楊文偉, 陳巧麗, 陸華

(1.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏土木工程防震減災(zāi)工程技術(shù)研究中心, 寧夏 銀川 750021; 3.北方民族大學(xué) 土木工程學(xué)院, 寧夏 銀川 750030)

煤火燃燒區(qū)是未開采的地下煤層自我燃燒形成的火區(qū),普遍存在于寧夏、甘肅、新疆等地區(qū)。由于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜及滅火條件不成熟等原因,寧夏汝箕溝煤田火區(qū)現(xiàn)今仍然存在一定的巖體安全隱患。煤火燃燒直接破壞了地下穩(wěn)定的賦存環(huán)境,極大地影響了煤礦的開采,了解和掌握煤火區(qū)巖石的物理力學(xué)特性,尤其是動(dòng)態(tài)力學(xué)特性尤為重要。

近年來,在鉆探、掘進(jìn)、高溫采區(qū)、煤層氣開采、地?zé)衢_發(fā)等工程領(lǐng)域開采過程中,因自然災(zāi)害或管理疏忽等原因引發(fā)巖體發(fā)生礦巖破碎、常規(guī)爆炸、爆炸失火以及滑坡、巖爆、地震等情況逐漸增多,造成重大安全事故。隨著溫度產(chǎn)生巖體事故的頻發(fā),學(xué)者對于溫度變化時(shí)巖石的力學(xué)參數(shù)、變形、損傷與破壞準(zhǔn)則等方面做了許多有意義的探索[1-3]。Inada等[4-6]分別研究了不同溫度下巖石力學(xué)參數(shù)的變化情況。周長冰等[7-9]研究了不同巖石經(jīng)歷不同溫度后的物理力學(xué)特性,分析了高溫后巖石的物理力學(xué)參數(shù)。尹土兵等[10-12]對高溫后砂巖與粉砂巖的動(dòng)態(tài)物理力學(xué)特性進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究。劉石等[13-15]分別研究了25～1 000 ℃下大理巖和花崗巖的沖擊力學(xué)特性,得到縱波波速、峰值應(yīng)力、峰值應(yīng)變等力學(xué)參數(shù)發(fā)生突變的臨界溫度點(diǎn)。Shu等[16-17]研究了不同熱處理溫度后花崗巖在動(dòng)態(tài)循環(huán)條件下的分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)沖擊試驗(yàn)。Li等[18-21]開展了高溫條件下巖石的SHPB動(dòng)態(tài)沖擊壓縮實(shí)驗(yàn),分析了巖石動(dòng)態(tài)破壞程度隨溫度的變化規(guī)律。綜上所述,不同溫度下巖石的物理力學(xué)特性進(jìn)行了大量試驗(yàn),但由于巖石所處環(huán)境復(fù)雜多變,目前對于煤火區(qū)巖石在不同外部環(huán)境下力學(xué)特性的研究依然處于不斷探索和不斷發(fā)展地階段。

本文以寧夏汝箕溝煤田火區(qū)砂巖為研究對象,利用SHPB試驗(yàn)裝置、X射線衍射(X-Ray diffraction, XRD)測試技術(shù)等,對不同沖擊荷載作用下(沖擊氣壓為0.58、0.60和0.62 MPa)煤火區(qū)砂巖在常溫(25 ℃)和熱處理溫度為200、400、600、800和1 000 ℃ 時(shí)的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為和破壞形態(tài)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。

1 試件制備與試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試件制備

試驗(yàn)用砂巖顏色呈灰白色,具有塊狀構(gòu)造,利用鉆機(jī)取芯獲得試驗(yàn)用巖石試樣。試驗(yàn)前,根據(jù)常規(guī)力學(xué)性能測試要求及學(xué)者對SHPB沖擊試驗(yàn)巖石試件最佳尺寸的研究[22-23],將取芯后的砂巖試件加工為直徑和長度均為67 mm左右的圓柱體,為了避免試件端面不平整導(dǎo)致的應(yīng)力集中現(xiàn)象,對砂巖試件兩端面進(jìn)行打磨,不平整度控制為0.02 mm。

