李景濤, 劉永立, 馬浩天

(1.黑龍江科技大學(xué) 黑龍江省普通高等學(xué)校采礦工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150022; 2.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業(yè)有限公司, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 014316)

0 引 言

軟巖問題是20世紀(jì)60年代被提出來的世界性難題,特別是煤礦軟巖問題,一直是困擾煤礦建設(shè)和生產(chǎn)的重要難題之一。東勝煤田是我國重要的環(huán)保型民用及動(dòng)力用煤,煤炭儲(chǔ)量豐富。但隨著開采范圍的不斷增大,以及礦區(qū)地質(zhì)條件的復(fù)雜化,越來越多的煤礦在礦井建設(shè)中碰到軟巖問題。

國內(nèi)外學(xué)者在巖石蠕變領(lǐng)域做了許多的研究。為了模擬巖石在實(shí)際工程中的應(yīng)力環(huán)境,許多學(xué)者通過三軸試驗(yàn)來研究巖石的蠕變特征,通過巖石的軸向、環(huán)向和體積等蠕變曲線研究巖石蠕變機(jī)制,認(rèn)為蠕變機(jī)制主要是低圍壓下巖石裂隙的擴(kuò)展和高應(yīng)力下巖石孔隙的塌陷,并且有些學(xué)者將其中的環(huán)向應(yīng)變作為巖石損傷現(xiàn)象的一種重要判別標(biāo)志[1-2]。隨著對(duì)巖石蠕變機(jī)制理解的加深,越來越多的研究人員以不同的應(yīng)力加載、卸載和循環(huán)加載等條件對(duì)各類巖石開展蠕變特性研究,分析了巖石在不同圍壓作用下巖石軸向應(yīng)變及側(cè)向應(yīng)變隨時(shí)間的變化規(guī)律[3-5],討論了不同應(yīng)力水平對(duì)軸向、側(cè)向變形特性的影響規(guī)律[6-7],對(duì)比探討了不同應(yīng)力路徑下同種巖石的流變特性[8]?；谏鲜鲆?guī)律分析,部分學(xué)者基于西原模型、Burgers模型、Lemaitre應(yīng)變等效原理和Sidoroff能量等價(jià)原理等模型和理論,建立了對(duì)應(yīng)的損傷蠕變模型,并應(yīng)用在實(shí)際工程中[9-14]。

針對(duì)紅慶梁煤礦軟巖巷道蠕變問題,筆者以紅慶梁煤礦11307工作面為工程背景,從巷道圍巖中取樣,通過三軸卸載蠕變?cè)囼?yàn),研究巷道軟巖的蠕變規(guī)律,并確定對(duì)其蠕變影響較小的應(yīng)力范圍。該研究成果不僅能夠豐富基礎(chǔ)巖石力學(xué)學(xué)科相關(guān)內(nèi)容,還可為相似地質(zhì)條件下軟巖巷道圍巖控制提供重要的參考依據(jù),為實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全高效開采提供重要安全保障。

1 試 驗(yàn)

1.1 試樣制備

試樣選用的巖石試件取自紅慶梁煤礦11307巷道圍巖,巖性為砂質(zhì)泥巖,樣品現(xiàn)場(chǎng)采集后及時(shí)采用蠟封法密封以防止風(fēng)化,運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后制成直徑50 mm、高100 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件,直徑誤差控制在0.3 mm范圍內(nèi),端面平行度控制在0.05 mm范圍內(nèi)[15]。試驗(yàn)加載裝置采用法國巖石三軸試驗(yàn)儀(ROCK 600-50),該設(shè)備可加載的最大軸向應(yīng)力為375 MPa,最大圍壓為60 MPa,壓力控制精度達(dá)0.01 MPa,分別通過線性位移傳感器和環(huán)向電子應(yīng)變計(jì)測(cè)量試樣的軸向應(yīng)變和環(huán)向應(yīng)變,其精度可達(dá)10-6m,如圖1所示。

