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        不同圍壓下黃砂巖力學(xué)特征與聲發(fā)射特征

        2019-08-05 01:44:42黃順杰李英明
        煤礦安全 2019年6期
        關(guān)鍵詞:裂紋

        黃順杰,李英明,劉 剛,2,程 詳

        (1.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院,安徽 淮南 232000;2.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省煤礦深部開(kāi)采地壓控制與瓦斯治理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150022)

        在地下工程的施工中,硐室和隧道的開(kāi)挖使其周?chē)瓗r應(yīng)力平衡被打破,開(kāi)挖周邊一定范圍內(nèi)應(yīng)力重新分布[1-2]。三軸試驗(yàn)?zāi)芨玫哪M巖石在地下真實(shí)所受的力學(xué)環(huán)境[3-5]。開(kāi)采深度不同,圍巖所處的力學(xué)狀態(tài)不一致[6-7],導(dǎo)致其力學(xué)特性發(fā)生了本質(zhì)的改變,巖石破壞過(guò)程中,伴隨著能量釋放并產(chǎn)生瞬時(shí)彈性波,聲發(fā)射檢測(cè)系統(tǒng)能較好地監(jiān)測(cè)巖石損傷破壞的過(guò)程[8-12],利于研究巖石內(nèi)部裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展及破裂損傷演化[13-14]。張磊[15]通過(guò)對(duì)煤樣進(jìn)行聲發(fā)射及損傷特性進(jìn)行試驗(yàn),并對(duì)煤樣變形、破壞進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)。顧義磊[16]通過(guò)對(duì)巖石進(jìn)行不同圍壓及峰后卸載過(guò)程聲發(fā)射試驗(yàn)。楊永明[17]通過(guò)三軸壓縮試驗(yàn)分析了巖石破壞時(shí)能量與裂紋發(fā)育規(guī)律。王思洋[18]通過(guò)對(duì)不同圍壓下大理巖破壞試驗(yàn),分析了不同圍壓下巖石破壞過(guò)程中聲發(fā)射能量、幅值、計(jì)數(shù)變化規(guī)律。然而,巖石作為一種復(fù)雜、非均勻的材質(zhì),其在外界擾動(dòng)下的破壞行為和裂紋發(fā)育過(guò)程中的力學(xué)機(jī)制還有待研究,特別是高圍壓下黃砂巖破壞形態(tài)、裂紋數(shù)目和聲發(fā)射計(jì)數(shù)之間的規(guī)律還有待研究。通過(guò)對(duì)已有的研究了解,利用Rock 600-50型巖石三軸流變儀對(duì)黃砂巖施加不同的圍壓,研究其加載過(guò)程和破壞后砂巖試件的力學(xué)特性和聲發(fā)射特性及破壞后的形態(tài)。此外,對(duì)聲發(fā)射計(jì)數(shù)和峰值應(yīng)力與圍壓之間的關(guān)系進(jìn)行分析,進(jìn)一步揭示巖石在不同圍壓作用下壓縮破壞的規(guī)律。

        1 試樣特征及試驗(yàn)設(shè)備

        1.1 試樣特征

        試驗(yàn)采用黃砂巖為試驗(yàn)材料,按GB/T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》要求將樣品加工制成φ50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱體試件。加工后的試件兩端盡量保持平整,不平整度≤0.02 mm。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)備

        本試驗(yàn)采用法國(guó)Rock 600-50型巖石三軸流變儀。由軸壓加載系統(tǒng)、圍壓加載系統(tǒng)、ENERPAC液壓手壓泵、智能控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成??墒┘幼畲筝S向應(yīng)力375 MPa和圍壓60 MPa。Sensor Highway II型聲發(fā)射由美國(guó)PAC與美國(guó)EPRI共同開(kāi)發(fā)的設(shè)備,具有同步的聲發(fā)射撞擊信號(hào)特征抽取及波形信號(hào)采集與頻譜分析功能。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1。

        圖1 巖石三軸試驗(yàn)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

        2 試驗(yàn)方案和研究方法

        為研究黃砂巖在不同圍壓下破壞特征,設(shè)置了圍壓水平分別為 0、10、20、30 MPa,加載速率為 0.05 MPa/s,每個(gè)圍壓水平做3個(gè)試件作為對(duì)照試驗(yàn)。

        試驗(yàn)過(guò)程如下:

        1)把試樣裝入套囊內(nèi),安裝環(huán)向應(yīng)變計(jì),然后安裝密封圈(防止液壓油浸入試件,影響巖石強(qiáng)度),利用ENERPAC液壓手壓泵,把裝好試件升上端壓力腔,并用螺絲固定好,并用橡膠錘緊固螺絲,扳下開(kāi)關(guān)至Down的位置。

