羅戰(zhàn)友,丁浩楠,鄒寶平,1b,3,徐付軍,陶燕麗,1b

(1.浙江科技學(xué)院 a.土木與建筑工程學(xué)院,杭州 310023;b.隧道與地下空間技術(shù)開發(fā)研究院,杭州 310023;2.浙江大學(xué) 濱海和城市巖土工程研究中心,杭州 310058;3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 深部巖土力學(xué)與地下工程國家重點(diǎn)實驗室, 北京 100083;4.河南能源化工集團(tuán)有限公司永煤公司 車集煤礦,河南 商丘 476600)

目前國內(nèi)外對采礦及巖石力學(xué)的研究聚焦在深部巖體的力學(xué)特性上[1]。隨著煤礦資源開采地層不斷深入,巖石受力狀態(tài)逐漸復(fù)雜,這種情況下巖石的破壞模式不僅需要用沖擊荷載下處于二維和三維應(yīng)力狀態(tài)巖石的破壞來模擬[2],還應(yīng)該考慮滲透水壓及溫度的影響,這種考慮巖石在各種因素綜合作用下的動態(tài)破壞特性對實際工程更具有指導(dǎo)意義[3]。巖石試驗采用的分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)裝置多為單軸裝置,研究的多為單軸動態(tài)壓縮行為。李洪濤等[4]對不同的巖石進(jìn)行了單軸動態(tài)壓縮試驗,探索其動力學(xué)特性和裂紋擴(kuò)展規(guī)律;袁璞等[5]通過分析應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系提出了平均應(yīng)變率和峰值應(yīng)變的修正公式?？紤]到對巖石動力學(xué)特性的影響因素眾多,李地元等[6]研究了砂巖巖體動態(tài)拉壓力學(xué)與層理傾角之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在沖擊壓縮荷載作用下,隨著傾角的增大,層狀砂巖動態(tài)抗壓強(qiáng)度呈倒U形變化;董英健等[7]分析了沖擊氣壓對礦石動態(tài)抗壓強(qiáng)度和應(yīng)變率的影響,結(jié)果表明隨著沖擊氣壓的增大,動態(tài)抗壓強(qiáng)度不斷增大,應(yīng)變率也呈上升的趨勢。國外研究者也對巖石試樣進(jìn)行了高應(yīng)變率特性分析,探索其應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)[8]和微裂紋擴(kuò)展速率與加載速率的相關(guān)性[9-10],發(fā)現(xiàn)了裂紋擴(kuò)展速率隨沖擊氣壓的增大而增大。

隨著開采層位不斷加深,研究巖石處于二維和三維應(yīng)力狀態(tài)下的動態(tài)沖擊破壞模式更符合實際情況。在施加圍壓的情況下,劉軍忠等[11]、王立新[12]、高強(qiáng)等[13]研究巖石試樣在不同圍壓及不同軸壓和不同沖擊荷載下的動力學(xué)特性,與圍壓等級、應(yīng)變速率之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在圍壓作用下巖石的破壞由拉伸破壞向壓剪破壞過渡和發(fā)展,而陳璐等[14]從能量角度研究了深部花崗巖的動力破碎耗能特性,發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增大,破碎耗能密度與圍壓呈線性增長關(guān)系。巖石動態(tài)特性的深入研究表明,深部巖石所處環(huán)境不僅有高地應(yīng)力,還有高地滲透水壓和高地溫。已有研究者探索了砂巖處于不同圍壓和含水狀態(tài)下的動態(tài)力學(xué)性能[15]和高溫作用后砂巖動態(tài)強(qiáng)度與溫度之間的關(guān)系[16],均發(fā)現(xiàn)峰值應(yīng)力會隨著應(yīng)變率的增大而增大。

綜上所述,國內(nèi)外對巖石的研究多集中于單軸動態(tài)壓縮下的動力學(xué)特性,對處于三維狀態(tài)下巖石的動態(tài)破壞力學(xué)特性的研究較少?；诖?本文采用巖土體動態(tài)沖擊力學(xué)試驗系統(tǒng),研究了深部砂巖處于熱-水-力耦合作用復(fù)雜環(huán)境下,在不同沖擊氣壓下的動態(tài)抗壓強(qiáng)度與應(yīng)變、應(yīng)變率之間的關(guān)系及深部砂巖的破壞形態(tài)。

1 試驗系統(tǒng)與試驗方法

1.1 試驗基本原理及系統(tǒng)組成

巖土體動態(tài)沖擊力學(xué)試驗系統(tǒng)由浙江科技學(xué)院自主研發(fā),主要模擬深部巖石處于高地應(yīng)力、高地溫及高滲透水壓等耦合條件下的復(fù)雜地層環(huán)境,該系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)是直徑100 mm的具有沖擊桿、入射桿和透射桿的力學(xué)沖擊系統(tǒng),采用的是分離式霍普金森壓桿試驗基本原理。

