陳立峰,袁瑞甫,董 卓,吳俊杰

(河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

0 引言

在煤炭開采過程中,許多工作面頂板巖體具有強(qiáng)度高、完整性強(qiáng)、裂隙發(fā)育差等特點。 上述煤層頂板在開采后如果不及時放頂,容易造成嚴(yán)重的沖擊地壓或瓦斯事故[1-2]。 靜態(tài)破碎劑脹裂巖體技術(shù)為煤層頂板高效、安全放頂提供了理論基礎(chǔ)和實踐的可能性,該技術(shù)將靜態(tài)破碎劑按一定的水灰比拌和均勻,裝入鉆孔中,經(jīng)過一定時間的水化反應(yīng)產(chǎn)生膨脹壓力使物體開裂[3-5]。 李瑞森等[6]通過在鋼管上面粘貼電阻應(yīng)變片,研究了靜態(tài)破碎劑膨脹壓力隨時間的變化規(guī)律。 馬召輝等[7]通過預(yù)制切槽鉆孔和空孔實驗表明,如果對圓形孔眼設(shè)置切槽,切槽方位對脹裂裂縫的方向會產(chǎn)生顯著影響。

在上述研究的基礎(chǔ)上,通過制作含圓孔對稱預(yù)制裂隙混凝土試樣,探究預(yù)制裂隙長度與試樣強(qiáng)度對破碎效果的影響規(guī)律,該研究對提高井下堅硬頂板放頂效率、降低工程費用具有重要意義。

1 靜態(tài)破碎劑脹裂混凝土試件原理

混凝土材料的抗壓強(qiáng)度一般為15 ～50 MPa,抗拉強(qiáng)度約為3 MPa,是一種典型的脆性材料[7]。 由于脆性材料自身抗拉強(qiáng)度較低,靜態(tài)破碎劑產(chǎn)生的膨脹力作用在試件孔壁上,當(dāng)孔壁承受的徑向膨脹力達(dá)到材料的拉應(yīng)力極限時,孔壁上開始出現(xiàn)裂縫,進(jìn)而裂縫持續(xù)發(fā)育,最終裂縫貫穿,宏觀表現(xiàn)為約束體破碎。 圓孔內(nèi)膨脹力的分布情況如圖 1 所示。

圖1 單孔膨脹致裂應(yīng)力分析圖

式中:q(t)為施加于孔壁的膨脹力,MPa;R為充填孔的半徑,mm;r為任意一點至充填孔孔壁的距離,mm。

對于含圓孔對稱預(yù)制裂隙混凝土試樣,根據(jù)斷裂力學(xué)理論,在孔內(nèi)膨脹力作用下預(yù)制裂隙尖端將產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;當(dāng)預(yù)制裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子大于混凝土試件的斷裂韌度時,試樣將產(chǎn)生脹裂裂縫。 單孔含預(yù)制裂隙模型如圖 2 所示。

圖2 含圓孔對稱預(yù)制裂隙

式中,x2=a/(a+R),mm;a為預(yù)制裂隙長度,mm;R為圓孔半徑,mm。

2 試驗概況

混凝土靜態(tài)破碎劑脹裂試樣尺寸如圖3 所示,其中,圓孔直徑為40 mm,預(yù)制裂隙長度分別擬定為0、10、30、50 mm。

圖3 混凝土試樣尺寸設(shè)計圖

根據(jù)《混凝土骨料配合比手冊》獲得相應(yīng)混凝土配合比,見表1。 在該配合比條件下混凝土的設(shè)計抗壓強(qiáng)度分別為50 MPa 和45 MPa。

表1 混凝土、砂漿骨料配合比

混凝土試樣經(jīng)過 28 d 標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后,對試樣進(jìn)行力學(xué)性質(zhì)測試。 混凝土試樣與力學(xué)性質(zhì)測試過程如圖4 所示,試樣力學(xué)性質(zhì)測試結(jié)果見表2。