        2)試件安裝完畢后,啟動(dòng)加壓裝置,首先關(guān)閉V1、V6和 V10,打開(kāi) V5,因?yàn)楸?1 能提供 3 MPa 的壓力,所以在泵1把壓力腔充滿后,達(dá)到靜水平壓力σ1=σ3。

        3)關(guān)閉V5,打開(kāi)V7和 V9,打開(kāi)聲發(fā)射并啟動(dòng)泵3,利用泵3的高壓以0.05 MPa/s的速率施加圍壓直至達(dá)到預(yù)設(shè)值(10、20、30 MPa)。

        4)以0.05 MPa/s的加載速率施加軸壓直至試件破壞。試驗(yàn)結(jié)束后,關(guān)閉聲發(fā)射并保存數(shù)據(jù),取出試樣,描述破壞特征。

        3 試驗(yàn)結(jié)果分析

        3.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

        通過(guò)試驗(yàn)得出的單軸壓縮和不同圍壓下三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2(圖中:σ1為軸壓,σ3為圍壓)。黃砂巖試件力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1(最大離差值=(最大抗壓強(qiáng)度-平均抗壓強(qiáng)度)/強(qiáng)度平均值×100%;峰值點(diǎn)應(yīng)變:試件在達(dá)到應(yīng)力峰值破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變量)。

        圖2 不同圍壓下應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        從圖2和表1可以看出,隨圍壓的增大,三軸抗壓強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度、軸向峰值應(yīng)變逐漸增大,徑向峰值應(yīng)變?cè)龃蟛幻黠@。從體應(yīng)變來(lái)看,圖中都表現(xiàn)出了體應(yīng)變隨偏應(yīng)力的增大而增大,表現(xiàn)出了明顯的擴(kuò)容。當(dāng)黃砂巖試件達(dá)到峰值應(yīng)力后,出現(xiàn)塑性破壞,體應(yīng)變開(kāi)始減小。從試驗(yàn)曲線得出,黃砂巖破壞經(jīng)歷了4個(gè)階段。

        1)壓實(shí)階段。巖石內(nèi)部原始微裂隙,在圍壓和軸壓相互作用下被壓縮。此階段在單軸壓縮中非常明顯,在三軸壓縮中此過(guò)程不太明顯,主要是原始裂隙在施加圍壓的過(guò)程中已經(jīng)被壓密。圍壓越大,這種特征表現(xiàn)越不明顯。

        表1 不同圍壓下巖石試件力學(xué)參數(shù)表

        2)彈性階段。從圖2可以看出明顯的線性彈性階段。此過(guò)程應(yīng)變隨著圍壓的增加而線性增加。

        3)塑性階段。此階段應(yīng)變?cè)黾?,體應(yīng)變達(dá)到最大,此階段隨圍壓的增大而延長(zhǎng)。

        4)破壞階段。軸向應(yīng)力達(dá)到峰值應(yīng)力后,軸向應(yīng)力迅速減小,說(shuō)明此時(shí)試件已經(jīng)失去承載能力。

        圍壓越大,此過(guò)程經(jīng)歷時(shí)間越短,應(yīng)力衰減速率越快。在10 MPa圍壓下,軸向應(yīng)變?cè)诜搴蟪试龃筅厔?shì),在10 MPa和20 MPa圍壓下,軸向應(yīng)變先略微增加,然后減小,最終呈現(xiàn)出減小趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)峰后殘余強(qiáng)度分析,單軸壓縮時(shí)由于沒(méi)有圍壓的束縛,殘余應(yīng)力為 3.16 MPa,10、20、30 MPa圍壓下殘余應(yīng)力分別為 76.2、138.09、160.32 MPa。

        從表1可以看出,峰值應(yīng)力與圍壓正相關(guān),相鄰圍壓間峰值應(yīng)力增量為△σ,△σ0-10<△σ10-20<△σ20-30,單軸壓縮沒(méi)有圍壓的束縛,當(dāng)軸壓超過(guò)試件的承載能力時(shí),便發(fā)生破壞,展現(xiàn)出了黃砂巖脆性特性。當(dāng)施加圍壓后,由于圍壓的束縛,試件內(nèi)部的裂隙被壓縮,增大巖石內(nèi)部的摩擦力,因此,承載能力增大。隨著圍壓的增加,峰值應(yīng)力增加量減少。并且隨著圍壓的增大,軸向應(yīng)變峰值呈增大趨勢(shì)。從最大離差值可以看出本試驗(yàn)黃砂巖的材料還是比較均勻的。

        3.2 聲發(fā)射和應(yīng)力及時(shí)間曲線

        三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及聲發(fā)射曲線如圖3。從圖中可以看出,聲發(fā)射經(jīng)歷了3個(gè)階段。

        圖3 三軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及聲發(fā)射曲線

        1)穩(wěn)定階段。聲發(fā)射信號(hào)很微弱,此時(shí)主要為巖石壓密階段,細(xì)小的裂紋和致密的空隙慢慢被擠壓融合,聲發(fā)射呈現(xiàn)出非常弱的信號(hào)。

