王珍珍

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

1 概述

高溫對(duì)巖石力學(xué)行為的影響已成為目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。由于高溫作用巖石物理力學(xué)性能會(huì)發(fā)生變化，對(duì)地下工程領(lǐng)域的安全性及穩(wěn)定性產(chǎn)生重大影響。因此，研究高溫作用下巖石材料物理力學(xué)性能變化具有重要意義。

近年來，很多學(xué)者針對(duì)石灰?guī)r、花崗巖、大理巖、閃長(zhǎng)巖等進(jìn)行了深入的研究。如，Zhang等[1]研究了高溫對(duì)石灰?guī)r細(xì)觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響；朱合華等[2]對(duì)熔結(jié)凝灰?guī)r、花崗巖及流紋狀凝灰角礫巖3種巖石的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究；Zhang等[3，4]等分析比較了高溫下大理石、石灰?guī)r和砂巖的應(yīng)力—應(yīng)變曲線、峰值強(qiáng)度、峰值應(yīng)變及彈性模量之間的區(qū)別；杜守繼[5]、陳有亮等[6]對(duì)經(jīng)歷不同高溫后花崗巖的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究；陳國(guó)飛、楊圣奇等[7]基于力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)高溫作用后大理巖的力學(xué)性能、熱損傷特性演化規(guī)律及破壞規(guī)律進(jìn)行了探討。

上述學(xué)者對(duì)經(jīng)歷高溫作用后及高溫下巖石的力學(xué)性能及破壞規(guī)律進(jìn)行了詳細(xì)研究，但對(duì)于高溫單向約束煤層頂板砂巖的物理力學(xué)特性研究相對(duì)較少。基于此，本文選擇合適的煤層頂板砂巖作為實(shí)驗(yàn)材料，對(duì)經(jīng)歷25 ℃～700 ℃不同高溫單向約束后砂巖試樣進(jìn)行電鏡掃描及單軸壓縮試驗(yàn)，分析不同溫度后砂巖試樣的物理性質(zhì)(如微觀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量損失率、體積膨脹率和密度降低率)、應(yīng)力應(yīng)變曲線、強(qiáng)度及變形參數(shù)，研究成果可為煤炭氣化等類似工程開采方案設(shè)計(jì)、高溫后圍巖巷道破裂失穩(wěn)的預(yù)測(cè)防治提供理論及技術(shù)支持。

2 試驗(yàn)概況

2.1 巖性特征和試樣準(zhǔn)備

本研究選用的巖石材料為砂巖，采自中國(guó)河南省焦作市方莊煤礦地下550 m深處煤層頂板，為二疊紀(jì)砂巖。該巖樣的主要成分為長(zhǎng)石、石英，含有少量云母，平均密度為2.654×103kg/m3，平均縱波波速為4 410 m/s，彈性模量為16.764 GPa，抗壓強(qiáng)度為205.109 MPa。為了避免各向異性對(duì)力學(xué)結(jié)果的影響，將砂巖試樣切割打磨成50 mm×50 mm×50 mm的標(biāo)準(zhǔn)立方體試樣，為了保證巖樣兩端平行度和平整度，試件的平行度控制在要求范圍以內(nèi)。

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)康膶⑸皫r共加工成18個(gè)試樣，將試樣共分為6個(gè)溫度等級(jí)，分別為25 ℃(室溫)，300 ℃，400 ℃，500 ℃，600 ℃，700 ℃，每組3個(gè)試樣，如表1所示。

表1 各溫度組砂巖巖樣數(shù)量

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

為達(dá)到本試驗(yàn)?zāi)康?，選用自行研制高溫加熱爐對(duì)試樣進(jìn)行加溫，其最高施加溫度可達(dá)到1 200 ℃，爐體外部溫度稍高于室溫。其中可提供單向約束的約束框架可與高溫加熱爐配套使用。此外，所有單軸壓縮試驗(yàn)均在中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所研制的RMT-150C(如圖1所示)型伺服試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，伺服控制系統(tǒng)最大垂直靜荷載為1 000 kN，最大垂直動(dòng)荷載為500 kN，最大壓縮變形量為20 mm。