圖1 巖石三軸試驗(yàn)儀

1.2 試驗(yàn)方案

開展偏應(yīng)力(σ1-σ3)恒定的三軸卸載蠕變?cè)囼?yàn)。軟巖三軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果顯示,當(dāng)圍壓σ3為15 MPa時(shí),軟巖的三軸壓縮峰值強(qiáng)度σ1max為45.4 MPa,以此確定第一級(jí)載荷的大小及分級(jí)卸荷量的大小。因此,文中試驗(yàn)采取的圍壓σ3為15 MPa,初始軸壓σ1為σ1max的70%(31.8 MPa)。試驗(yàn)過程中,先以0.05 MPa/s的加載速率加載至預(yù)設(shè)值,σ1=σ3(15 MPa),待圍壓σ3到達(dá)預(yù)設(shè)值穩(wěn)定后,保持σ3不變,繼續(xù)以0.05 MPa/s的速率加載σ1至預(yù)設(shè)值(31.8 MPa)。觀察試樣軸向變形穩(wěn)定后,采取Δσ3/Δσ1=1的比例進(jìn)行逐級(jí)卸載,卸載速率為0.05 MPa/s,卸載層級(jí)設(shè)定為4級(jí)。試驗(yàn)圍壓每級(jí)均卸載2 MPa,軸壓每級(jí)卸載為2 MPa,保持偏應(yīng)力穩(wěn)定(16.8 MPa),各級(jí)應(yīng)力情況見表1。

表1 軟巖蠕變?cè)囼?yàn)應(yīng)力水平

2 結(jié)果與分析

2.1 三軸卸載蠕變?cè)囼?yàn)全過程分析

圖2顯示的是巷道軟巖試樣全過程蠕變曲線。由圖2可知,在保持偏應(yīng)力恒定的條件下,圍壓逐級(jí)卸載,每一級(jí)應(yīng)力保持在720 h左右。隨著對(duì)試樣應(yīng)力的逐級(jí)卸載,軟巖試樣在第1級(jí)應(yīng)力階段(軸壓為31.8 MPa,圍壓為15 MPa)的軸向應(yīng)變?chǔ)?增長最大,同時(shí),試樣在各級(jí)應(yīng)力作用下的軸向應(yīng)變均呈增長趨勢(shì),最終在第5應(yīng)力階段(軸壓為23.8 MPa,圍壓為7 MPa)試樣破壞。在各級(jí)應(yīng)力階段,軟巖的軸向應(yīng)變由瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變應(yīng)變組成。第1級(jí)應(yīng)力階段中,當(dāng)給試樣施加31.8 MPa軸壓和15 MPa圍壓后,試樣瞬間產(chǎn)生了極大的軸向應(yīng)變,ε1的值從0急速上升至5.09%,此時(shí)試樣的軸向應(yīng)變主要為瞬時(shí)應(yīng)變。隨后,在第1級(jí)應(yīng)力階段內(nèi),試樣的軸向變形速率逐漸減緩,最終近似為0并保持不變,這段時(shí)間內(nèi)試樣的軸向應(yīng)變主要受蠕變應(yīng)變的影響。當(dāng)蠕變穩(wěn)定后,對(duì)試樣的軸壓與圍壓同時(shí)進(jìn)行卸載,保持偏應(yīng)力為16.8 MPa不變,進(jìn)入下一應(yīng)力階段。后續(xù)各階段的軸向應(yīng)變變化過程均與第1應(yīng)力階段軸向應(yīng)變相似,試樣的軸向應(yīng)變穩(wěn)定增加,但其增長幅度大幅減小。但是在進(jìn)入第5應(yīng)力階段718 h左右后,軟巖試樣進(jìn)入了加速蠕變階段,巖石的軸向應(yīng)變短時(shí)間內(nèi)從6.44%猛增至7.34%,最終導(dǎo)致巖石破壞。

圖2 軟巖試樣全過程蠕變曲線

為了更好地分析軟巖試樣在各級(jí)應(yīng)力階段的軸向應(yīng)變,對(duì)圖2中的應(yīng)變曲線用分級(jí)增量加載蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)處理方法[16](即陳氏加載法)處理得到圖3,其顯示的是不同應(yīng)力水平下的蠕變曲線。

圖3 軟巖試樣不同應(yīng)力水平蠕變曲線

由圖3a可以看出,在偏應(yīng)力恒定的條件下,隨著應(yīng)力的逐級(jí)卸載,軟巖試樣的軸向應(yīng)變逐級(jí)增大,但在各級(jí)應(yīng)力階段內(nèi),軸向應(yīng)變的變化較小。而各級(jí)應(yīng)力之間的軸向應(yīng)變量Δε1較小,不能很好地反映各級(jí)應(yīng)力間的蠕變差異。因此,將圖3a中A、B兩區(qū)域的圖像放大,得圖3b和圖3c。分析可知,試樣在第2、第5應(yīng)力階段試樣的軸向應(yīng)變量遠(yuǎn)大于第3、第4應(yīng)力階段的軸向應(yīng)變量,并且對(duì)應(yīng)的蠕變應(yīng)變量也與前者相同。分析圖2和3可知,在對(duì)試樣卸荷后,軟巖的軸向應(yīng)變量主要受蠕變應(yīng)變量的影響。