試驗中通過測量貼在兩根彈性桿上的應(yīng)變片的電壓,利用力波在巖石試件內(nèi)部經(jīng)過幾個來回的反復(fù)透射反射后在試件中建立起平衡條件,試件內(nèi)部應(yīng)力達(dá)到處處相等的狀態(tài),計算其應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率便可以利用二波法計算公式:

(1)

(2)

(3)

采用的巖土體動態(tài)沖擊力學(xué)試驗系統(tǒng)如圖1所示,主要由主體結(jié)構(gòu)、加載系統(tǒng)、測試設(shè)備、計算機(jī)系統(tǒng)組成。主體結(jié)構(gòu)包括入射桿、透射桿、圓柱體子彈、子彈加速管、發(fā)射裝置、壓縮空氣艙、底座及其調(diào)整支架。加載系統(tǒng)包括空氣壓縮機(jī)、圍壓加載裝置、軸壓加載裝置、溫度控制系統(tǒng)及滲透水壓加載裝置。測試設(shè)備包括激光測速(子彈)儀、動態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)。其中圍壓加載裝置通過油壓作用在試件外圈的橡膠圈上施加圍壓,能施加的最大圍壓為60 MPa;軸壓加載裝置通過油壓作用推動透射桿施加軸壓,施加的最大軸壓為60 MPa;溫度控制系統(tǒng)通過電阻加熱提供溫度,溫度控制系統(tǒng)的溫度為-100～100 ℃;滲透水壓加載裝置所能施加的最大滲透水壓為45 MPa。

圖1 巖土體動態(tài)沖擊力學(xué)試驗系統(tǒng)Fig.1 Dynamic impact mechanical test system of rock and soil

1.2 試樣制備

為了保證巖石試樣具有較好的一致性、均勻性,試樣取樣依托河南能源化工集團(tuán)永煤公司開采的2611工作面處,平均采深-805.8～-843.1 m,賦存的高地溫度為30 ℃,滲透水壓為10 MPa。巖石呈灰白色,具有平行層理,裂隙較發(fā)育且充填方解石脈,是典型的深部砂巖,其物理力學(xué)參數(shù)如下:密度,2.60 g/cm3;縱波速度,2 066 m/s;單軸飽和抗壓強(qiáng)度,118.25 MPa;彈性模量,15.74 GPa;泊松比,0.31。根據(jù)巖石試樣尺寸參考,試樣的長徑比為1∶2,即采用試樣高度為50 mm、直徑為100 mm的圓柱體。巖石試樣精加工依次通過取芯、切割、打磨等工序,使標(biāo)準(zhǔn)巖石試樣不平整度控制在±0.02 mm以內(nèi)。

1.3 試驗過程

為確保試驗的安全性及可靠性,要嚴(yán)格按照試驗系統(tǒng)操作準(zhǔn)則及試驗步驟。試驗步驟如下:

1)將巖石標(biāo)準(zhǔn)試樣編號備用。

2)檢查子彈加速管、入射桿與透射桿是否處于同一水平直線并調(diào)整校正;檢查校正應(yīng)變儀與應(yīng)變片。

3)試樣兩端涂抹黃油以減小摩擦效應(yīng)帶來的影響,之后將試樣置于入射桿與透射桿之間并加載。

4)打開軸壓液壓機(jī),設(shè)置軸壓壓力表數(shù)值后施加軸壓,達(dá)到試驗設(shè)定的軸壓時停止加壓并維持軸壓穩(wěn)定至試驗結(jié)束。

5)打開圍壓液壓機(jī),設(shè)置圍壓壓力表數(shù)值后施加圍壓,達(dá)到試驗設(shè)定的圍壓時停止加壓并維持圍壓穩(wěn)定至試驗結(jié)束。

6)打開滲透水壓加載系統(tǒng),設(shè)置滲透水壓壓力表數(shù)值后施加滲透水壓,達(dá)到試驗設(shè)定的滲透水壓時停止加壓并維持滲透水壓穩(wěn)定至試驗結(jié)束。

7)打開操縱臺上溫度控制系統(tǒng),設(shè)定指定溫度后開始加熱,達(dá)到試驗設(shè)定的溫度時停止加熱并維持溫度穩(wěn)定至試驗結(jié)束。

8)打開空氣壓縮機(jī),將空氣壓縮到連接發(fā)射裝置的壓縮艙內(nèi),通過空氣壓力表實時監(jiān)測壓力值,待達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值則關(guān)閉空氣壓縮機(jī),等待沖擊試驗的開始。

