理方向剪切滑移為主。

通過(guò)對(duì)比巖石破裂特征圖和聲發(fā)射破裂特征圖,發(fā)現(xiàn)無(wú)水煤巖體在裂紋壓密階段,其原始裂隙被壓密;進(jìn)入彈性變形階段后,巖石不會(huì)產(chǎn)生次生裂隙;當(dāng)進(jìn)入巖石塑性階段,即達(dá)到巖石的損傷強(qiáng)度時(shí),巖石內(nèi)部裂隙由穩(wěn)定擴(kuò)展進(jìn)入到非穩(wěn)定擴(kuò)展;當(dāng)巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度以及峰后階段,巖石隨即產(chǎn)生宏觀裂隙。浸水煤巖體在裂紋壓密階段,產(chǎn)生較多聲發(fā)射信號(hào),初始原生裂隙由于水的進(jìn)入,層理膠結(jié)程度減弱,水作用后產(chǎn)生的初始裂隙被壓密;進(jìn)入彈性變形階段后,巖石不會(huì)產(chǎn)生次生裂隙;當(dāng)進(jìn)入巖石塑性階段,即達(dá)到巖石的損傷強(qiáng)度時(shí),巖石內(nèi)部裂隙由穩(wěn)定擴(kuò)展進(jìn)入到非穩(wěn)定擴(kuò)展;當(dāng)巖石達(dá)到峰值強(qiáng)度以及峰后階段,巖石隨即產(chǎn)生宏觀裂隙。

獲得真三向應(yīng)力下煤巖體無(wú)水和浸水條件下煤巖體的破壞形式,以上試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)象為力學(xué)模型的開發(fā)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),進(jìn)而對(duì)老舊采空區(qū)由于氣候變化造成的采空區(qū)再次賦水影響礦區(qū)穩(wěn)定問(wèn)題的研究提供了研究基礎(chǔ)。對(duì)礦區(qū)工程巖體穩(wěn)定性分析有著重要意義。

3 結(jié)論

本文基于真三軸煤巖體力學(xué)特性試驗(yàn),以現(xiàn)場(chǎng)原位煤巖體為模板制成標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)試件,對(duì)煤巖體浸水前后的破壞模式進(jìn)行模擬研究,得到以下結(jié)論。

(1) 浸水與否不會(huì)影響煤巖體變形方向,煤巖體巖石均沿第二主應(yīng)力方向(垂直層理方向)、第三主應(yīng)力方向(平行層理方向)發(fā)生膨脹變形,但是未浸水煤巖體在垂直層理方向的變形能力較強(qiáng),而浸水后煤巖體平行層理方向膨脹變形量大于垂直層理方向。層位巖石存在受層理影響、受層理和應(yīng)力同時(shí)影響以及受結(jié)構(gòu)影響3種形式。

(2) 通過(guò)研究浸水前后煤巖體真三向應(yīng)力下的力學(xué)特征發(fā)現(xiàn),浸水前煤巖體層位巖石存在受層理影響、層理+應(yīng)力同時(shí)影響和結(jié)構(gòu)影響3種形式;在發(fā)生浸水后,2#巖樣峰值強(qiáng)度降低了55.3%,4#巖樣峰值強(qiáng)度降低了16.4%,力學(xué)性質(zhì)弱化。更加真實(shí)地證明了浸水作用會(huì)極大地降低煤巖體的穩(wěn)定性。