圖4 混凝土試件及力學(xué)測試過程

表2 試件巖石力學(xué)參數(shù)

試驗采用江西萍鄉(xiāng)生產(chǎn)的SCA-Ⅱ 膨脹劑,通過電阻應(yīng)變測量法(按照水灰比為0.3 配制膨脹劑,將攪拌均勻的膨脹劑漿體灌入高度為500 mm、內(nèi)徑為40 mm、外徑為50 mm 的鋼管中,通過粘貼在鋼管外表面的應(yīng)變片獲得靜態(tài)破碎劑的環(huán)向膨脹力)獲得靜態(tài)破碎劑的膨脹力-時間曲線,如圖5 所示。

圖5 膨脹力-時間曲線圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 破碎效果分析

混凝土試樣上粘貼應(yīng)變片位置如圖6 所示,灌注膨脹劑混合液并進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測,收集混凝土試樣靜態(tài)破碎全過程的應(yīng)變數(shù)據(jù)。

圖6 應(yīng)變片布置示意圖

預(yù)制裂隙長度與試樣強(qiáng)度對破碎裂縫發(fā)育程度的影響如圖7 所示。 由圖可知,當(dāng)預(yù)制裂隙長度為0 mm(不含預(yù)制裂隙)及10 mm 時,經(jīng)過靜態(tài)破碎后試樣脹裂裂縫發(fā)育最多,在垂直于試樣四邊方向形成4 條宏觀脹裂主裂縫。 當(dāng)預(yù)制裂隙長度為30 mm 時,對稱預(yù)制裂隙的導(dǎo)向作用逐漸增強(qiáng),宏觀脹裂主裂縫將沿著預(yù)制裂隙尖端發(fā)展,同時在垂直試樣上邊緣方向形成一條宏觀脹裂主裂縫。 當(dāng)預(yù)制裂隙長度進(jìn)一步增加(50 mm),其導(dǎo)向作用進(jìn)一步增強(qiáng),即預(yù)制裂縫尖端產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象(應(yīng)力強(qiáng)度因子增大),因此,靜態(tài)破碎后的宏觀脹裂主裂縫僅沿著預(yù)制裂隙尖端發(fā)展,最后將試樣劈裂為兩部分。 通過分析不同試樣強(qiáng)度下的宏觀脹裂主裂縫發(fā)育特點,可以看出試樣強(qiáng)度對靜態(tài)破碎后宏觀脹裂主裂縫發(fā)育情況影響較小。