1.2 SHPB試驗(yàn)裝置

SHPB試驗(yàn)技術(shù)是研究巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)的重要手段,可研究應(yīng)變率范圍101～104/s時(shí)材料的沖擊壓縮試驗(yàn)[24]。本文采用中國礦業(yè)大學(xué)(北京)直徑75 mm的SHPB試驗(yàn)系統(tǒng),該試驗(yàn)系統(tǒng)由主體設(shè)備、能源控制系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成,如圖1所示。本次試驗(yàn)采用長度為400 mm的圓柱體子彈進(jìn)行沖擊,裝置參數(shù)如下:壓桿直徑為75 mm,入射桿及透射桿長3 000 mm,材質(zhì)為鋼材,彈性模量為210 GPa,密度為7 800 kg/m3。

圖1 SHPB實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.1 Schematic of SHPB experimental apparatus

為使高溫后砂巖的沖擊試驗(yàn)具有對比性,在進(jìn)行SHPB沖擊試驗(yàn)時(shí),應(yīng)盡可能確保作用條件相同,即入射波的加載形式相同。在進(jìn)行每個(gè)沖擊試驗(yàn)前,以相同的沖擊氣壓發(fā)射子彈撞擊入射桿,以實(shí)現(xiàn)沖擊速度相近,加載波形相同,保證施加沖擊荷載的一致性。

2 砂巖高溫作用前后的物理性質(zhì)

2.1 高溫作用后試件顏色和表觀形態(tài)

SHPB沖擊試驗(yàn)前,為保證試件內(nèi)外均達(dá)到預(yù)定溫度,利用KSY6D-16電爐溫度控制器對要進(jìn)行沖擊試驗(yàn)的試件以5 ℃/min加熱,到達(dá)預(yù)定溫度后仍保持恒溫4 h,自然冷卻至室溫備用。圖2為不同溫度后砂巖試件的外觀圖,試件在室溫25 ℃狀態(tài)下顏色為灰白色;在熱處理溫度為200～400 ℃后試件顏色加深明顯,體積無明顯變化;600～1 000 ℃高溫后試件顏色逐漸向淡黃色、焦黃色變化,說明高溫作用改變了砂巖內(nèi)部礦物組成成分。

2.2 基本物理參數(shù)的量測

巖石因其組成成分、成巖作用等的不同,導(dǎo)致其內(nèi)部初始損傷不同,為了避免因巖石多樣性造成試驗(yàn)結(jié)果的差異性,取巖石縱波波速相近的砂巖試件進(jìn)行試驗(yàn)。為了便于整理和分析數(shù)據(jù),根據(jù)所測縱波波速大小對砂巖試件進(jìn)行編號(hào)、分組。根據(jù)《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》[25]中密度試驗(yàn)的量積法規(guī)定,得到試件的密度,如表1所示。

表1 不同溫度砂巖試件力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of sandstone specimens at different temperatures

2.3 高溫后砂巖的礦物組成成分

每一種結(jié)晶物質(zhì)都有其特定的化學(xué)組成和晶體結(jié)構(gòu),因此,當(dāng)X射線被晶體衍射時(shí),都有其獨(dú)特的衍射花樣,其特征可以用衍射角和衍射強(qiáng)度來表征,衍射強(qiáng)度的大小反應(yīng)了晶體物質(zhì)含量的多少,衍射角是尋找物相的關(guān)鍵。利用XRD儀對沖擊后的碎塊砂巖進(jìn)行測試,采用jade6.5軟件對測試結(jié)果進(jìn)行礦物成分分析。

分析XRD譜圖以及對照標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片可得高溫后砂巖試件的礦物XRD結(jié)果如圖3所示,由圖3可知,煤火區(qū)砂巖的主要成分為石英(SiO2)、長石(KAlSi3O8)和云母(KAl(AlSi3)O10(OH)2)等。XRD譜圖中峰位由晶胞大小和形狀決定,峰強(qiáng)是由晶胞里原子的種類和原位置決定,因此對于混合物來說,衍射峰強(qiáng)度主要隨物質(zhì)含量的增加而增加。不同溫度處理后石英的衍射峰強(qiáng)度為最高,與常溫時(shí)砂巖相比,石英的衍射峰強(qiáng)度隨溫度的提高略有所下降。在常溫時(shí),石英為脆性材料,在高溫的作用下石英會(huì)產(chǎn)生熱膨脹,促進(jìn)了巖石內(nèi)部原有裂隙的擴(kuò)展延伸。此外,不同礦物膨脹系數(shù)存在差異性,巖石內(nèi)部產(chǎn)生結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力,導(dǎo)致新裂紋的產(chǎn)生。