2.3 試驗(yàn)程序

首先，加溫前測(cè)量各砂巖試樣的尺寸、質(zhì)量。然后，將試樣放置在高溫加熱爐中以10 ℃/min的升溫速率分別升溫至預(yù)定溫度，達(dá)到預(yù)定溫度后再恒溫2 h。然后將其自然冷卻至室溫。將試樣取出，再次測(cè)量高溫處理后的質(zhì)量、尺寸。最后，對(duì)砂巖試樣進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，以2 kN/s的速度施加軸力，直至發(fā)生破壞。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 體積、質(zhì)量及密度變化

為了了解溫度對(duì)砂巖試樣質(zhì)量、體積及密度的影響，分別測(cè)試了高溫前后砂巖試樣的質(zhì)量、體積。并且通過分析高溫前后砂巖試樣質(zhì)量、體積和密度的變化，可以得出質(zhì)量、體積和密度變化率的計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

其中，V1,V2,m1,m2,ρ1,ρ2分別為試樣熱處理前后的體積、質(zhì)量、密度。質(zhì)量變化率、體積變化率、密度變化率和縱波波速隨測(cè)試溫度的變化規(guī)律如圖2所示。圖2中所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均取自高溫前后的完整砂巖試件。

從圖2中可以看出，隨著溫度升高，質(zhì)量損失率不斷增加，且損失速率先緩慢增加再快速增加。在500 ℃之前，質(zhì)量損失率為2.368%；而當(dāng)溫度超過500 ℃時(shí)，質(zhì)量損失率快速增加，溫度達(dá)到700 ℃時(shí)質(zhì)量損失率為5.215%。在溫度500 ℃之前，砂巖中礦物吸附水脫出，且部分有機(jī)質(zhì)發(fā)生熱解反應(yīng)，造成砂巖質(zhì)量減少，但質(zhì)量損失率下降幅度緩慢；當(dāng)溫度高于500 ℃時(shí)，砂巖中礦物晶格中結(jié)構(gòu)水脫出，且有機(jī)物發(fā)生熱分解反應(yīng)；同時(shí)，礦物晶型發(fā)生相變(α-β轉(zhuǎn)變)、熔融，甚至是部分礦物成分消失，綜合作用使得砂巖質(zhì)量減少，且質(zhì)量損失幅度增大。

熱處理不僅使得砂巖的質(zhì)量減少，而且對(duì)砂巖的體積、密度和縱波波速也有影響，砂巖體積隨溫度也表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。從圖2可以看出，隨著溫度的升高，砂巖試樣的體積增長(zhǎng)率逐漸增大，可能是由于巖樣不同礦物的熱膨脹特性差異會(huì)導(dǎo)致沿礦物邊界產(chǎn)生巨大的熱損傷。此外，巖樣內(nèi)部礦物顆粒由于熱膨脹特性差異產(chǎn)生的熱應(yīng)力使得巖石內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙，當(dāng)熱應(yīng)力超過試樣的承載力極限，微裂紋不斷擴(kuò)展、貫通，導(dǎo)致巖樣體積膨脹。在300 ℃～400 ℃溫度范圍內(nèi)，體積增長(zhǎng)率最大，在400 ℃～500 ℃溫度范圍內(nèi)，體積增長(zhǎng)率趨于穩(wěn)定。

密度變化率是質(zhì)量和體積變化共同作用的結(jié)果，通過測(cè)試高溫前后砂巖巖樣的質(zhì)量和體積，得到了密度隨溫度的變化曲線。從圖2中可以看出，砂巖試樣密度變化率值始終小于0，說明經(jīng)歷熱損傷的砂巖試樣密度值始終小于常溫。在溫度500 ℃，600 ℃時(shí)，砂巖密度降幅分別為5.781%，8.136%；在溫度700 ℃時(shí)，與室溫相比，砂巖密度降幅為10.554%。