圖7 混凝土試樣靜態(tài)破碎效果

3.2 應(yīng)變結(jié)果分析

不同預(yù)制裂隙長度與試樣強(qiáng)度條件下記錄得到的應(yīng)變數(shù)據(jù)如圖8 所示。 由圖8 可知,在不同預(yù)制裂隙長度與試樣強(qiáng)度條件下,在靜態(tài)破碎試驗前期與中期應(yīng)變隨時間的變化趨勢基本相同,均表現(xiàn)為較為平緩的變化趨勢,此時宏觀脹裂主裂縫尚未形成。 而在靜態(tài)破碎試驗后期應(yīng)變隨時間的變化趨勢隨著預(yù)制裂隙長度的增加呈現(xiàn)不同變化趨勢。由圖 8(a)可知,當(dāng)試件強(qiáng)度為40 MPa 且預(yù)制裂隙長度為50 mm 時,預(yù)制裂隙長度較長,因此隨著破碎時間的增加,在預(yù)制裂隙尖端產(chǎn)生較強(qiáng)的應(yīng)力集中現(xiàn)象(應(yīng)力強(qiáng)度因子逐漸增大),當(dāng)預(yù)制裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到混凝土試樣的斷裂韌度時,在預(yù)制裂隙尖端形成脹裂裂縫,同時伴隨著能量釋放,由此引起應(yīng)變片1、2 和3 數(shù)值發(fā)生顯著變化。隨著預(yù)制裂隙長度的變化,其應(yīng)變隨破碎時間的變化趨勢基本相同,即隨著破碎時間的增加,能量逐漸釋放,導(dǎo)致相應(yīng)應(yīng)變顯著增加。 通過分析圖8 可知,預(yù)制裂隙越長的試樣在破碎時的應(yīng)變變化趨勢越陡峭(a=50 mm),而當(dāng)預(yù)制裂隙長度為10 mm時,試樣破壞時的應(yīng)變變化較為平緩。 這是由于在同等膨脹力作用下,預(yù)制裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著裂隙長度的增加而增大,應(yīng)力強(qiáng)度因子越大越容易達(dá)到其斷裂韌度,因此其能量釋放越突然,如圖8(a)所示。 而預(yù)制裂隙越短,由于需要更多的膨脹時間和膨脹力來使預(yù)制裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到其斷裂韌度,因此其破碎過程表現(xiàn)為較為明顯的能量釋放過程,如圖8(c)所示。 圖8(d)為試樣強(qiáng)度為48 MPa 且預(yù)制裂隙長度為10 mm時,應(yīng)變隨破碎時間變化的趨勢。 通過與圖8(c)對比分析可知,試樣強(qiáng)度越高,宏觀脹裂主裂縫在形成過程中應(yīng)變的變化趨勢越陡峭,說明在脹裂過程中能量的釋放越突然。

圖8 應(yīng)變-破碎時間曲線

3.3 預(yù)制裂隙長度對破碎時間和破碎應(yīng)力的影響

試樣強(qiáng)度為40 MPa 時預(yù)制裂隙長度對其破碎時間及破碎應(yīng)力的影響如圖9 所示。 根據(jù)圖9(a)可知,當(dāng)預(yù)制裂隙長度為0 mm(不含預(yù)制裂隙)時,試樣的破碎時間為1 070 min。 同時隨著預(yù)制裂隙長度的增加,試樣破碎時間逐漸縮短;與不含預(yù)制裂隙試樣相比,預(yù)制裂隙長度為10 mm、30 mm 和50 mm 的試樣破碎時間分別縮短了18.58%、22.12%、50.44%。 通過圖9(b)可知,試樣的破碎應(yīng)力隨著預(yù)制裂隙長度的增加逐漸降低。 由式(3)可知,裂隙尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨著預(yù)制裂隙長度的增加而逐漸增大,說明在相同膨脹力作用下越容易達(dá)到試樣的斷裂韌度,從而產(chǎn)生宏觀脹裂裂縫,因此,預(yù)制裂隙越長,其破碎壓力越低。

圖9 預(yù)制裂隙長度對破碎時間和破碎應(yīng)力的影響

4 結(jié)論

通過對混凝土試樣進(jìn)行靜態(tài)破碎試驗,探究了預(yù)制裂隙長度及試樣強(qiáng)度對宏觀脹裂主裂縫數(shù)目、破碎時間及破碎應(yīng)力的影響。 具體研究成果如下:

1)不含預(yù)制裂隙的混凝土試樣靜態(tài)破碎試驗形成4 條宏觀主裂縫,隨著預(yù)制裂隙長度增加,其導(dǎo)向作用逐漸增強(qiáng),宏觀脹裂主裂縫逐漸減少;同時試樣強(qiáng)度對靜態(tài)破碎后宏觀脹裂主裂縫發(fā)育情況影響較小。

2)在靜態(tài)破碎過程中應(yīng)變隨破碎時間的變化趨勢為隨著預(yù)制裂隙長度和試樣強(qiáng)度的增加逐漸變得陡峭,說明此時的能量釋放越突然。

3)試樣破碎時間和破碎應(yīng)力隨預(yù)制裂隙長度的增加逐漸降低,表明含圓孔對稱預(yù)制裂隙模型能顯著提高破碎效果。