圖3 砂巖XRD譜圖Fig.3 XRD spectrum of sandstone

3 高溫后砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)特性

本文試驗(yàn)設(shè)定溫度為常溫25、200、400、600、800、1 000 ℃共6個(gè)溫度等級(jí),依據(jù)砂巖強(qiáng)度設(shè)定子彈沖擊氣壓為0.58、0.60、0.62 MPa,將6個(gè)溫度等級(jí)和3個(gè)沖擊氣壓組合,進(jìn)行SHPB沖擊試驗(yàn)。不同溫度條件下SHPB試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 砂巖動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)與溫度之間的關(guān)系Table 2 Relationship between dynamic mechanical parameters and temperatures of sandstone

3.1 高溫后砂巖試件動(dòng)態(tài)力平衡驗(yàn)證

為了滿足SHPB試驗(yàn)應(yīng)力均勻性的假定,可通過入射桿上的獲得入射波和反射波應(yīng)變信號(hào),以及透射桿上獲得的透射波信號(hào)加以驗(yàn)證。如果試件滿足動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡,則:

εi+εr=εt

(1)

式中:εi為入射波應(yīng)變;εr為反射波應(yīng)變;εt為透射波應(yīng)變。

為了保證試驗(yàn)結(jié)果的有效性,在獲得SHPB試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí),必須進(jìn)行動(dòng)態(tài)應(yīng)力平衡的驗(yàn)證,剔除不滿足式(1)準(zhǔn)則的數(shù)據(jù),獲得有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。本文以常溫時(shí)編號(hào)為7-1試件為例,采用入射波疊加反射波的試驗(yàn)數(shù)據(jù),與透射波試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對照,如圖4所示,兩曲線基本重合,驗(yàn)證了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性。

圖4 試件編號(hào)為7-1砂巖試件動(dòng)態(tài)力平衡驗(yàn)證Fig.4 Verification of dynamic force balance of sandstone No. 7-1

3.2 高溫后砂巖試件波形圖對比

進(jìn)行SHPB沖擊試驗(yàn)時(shí),為減少應(yīng)力波的彌散效應(yīng),得到可靠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線,采用波形整形技術(shù),即在入射桿撞擊端中心位置粘貼黃銅片,子彈在撞擊入射桿時(shí)先撞擊黃銅片,黃銅片產(chǎn)生塑性變形吸收能量,從而使傳入到入射桿中的入射波波形發(fā)生變化。沖擊氣壓為0.6 MPa時(shí)高溫后砂巖試件的波形圖對比結(jié)果如圖5所示,從圖5(a)可以看出,砂巖在不同溫度后的入射波形比較穩(wěn)定,呈矩形狀,電壓幅值基本相等,與一維彈性應(yīng)力波理論基本一致。由圖5(b)和5(c)可得,反射波和透射波波形形狀相似,呈“V”字形。不同溫度下電壓幅值不同,反射波形中電壓幅值從小到大依次為25、600、800、400、200、1 000 ℃,透射波形中不同溫度電壓幅值從小到大依次為800、600、1 000、400、200、25 ℃。因試件的應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率可通過反射波和透射波應(yīng)變計(jì)算得到:

注:圖例為試件編號(hào)-溫度條件圖5 高溫后砂巖試件波形圖Fig.5 Stress wave of sandstones under high temperatures

ε=KU

(2)

式中:K為標(biāo)定系數(shù),為定值;U為電壓信號(hào)值。

而反射波和透射波的應(yīng)變通過式(2)得到,與試驗(yàn)標(biāo)定時(shí)子彈的沖擊速度及C0有關(guān),則反射波應(yīng)變與透射波應(yīng)變與電壓U成正比。因此,電壓幅值的差異性說明了巖石應(yīng)力的差異性。在相同的沖擊氣壓下,反射波形與時(shí)間所圍面積越小,透射波形與時(shí)間所圍面積越大,砂巖試件的損傷程度越小[23]。