2.2 卸荷對(duì)蠕變速率的影響

對(duì)軟巖試樣的全過程蠕變分析可知,在偏應(yīng)力恒定的各級(jí)卸荷條件下,試樣的各級(jí)軸向應(yīng)變較小。因此,為了更清楚地描述試樣各級(jí)蠕變情況,本節(jié)通過對(duì)各級(jí)卸荷階段的蠕變速率v進(jìn)行進(jìn)一步描述。圖4和表2詳細(xì)地描述了巷道軟巖在卸荷蠕變?cè)囼?yàn)過程中,各應(yīng)力階段試樣蠕變速率的變化情況。由于在試驗(yàn)過程中,在每一級(jí)卸荷完成后,并不能確定瞬時(shí)應(yīng)變?cè)诤螘r(shí)結(jié)束,因此,文中定義在每一級(jí)卸荷后,70 h之后的軸向應(yīng)變?yōu)槿渥儜?yīng)變。(保持偏應(yīng)力恒定,將第2級(jí)應(yīng)力階段定義為第1級(jí)卸荷、第3級(jí)應(yīng)力階段為第2級(jí)卸荷,第4級(jí)應(yīng)力階段為第3級(jí)卸荷,第5級(jí)應(yīng)力階段為第4級(jí)卸荷)。

表2 不同應(yīng)力水平下試樣的蠕變速率

圖4 試樣蠕變速率曲線

由圖4可知,在每一級(jí)卸荷后,軟巖試樣的軸向蠕變速率整體均呈衰減趨勢(shì),但其值均未小于0,這表明軟巖試樣的軸向應(yīng)變量在整個(gè)試驗(yàn)過程中均在增長。因此,可將軟巖的蠕變階段細(xì)分為衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變兩個(gè)階段。但在第4卸荷階段后期,試樣的軸向蠕變速率猛增,在宏觀上表現(xiàn)為軟巖試樣破壞,因此在該階段中,軟巖的蠕變階段分為衰減蠕變、穩(wěn)態(tài)蠕變和加速蠕變階段。結(jié)合2.1節(jié)中對(duì)各級(jí)應(yīng)力階段中軸向應(yīng)變速率的描述,由于每一級(jí)應(yīng)力均保持在720 h左右,在對(duì)試樣卸荷后,其軸向應(yīng)變量主要受到瞬時(shí)應(yīng)變的影響,這正與圖4中各級(jí)卸荷曲線在720 h處有明顯的上升相符。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行,試樣的軸向應(yīng)變速率逐漸減緩,試樣進(jìn)入衰減蠕變階段,隨后蠕變速率趨于0,進(jìn)入穩(wěn)態(tài)蠕變階段。

表2顯示的是各級(jí)卸荷70 h后的蠕變速率,更加直觀地表現(xiàn)出試樣在卸荷進(jìn)入蠕變階段后,各級(jí)卸荷階段的蠕變速率均在減小并趨于0。但是在蠕變過程中,各級(jí)卸荷中的蠕變速率均出現(xiàn)了小范圍波動(dòng),這可能是試樣中的微破裂引起的。結(jié)合2.1節(jié)中的分析,試樣在第2、第5應(yīng)力階段試樣的軸向應(yīng)變量遠(yuǎn)大于第3、第4應(yīng)力階段的軸向應(yīng)變量,并且對(duì)應(yīng)的蠕變應(yīng)變量也與前者相同,對(duì)比各列數(shù)據(jù)可知,在同一時(shí)間段內(nèi),第1、第4級(jí)卸荷階段的試樣蠕變速率大于第2、第3級(jí)卸荷階段,如第1、第4級(jí)卸荷階段卸荷96 h后的蠕變速率分別為0.113、0.113 μm/h,而第2、第3級(jí)對(duì)應(yīng)的蠕變速率分別為0.056、0.056 μm/h。結(jié)合圖4和表2分析可知,軟巖試樣在第4級(jí)卸荷720 h的蠕變速率達(dá)到5.798 μm/h,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他蠕變速率,這主要是因?yàn)樵撛嚇犹幱诩铀偃渥冸A段,并且試樣已經(jīng)達(dá)到了其屈服極限,試樣即將破壞。

綜上,由圖2和圖3可以看出,在偏應(yīng)力恒定的整個(gè)蠕變過程中,試樣在蠕變應(yīng)變階段軸向變形量較小,但在第5應(yīng)力階段中的加速蠕變階段,試樣軸向變形量大幅增加,直至巖石破壞。由圖4和表2的進(jìn)一步闡述可以得出,當(dāng)試樣破壞前,其蠕變速率大幅增加,因此在生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)避免使軟巖受力超過其屈服極限而導(dǎo)致其破壞。