3.2 應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化特征

由于每組試樣單軸壓縮過程的全程曲線變化形式大致相同，大體經(jīng)歷了壓密、彈性、屈服、破壞四個(gè)階段。本文列出具有代表性試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，熱損傷砂巖的全應(yīng)力應(yīng)變過程具有明顯的階段性特征。經(jīng)歷的溫度不同，各曲線階段表現(xiàn)的程度也不盡相同。在應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始階段，呈向上凹的形狀，隨著熱處理溫度的升高，初始階段變化略加明顯，這是由于高溫使得巖樣內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過巖石顆粒之間的抗張應(yīng)力屈服強(qiáng)度時(shí)，骨架顆粒之間發(fā)生位錯(cuò)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞產(chǎn)生微裂隙，在壓縮荷載作用下壓密階段的裂縫變形隨溫度的升高而增大；此外，溫度低于600 ℃時(shí)，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到峰值后迅速下降，巖樣迅速破裂，表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征；當(dāng)溫度超過600 ℃時(shí)，應(yīng)力達(dá)到峰值后應(yīng)變?nèi)跃徛黾?，巖樣具有一定的延性，破壞也表現(xiàn)出塑性剪切破壞。該試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度升高砂巖由脆性過渡到延性，破壞也由脆性破壞過渡到塑性剪切破壞，600 ℃為砂巖試樣塑性—延性轉(zhuǎn)變的閾值溫度。

3.3 強(qiáng)度和變形特征

砂巖試樣經(jīng)熱處理后的強(qiáng)度和變形參數(shù)如表2所示。

表2 不同高溫條件下煤層砂巖的力學(xué)參數(shù)

從表2中可以看出，砂巖的單軸抗壓強(qiáng)度隨溫度升高逐漸降低，400 ℃之前砂巖的峰值強(qiáng)度(單軸抗壓強(qiáng)度)變化不大，與常溫相比，僅降低了6.81%，但在500 ℃時(shí)，峰值強(qiáng)度(單軸抗壓強(qiáng)度)出現(xiàn)了下凹，600 ℃時(shí)應(yīng)力降至164.786 MPa,比常溫下降了19.66%，700 ℃時(shí)比常溫下降了28.56%；砂巖峰值應(yīng)變與溫度的關(guān)系大致呈正相關(guān)，溫度升高，峰值應(yīng)變?cè)龃?。?00 ℃之前，峰值應(yīng)變?cè)黾于呌谄椒€(wěn)，主要由于結(jié)晶水的損失和礦物顆粒的膨脹。當(dāng)溫度高于400 ℃時(shí)，峰值應(yīng)變隨溫度的升高迅速增大，由于高溫使得砂巖內(nèi)部產(chǎn)生更多微裂紋，使得巖石試樣軟化，顆粒間產(chǎn)生滑移。在500 ℃時(shí)，峰值應(yīng)變?cè)黾恿思s16.37%，600 ℃時(shí)，增加了51.04%，700 ℃時(shí)增加了91.46%；彈性模量是巖石材料的主要力學(xué)性能之一。本研究中彈性模量為應(yīng)力應(yīng)變曲線上近似直線部分的平均斜率。圖2顯示了彈性模量隨溫度的變化規(guī)律。隨著溫度升高，彈性模量逐漸減少。從室溫到400 ℃，彈性模量從16.764 GPa下降到13.364 GPa,降幅為20.282%。從400 ℃到600 ℃，彈性模量從13.364 GPa下降到8.204 GPa,下降了38.611%。在700 ℃時(shí)，彈性模量下降到7.89 GPa。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于巖樣內(nèi)部熱應(yīng)力隨溫度升高逐漸增大的緣故，熱應(yīng)力使得巖石裂紋擴(kuò)展延伸并產(chǎn)生新裂紋，裂紋的存在和微裂紋的不可逆擴(kuò)展導(dǎo)致了組織的變化和結(jié)構(gòu)的明顯斷裂，從而導(dǎo)致彈性模量急劇下降。

上述分析表明，巖石受高溫單向約束作用的力學(xué)性能不斷弱化。

4 結(jié)論

本研究對(duì)高溫處理后的煤層砂巖試件的物理力學(xué)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)認(rèn)識(shí)核廢料處置、煤地下氣化等地下巖石工程中巖石的損傷破壞機(jī)理具有重要的參考價(jià)值。基于本試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)論：

1)在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，體積變化率、質(zhì)量變化率和密度變化率的絕對(duì)值隨著溫度的升高而增大；

2)單軸壓縮過程的全應(yīng)力應(yīng)變曲線具有明顯的階段性特征，隨著溫度升高，應(yīng)力應(yīng)變曲線表現(xiàn)出明顯的脆—塑性轉(zhuǎn)變，600 ℃為砂巖試樣脆—塑性轉(zhuǎn)變的閾值溫度；

3)砂巖峰值應(yīng)力和彈性模量隨溫度升高不斷降低，峰值應(yīng)變隨著溫度升高不斷增加。說明高溫作用使得砂巖力學(xué)性能劣化。