        2)緩慢增加階段。隨著軸壓不斷增大,聲發(fā)射計(jì)數(shù)有增加趨勢(shì),但整體上可以看出此階段前期和中期比較穩(wěn)定。并隨著圍壓的增大,此階段的上升起點(diǎn)需要時(shí)間更久。主要是因?yàn)榇诉^(guò)程應(yīng)力還是相對(duì)較小,有圍壓的束縛,不足以使黃砂巖試件產(chǎn)生新的裂紋和破損。

        3)活躍階段。接近應(yīng)力峰值,聲發(fā)射信號(hào)瞬間越強(qiáng)。聲發(fā)射計(jì)數(shù)跳躍式增大,并間斷性的活躍,原因是軸壓的持續(xù)增加,黃砂巖內(nèi)部原始裂紋發(fā)育并開(kāi)始產(chǎn)生新的裂紋。曲線上升出現(xiàn)拐點(diǎn),說(shuō)明試件將要破壞的信號(hào)。試樣破壞時(shí),主裂紋貫通,試件由整體變成碎裂,從而造成試件承載能力迅速下降,這點(diǎn)從應(yīng)力曲線可以看出,聲發(fā)射信號(hào)計(jì)數(shù)達(dá)到最大。計(jì)數(shù)峰值隨圍壓的增大而增加,持續(xù)時(shí)間與圍壓呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)試樣破壞后,結(jié)合表1數(shù)據(jù)可以看出應(yīng)力曲線出現(xiàn)迅速的下降,聲發(fā)射計(jì)數(shù)數(shù)量明顯下降,但殘余強(qiáng)度隨圍壓的增加,增大明顯。但圍壓的存在使得試件內(nèi)部的摩擦力增大,從而出現(xiàn)二次破壞或者多次破壞。

        3.3 不同圍壓下砂巖破壞形態(tài)

        不同圍壓下砂巖壓縮破壞形態(tài)(每組為1個(gè)試件完整的破壞形態(tài))如圖4。

        試驗(yàn)結(jié)束后取出試件,能明顯的看到膠套出現(xiàn)膨脹變形,環(huán)向應(yīng)變計(jì)發(fā)生明顯的擴(kuò)張。單軸壓縮中(σ3=0 MPa)1條斜切主裂紋,在其中部附近還有部分小裂紋。σ3=10 MPa時(shí)呈現(xiàn)雙“V”破壞形態(tài),1條主裂紋貫穿整個(gè)試件,另外2條大裂紋與其斜交,并且在試件頂部軸向應(yīng)力施加處破壞更嚴(yán)重,裂紋數(shù)目增加。σ3=20 MPa時(shí)既有雙“V”破壞,也有“X”破壞,主裂紋并未貫穿整個(gè)試件,而是貫穿一部分與另1條裂紋相交,在三維空間形成網(wǎng)絡(luò)形狀。σ3=30 MPa時(shí)破壞程度較弱些,一條主裂紋貫穿整個(gè)試件,試件下部有小裂紋近乎平行試件高度的方向,未形成裂紋網(wǎng)絡(luò)形態(tài)。綜合分析,圍壓是影響黃砂巖破壞重要因素,高圍壓下破碎程度降低,裂紋數(shù)量和次生裂紋減少,由很復(fù)雜的裂紋形態(tài)變?yōu)榻浦本€裂紋。破碎程度隨著圍壓的增加而減小,也從側(cè)面反映出試件的承載力隨圍壓增加而增加。

        圖4 不同圍壓黃砂巖試樣典型破壞形態(tài)

        4 結(jié)論

        1)在三軸壓縮試驗(yàn)中,圍壓增大,巖石抗壓強(qiáng)度、彈性模量和軸向峰值應(yīng)變相應(yīng)都明顯增大。

        2)試件破壞過(guò)程中聲發(fā)射計(jì)數(shù)峰值與圍壓正相關(guān),聲發(fā)射活躍范圍主要集中在峰值應(yīng)力前。試件破壞后聲發(fā)射計(jì)數(shù)急劇下降,表明時(shí)間已經(jīng)破壞。

        3)單軸壓縮條件下,峰后應(yīng)力下降迅速;三軸壓縮條件下,峰后應(yīng)力出現(xiàn)部分線性降低區(qū),峰后殘余強(qiáng)度隨著圍壓的增大而增大。圍壓增加破裂面間摩擦力,并出現(xiàn)二次或者多次破壞。

        4)圍壓是影響試件破壞形態(tài)的主要因素,單軸壓縮破壞為斜切破壞,破壞形態(tài)為1條近45°的主裂紋,中部產(chǎn)生部分次生裂紋。三軸壓縮試驗(yàn)中破壞不僅有“V”和“X”型剪切破壞形態(tài)。

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