3.3 高溫后砂巖試件應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征

在進(jìn)行SHPB試驗(yàn)時(shí),子彈撞擊入射桿,壓桿上應(yīng)變片接收信號(hào),超動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀采集數(shù)據(jù),數(shù)字示波器存儲(chǔ)數(shù)據(jù),最后依據(jù)獲得的入射波、反射波和透射波進(jìn)行數(shù)據(jù)處理?；谝痪S應(yīng)力波理論,利用“二波法”公式[26]分別計(jì)算砂巖試件的動(dòng)態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變和應(yīng)變率,進(jìn)而可繪制相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。圖6給出了砂巖試件在25 ℃和熱處理溫度200、400、600、800和1 000 ℃后的動(dòng)態(tài)沖擊應(yīng)力-應(yīng)變曲線(每組狀態(tài)下取沖擊氣壓為0.6 MPa時(shí)的試件),從圖6可知,隨熱處理溫度的升高,砂巖試件峰值應(yīng)力和峰值應(yīng)變總體上呈減少趨勢,砂巖在動(dòng)載作用下,內(nèi)部裂隙快速閉合導(dǎo)致應(yīng)變降低,25～200 ℃時(shí)峰值應(yīng)力降幅為37.66%;在200～400 ℃峰值應(yīng)力降幅為17.76%;在400～600 ℃峰值應(yīng)力降幅為82.81%,降低幅度最大,說明溫度高于400 ℃時(shí),砂巖內(nèi)部損傷開始加大,峰值應(yīng)力急速降低;在600～800 ℃峰值應(yīng)力降幅為39.72%。高溫后砂巖試件峰值應(yīng)力下降的原因?yàn)?1)砂巖內(nèi)部有許多微裂紋和微孔隙,溫度升高會(huì)引起裂紋的擴(kuò)張和新裂紋的產(chǎn)生;2)高溫作用下巖石孔隙中的水分蒸發(fā)成水蒸氣,造成孔隙體積增大,試件承載能力下降,即高溫的作用加大了砂巖的內(nèi)部損傷程度。

圖6 高溫后砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.6 Stress-strain curves of sandstones under high temperatures

圖6中,常溫時(shí)砂巖試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為5個(gè)階段,ob階段,應(yīng)力波作用初期,應(yīng)力快速增加,持續(xù)時(shí)間較短,斜率逐漸增大,動(dòng)態(tài)彈性模量較大,測得其值為43.75GPa;bc階段,應(yīng)變硬化階段,應(yīng)力波的繼續(xù)傳播導(dǎo)致試件內(nèi)部孔隙發(fā)生變化,應(yīng)力增長緩慢,應(yīng)變增加較大;cd階段,隨著孔隙的變形閉合,試件剛度增大,基本為彈性的變形階段,隨后達(dá)到峰值應(yīng)力;de階段,應(yīng)力達(dá)到峰值后,試件仍具有較高的承載能力,出現(xiàn)峰后平臺(tái);ef階段,在外部荷載作用下,試件內(nèi)部積累了大量損傷,導(dǎo)致強(qiáng)度降低較快。在熱處理溫度為200和400 ℃后砂巖應(yīng)力-應(yīng)變曲線在上升段存在明顯的拐點(diǎn)a,分析認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)中,為了防止出現(xiàn)波的疊加效應(yīng),借助波形整形器,減緩入射波上升沿的速度,實(shí)現(xiàn)加載過程中試件的應(yīng)力均勻。在熱處理溫度為600、800和1 000 ℃后砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線時(shí)程較短,主要是由于試件抗壓強(qiáng)度較小,試件峰前應(yīng)力階段較短。

3.4 高溫后砂巖試件動(dòng)態(tài)力學(xué)參數(shù)的變化特征分析

在SHPB試驗(yàn)中,為了更直觀地表征沖擊作用對高溫后砂巖試件產(chǎn)生的損傷效應(yīng),本文就應(yīng)變率、峰值應(yīng)力、溫度等之間的關(guān)系進(jìn)行探討。

1)高溫后砂巖試件峰值應(yīng)力與溫度之間的關(guān)系。

不同沖擊氣壓下砂巖試件動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與溫度之間的關(guān)系如圖7所示,線條僅表示趨勢。在同一溫度作用下,不同沖擊氣壓下砂巖試件動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的變化規(guī)律如下:在常溫時(shí),峰值應(yīng)力從大到小依次為0.6、0.62、0.58 MPa;當(dāng)砂巖試件加熱溫度為200 ℃(沖擊氣壓0.62 MPa數(shù)據(jù)缺失)、400、600、800、1 000 ℃后,峰值應(yīng)力從大到小依次均為0.62、0.58、0.60 MPa,由此說明砂巖試件具有明顯的加載率效應(yīng)。在同一沖擊氣壓作用下,隨著砂巖試件熱處理溫度的升高,動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力總體上呈下降趨勢,這是由于砂巖試件熱處理溫度越高,其沖擊前的內(nèi)部損傷越大,在沖擊荷載的作用下,砂巖內(nèi)部微孔隙和微裂紋擴(kuò)展延伸,內(nèi)部劣化加劇,導(dǎo)致強(qiáng)度降低。