2.3 卸荷對(duì)軸向蠕變量的影響

上述各級(jí)蠕變速率是對(duì)各級(jí)卸荷階段的試樣蠕變程度的間接描述,不能較為直觀地顯示出試樣在各階段的軸向應(yīng)變的區(qū)別,因此本文根據(jù)圖3,統(tǒng)計(jì)出各應(yīng)力水平下試樣對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變應(yīng)變見表3,對(duì)比分析各階段軸向應(yīng)變的區(qū)別。其中,將軸壓與圍壓的比值定義為k,即k=σ1/σ3。

表3 軟巖不同應(yīng)力水平下應(yīng)變統(tǒng)計(jì)

試樣的瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變應(yīng)變隨k值的變化情況,如圖5所示。在偏應(yīng)力恒定條件下,進(jìn)行三軸卸荷蠕變實(shí)驗(yàn),而由于第2、3、4、5應(yīng)力水平下其軸向應(yīng)變量遠(yuǎn)小于在第1應(yīng)力水平下的應(yīng)變量,因此,圖5只取第2、3、4、5級(jí)應(yīng)力水平的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制。

圖5 試樣應(yīng)變變化曲線

由圖5可以看出,試樣瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變應(yīng)變的變化趨勢(shì)基本一致。隨k值的逐漸增大,兩者均先減小,后趨于穩(wěn)定,最后再大幅增加,如第2、3、4、5級(jí)應(yīng)力階段k值所對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)應(yīng)變分別為0.002 93%、0.000 72%、0.000 73%、0.008 79%,對(duì)應(yīng)的蠕變應(yīng)變分別為0.050 54%、0.021 97%、0.024 17%、0.109 13%,每一級(jí)瞬時(shí)應(yīng)變的增量分別為-0.002 21%、0.000 01%、0.008 06%,對(duì)應(yīng)的蠕變應(yīng)變?cè)隽糠謩e為-0.028 57%、0.002 2%、0.084 96%,其中,當(dāng)k值在2.545 5～2.888 9范圍內(nèi)時(shí),試樣的蠕變應(yīng)變較小。結(jié)合上述分析,在實(shí)際工程中,當(dāng)k值超過2.888 9時(shí),軟巖試樣受加速蠕變階段的影響,其蠕變應(yīng)變大幅增加,這時(shí)需要及時(shí)采取措施保持巖石的穩(wěn)定性,否則巖石內(nèi)部由于不穩(wěn)定的擴(kuò)展大量增加,使得巖石力學(xué)性能劣化,最終導(dǎo)致巖石破壞。這表明紅慶梁煤礦區(qū)11307巷道軟巖蠕變特性與k值的大小存在密切聯(lián)系,因此,在實(shí)際工程中需要考慮到k值對(duì)巷道軟巖蠕變的影響。

3 結(jié) 論

本文對(duì)紅慶梁煤礦11307巷道軟巖進(jìn)行了室內(nèi)三軸卸載蠕變?cè)囼?yàn),對(duì)軟巖的卸載蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果逐步細(xì)化分析,得到如下結(jié)論。

(1)對(duì)同時(shí)卸載軸壓和圍壓的蠕變?cè)囼?yàn),軟巖的軸向應(yīng)變主要分為瞬時(shí)應(yīng)變和蠕變應(yīng)變,其中根據(jù)試驗(yàn)蠕變速率變化情況,一般可以將蠕變應(yīng)變階段分為衰減蠕變和穩(wěn)態(tài)蠕變兩階段。但在巖石破壞之前,巖石的蠕變應(yīng)變階段還包括加速蠕變階段。

(2)在三軸卸載蠕變?cè)囼?yàn)中,隨著軸壓和圍壓的逐級(jí)卸載,軟巖的軸向應(yīng)變逐級(jí)增大。第1應(yīng)力階段的軸向應(yīng)變對(duì)試樣應(yīng)變的影響最大,第2、第5應(yīng)力階段的蠕變應(yīng)變和蠕變速率均大于第3、第4階段的蠕變應(yīng)變和蠕變速率。

(3)當(dāng)σ1/σ3值在2.545 5～2.888 9范圍內(nèi)時(shí),軟巖試樣較為穩(wěn)定,其蠕變應(yīng)變現(xiàn)象微弱。但當(dāng)σ1/σ3值超過2.888 9時(shí),巖石內(nèi)部極可能出現(xiàn)不穩(wěn)定擴(kuò)展導(dǎo)致巖石破壞。