9)打開計算機(jī)系統(tǒng)中的DataLab軟件,對試驗采集的波形參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

10)沖擊氣壓推動子彈發(fā)射,動態(tài)沖擊結(jié)束后進(jìn)行卸載,卸載的順序是先卸載圍壓,其次是滲透水壓,然后卸載軸壓,最后取出沖擊后的試樣,拍照存檔。

1.4 試驗方案

試驗選用的子彈長度為300 mm,子彈加速管長度為2 500 mm。選取3組不同參數(shù)的試驗數(shù)據(jù):圍壓大小與軸壓大小保持一致,均為20 MPa;滲透水壓均采用10 MPa;溫度均采用30 ℃;多次沖擊試驗后發(fā)現(xiàn),深部砂巖在1.5 MPa及以上的沖擊氣壓作用下會出現(xiàn)大裂縫及破碎的情況,為了觀察試樣破壞形態(tài),選擇1.5、2.0、2.5 MPa的沖擊氣壓進(jìn)行試驗。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 試驗結(jié)果

根據(jù)二波法計算公式,利用霍普金森壓桿軟件計算出動態(tài)沖擊后深部砂巖的動態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率和應(yīng)變能,對所得的系列數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后得到的深部砂巖的試驗結(jié)果見表1。

表1 深部砂巖的試驗結(jié)果Table 1 Test results of deep sandstone

2.2 巖石動態(tài)強(qiáng)度分析

深部砂巖的時間-動態(tài)抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線如圖2所示。從關(guān)系曲線中可以看出,沖擊氣壓為1.5 MPa時,深部砂巖峰值強(qiáng)度為438 MPa;沖擊氣壓為2.0 MPa時,深部砂巖峰值強(qiáng)度為540 MPa;沖擊氣壓為2.5 MPa時,其峰值強(qiáng)度為545 MPa。沖擊氣壓增大到2.0 MPa以后,深部砂巖的動態(tài)抗壓強(qiáng)度峰值提升并不明顯,表明深部砂巖的動態(tài)抗壓強(qiáng)度峰值極限在550 MPa左右。

圖2 深部砂巖的時間-動態(tài)抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve of time-dynamic compressive strength of deep sandstone

在動態(tài)沖擊荷載下深部砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線如圖3所示(應(yīng)力即動態(tài)抗壓強(qiáng)度)。在2.0 MPa及2.5 MPa沖擊氣壓下,其動態(tài)抗壓強(qiáng)度平均值取的是應(yīng)力-應(yīng)變曲線上趨于平緩階段Ⅰ區(qū)間的應(yīng)力平均值,1.5 MPa沖擊氣壓下的動態(tài)抗壓強(qiáng)度平均值為趨于平緩階段Ⅱ區(qū)間的應(yīng)力平均值。在1.5 MPa的沖擊氣壓下,其動態(tài)抗壓強(qiáng)度的平均值為375 MPa;當(dāng)沖擊氣壓達(dá)到2.0 MPa及以上時,動態(tài)抗壓強(qiáng)度平均值為525 MPa。深部砂巖的動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著沖擊氣壓的增大而不斷增大。由圖3可以看出曲線的切線斜率逐漸減小直至負(fù)斜率(卸載過程),這一過程就是切線模量逐漸減小的過程。深部砂巖的應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)并持續(xù)增至峰值應(yīng)力點(diǎn)的過程表現(xiàn)出應(yīng)變硬化的特性。從圖3中還可以看出深部砂巖變形破壞過程有屈服階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段和軟化破壞階段。

圖3 深部砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線Fig.3 Stress-strain curve of deep sandstone

深部砂巖的應(yīng)變率-時間關(guān)系曲線如圖4所示,在應(yīng)變率-時間關(guān)系曲線上,以2.5 MPa沖擊氣壓情況下的應(yīng)變率-時間關(guān)系曲線為例,平均應(yīng)變率指的是A與B兩個關(guān)鍵拐點(diǎn)的平均值。通過計算得到,當(dāng)沖擊氣壓為1.5 MPa時,平均應(yīng)變率為190.5 s-1;當(dāng)沖擊氣壓為2.0 MPa時,平均應(yīng)變率為206.6 s-1;沖擊氣壓為2.5 MPa時,平均應(yīng)變率為215.8 s-1。

圖4 深部砂巖的應(yīng)變率-時間關(guān)系曲線Fig.4 Strain rate-time curve of deep sandstone

深部砂巖的動態(tài)抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變率關(guān)系曲線如圖5所示,從關(guān)系曲線中可以看出平均應(yīng)變率的變化范圍為190.5～215.8 s-1,在動態(tài)沖擊荷載作用下,深部砂巖的動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著應(yīng)變率的增大而不斷增大,巖石出現(xiàn)硬化現(xiàn)象。深部砂巖的峰值動態(tài)抗壓強(qiáng)度隨著平均應(yīng)變率的增大而增大,表現(xiàn)出明顯的正相關(guān)性。