圖7 砂巖試件動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與溫度的關(guān)系Fig.7 Relationship between dynamic peak stress and temperature of sandstone

2)高溫后砂巖試件應(yīng)變率與溫度之間的關(guān)系。

由“二波法”公式可知,應(yīng)變率是依據(jù)反射波應(yīng)變計(jì)算而得,由圖5(b)可知,反射波形峰值附近出現(xiàn)了平臺(tái)段,這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了恒應(yīng)變率的加載。由圖8高溫后砂巖試件應(yīng)變率與溫度之間的關(guān)系可知,在同一沖擊氣壓作用下,隨著溫度的升高,砂巖應(yīng)變率均在800 ℃時(shí)發(fā)生了下降,但依據(jù)下降的幅度推測原因可能為試驗(yàn)誤差所致;其他應(yīng)變率均隨溫度升高而升高,表現(xiàn)了很好的一致性,原因?yàn)樯皫r經(jīng)高溫?zé)崽幚砗?內(nèi)部熱損傷效應(yīng)隨溫度升高而加劇,致使試件內(nèi)部的微裂紋逐漸增多,產(chǎn)生較大的變形。因此,巖石的熱損傷能夠改變其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。

圖8 高溫后砂巖試件應(yīng)變率與溫度之間的關(guān)系Fig.8 Relationships between strain rate and temperature of sandstone after high temperature

3.5 高溫后砂巖試件動(dòng)態(tài)破壞形態(tài)特征分析

圖9為常溫及不同熱處理溫度后砂巖試件撞擊前后的動(dòng)態(tài)破壞形態(tài)圖,因SHPB試驗(yàn)裝置的條件有限,難以將沖擊速度控制為定值,為了便于分析,取沖擊速度均為8 m/s左右,比較常溫和熱處理溫度為200、400、600、800、1 000 ℃時(shí)砂巖試件的動(dòng)態(tài)破壞外觀圖。在常溫和熱處理溫度為200、400、600 ℃時(shí),試件的破壞裂紋均出現(xiàn)在側(cè)表面,部分試件側(cè)表面碎塊成錐體狀脫落;當(dāng)砂巖試件熱處理溫度為800 ℃和1 000 ℃時(shí),試件與壓桿的接觸撞擊端成粉碎性破壞。這是由于在常溫和熱處理溫度低于800 ℃時(shí),巖石受到外力作用,內(nèi)部存在的微細(xì)孔隙不斷演化,從無序分布向有序發(fā)展,形成宏觀裂紋,試件內(nèi)部的微裂紋在受到壓桿撞擊時(shí),應(yīng)力向下傳遞,致使巖石發(fā)生側(cè)表面的剪切破壞。當(dāng)熱處理溫度為800 ℃和1 000 ℃時(shí),巖石在高溫的作用下內(nèi)部損傷嚴(yán)重,脆性較大,在沖擊荷載作用下,應(yīng)力來不及向下傳遞就已在端面發(fā)生破壞。

4 結(jié)論

1)煤火區(qū)砂巖在不同溫度下的熱損傷能夠改變其動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃及以上時(shí),砂巖基本沒有承受沖擊荷載的能力,高溫的作用加大了砂巖的內(nèi)部損傷程度。

2)煤火區(qū)砂巖隨著溫度的升高其沖擊應(yīng)變率加快,且沖擊氣壓的大小對沖擊應(yīng)變率的影響更加顯著。

3)煤火區(qū)砂巖當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃以下時(shí),砂巖的沖擊破壞是發(fā)生在側(cè)面的剪切性破壞,而當(dāng)溫度達(dá)到800 ℃以上時(shí)砂巖的沖擊破壞發(fā)生在撞擊面且為粉碎性破壞。這為溫度變化下的砂巖理論模型的構(gòu)建給出了宏觀依據(jù)。

4)本次研究的煤火區(qū)砂巖為石英砂巖,其為一種沉積巖,主要由各種砂粒膠結(jié)而成,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,內(nèi)部組分熔點(diǎn)較高。但在高溫的作用下,砂巖部分組成成分會(huì)發(fā)生反應(yīng),改變了砂巖原有的結(jié)構(gòu)特征,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性被破壞,降低了其砂粒之間的膠結(jié)作用,在外部荷載的作用下,極易發(fā)生破壞。所以不同砂巖組分影響其在溫度變化下的沖擊性能。