圖5 深部砂巖的動態(tài)抗壓強(qiáng)度-應(yīng)變率關(guān)系曲線Fig.5 Relation curve of dynamic compressive strength-strain rate of deep sandstone

3 能量與破壞形態(tài)分析

3.1 能量分析

圖6給出了深部砂巖在動態(tài)沖擊荷載下的應(yīng)變能與時間的關(guān)系曲線,應(yīng)變能即試樣吸收的能量。從圖6中可以看出,輸出到巖石試樣內(nèi)部的能量值與沖擊氣壓的大小呈現(xiàn)一定的相關(guān)性,在800 μs前,沖擊氣壓的大小對巖石試樣吸收能量能力的影響微乎其微,在800 μs后,吸收的能量值變化顯著,且在整體趨勢上表現(xiàn)出隨著沖擊氣壓的增大,巖石試樣吸收的峰值應(yīng)變能也增大。

圖6 應(yīng)變能隨時間變化關(guān)系曲線Fig.6 Curve of strain energy changing with time

3.2 破壞形態(tài)分析

巖石內(nèi)部的微裂紋在相互作用下造成了巖石的破壞形態(tài),巖石的受力狀態(tài)可以通過其破壞形態(tài)分析所得,因此對巖石破壞形態(tài)進(jìn)行研究并分析具有重要的意義。圖7為本文試驗中在不同沖擊氣壓下深部砂巖的破壞形態(tài)。

圖7 不同沖擊氣壓下深部砂巖的破壞形態(tài)Fig.7 Destructive patterns of deep sandstone under different impact pressures

從圖7可以看出,不同沖擊氣壓情況下,從巖石的破壞形態(tài)能夠看出巖石破壞程度不同:當(dāng)沖擊氣壓為1.5 MPa時,巖石試樣破損形態(tài)保持整體性,并未出現(xiàn)脫落的碎塊,但是沿著試樣高度方向出現(xiàn)了多處貫穿的大裂縫且裂縫的方向與沖擊面呈45°夾角;當(dāng)沖擊氣壓為2.0 MPa時,巖石試樣已經(jīng)破碎,出現(xiàn)了多塊尺寸較大的碎塊及細(xì)小顆粒的碎屑、未發(fā)展完全的裂縫,破壞面與沖擊面呈45°夾角;當(dāng)沖擊氣壓為2.5 MPa時,巖石試樣破碎程度進(jìn)一步加大,碎塊數(shù)量增加且碎塊尺寸減小,細(xì)小顆粒碎屑數(shù)量增加,破壞后的試樣呈錐狀,破壞面與沖擊面呈45°夾角。從巖石試樣沖擊破壞的程度可以看出,試樣的破壞程度隨著沖擊氣壓的增大而不斷增大,碎塊數(shù)量增加且碎塊尺寸不斷減小。在高主動圍壓、軸壓、滲透水壓及溫度耦合作用下,深部砂巖的破壞形態(tài)向壓剪破壞過渡和發(fā)展,宏觀剪切角與最大主應(yīng)力的方向基本上呈45°夾角,巖石試樣的破壞形態(tài)有脆性向延性轉(zhuǎn)變的趨勢。

4 結(jié) 論

基于巖土體動態(tài)力學(xué)沖擊試驗系統(tǒng),通過研究巖石試樣在具有主動圍壓、軸壓、滲透水壓及溫度耦合作用下的動態(tài)力學(xué)特性,得出主要結(jié)論如下:

1)深部砂巖的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的峰值應(yīng)力隨著沖擊氣壓的增大而增大,這一特征與單軸加載及非耦合條件下的沖擊試驗結(jié)果相同,而變形破壞過程有屈服階段、應(yīng)變強(qiáng)化階段和卸載破壞階段。

2)沖擊試驗中,深部砂巖的峰值應(yīng)力與應(yīng)變率具有明顯的正相關(guān)性,具體表現(xiàn)為隨應(yīng)變率的增大峰值應(yīng)力不斷增大。

3)深部砂巖吸收能量的能力在800 μs后顯著增加,且隨著沖擊氣壓的不斷增大,巖石吸收的最大能量也不斷增大。

4)隨著沖擊氣壓的增大,破碎程度不斷加大,深部砂巖的破壞形態(tài)向壓剪破壞過渡和發(fā)展,宏觀剪切角與最大主應(yīng)力的方向基本上呈45°夾角,巖石試件的破壞形態(tài)有脆性向延性轉(zhuǎn)變的趨勢。