灰巖三軸卸荷力學特性及聲發射特征的高溫后效應

陳海清，孟陸波

（成都理工大學 地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室，四川 成都 610059）

煤炭的地下氣化、瓦斯爆炸、煤炭自燃等現象會使周圍的巖體經歷一定的高溫作用，這時周邊圍巖的物理力學性質會發生較大的變化。在此環境下從事工程開挖活動需要知道巖石高溫后效應，因此研究巖石卸荷高溫后效應非常必要。對于卸荷試驗，前人已經做了大量的研究。張成良、邱士利、王在泉[1-6]等研究了巖石不同卸荷路徑下的破壞規律和機制、變形特征。聲發射中諸多參數對巖石破壞過程的研究有很大參考價值，蘇承東、陳亮[7-8]等比較了巖石在不同應力路徑下的聲發射特征和力學特征；叢宇、RUDAJEV V、劉倩穎[9-11]等通過巖石的聲發射和力學特征得出巖石破壞前兆的聲發射特征。巖石在經歷過高溫后，其內部物質結構和物理力學性質將發生一系列變化，Kong Biao、Zhang J L[12-13]等研究了巖石高溫后，單軸壓縮下的聲發射特征；徐小麗[14]等研究了不同溫度作用后花崗巖的力學性質和破壞模式；李建林、蔡燕燕[15-16]等研究了高溫后巖石在三軸卸荷試驗中的力學特征和破壞模式與溫度的關系；吳剛[17]等比較了鹽巖在加載過程中高溫后和高溫下聲發射演變過程。目前學者們大多數是通過常規三軸試驗或卸荷試驗研究巖石的力學特性和聲發射特征，對高溫后巖石的聲發射特征研究較少。故通過三軸卸荷試驗研究灰巖卸荷過程中力學特性和聲發射特征的高溫后效應，以期為在高溫作用后的地層中從事工程活動提供理論指導。

1 儀器設備及方案

1.1 巖樣制備

巖樣取自成蘭鐵路茂縣段。將灰巖加工成直徑45 mm，高100 mm的圓柱體試件，試件端部平面磨平到±0.02 mm，高度精確到1 mm，端面應垂直于試樣軸線，允許偏差為±0.25°，試件沒有明顯的裂紋和節理等缺陷。

1.2 主要儀器設備

試驗加熱設備采用SX2箱式電阻爐，該電阻爐的最高加熱溫度是1 300℃；加載系統采用MTS-815型程控伺服剛性試驗機，該試驗機能施加的最大軸向荷載為4 600 kN，最大圍壓為140 MPa；聲發射測試采用美國PAC公司研制的Micro-Ⅱ型聲發射控制采集系統，門檻值為35 dB,信號最大幅值可達100 dB。

1.3 試驗方案

1）對制備好的巖樣進行縱波波速測試，根據波速測試結果剔除波速差異大的。

2）對試件進行加熱，試驗分7個溫度段：常溫（25 ℃）、100、200、300、400、600、800 ℃，以 5 ℃/min的速率加溫至指定溫度，然后保持該溫度2 h，之后在加溫爐爐膛內自然冷卻至室溫。

3）對加熱冷卻后的巖樣進行常規三軸壓縮試驗，將峰值強度的60%作為三軸卸荷試驗的卸荷點；試驗開始時先將圍壓按照靜水壓力加載到預定圍壓30 MPa，然后以0.63 MPa/s施加軸向應力至卸荷點；再以0.05 MPa/s速率卸圍壓，同時以0.04 mm/min的速率施加軸向荷載直至巖樣破壞，試驗開始時同步進行聲發射監測。

2 力學特性

2.1 力學參數分析

巖石在不同溫度作用后，會產生不同程度的損傷。對不同溫度作用后的灰巖在圍壓30 MPa條件下進行三軸卸荷試驗，試驗結果見表1。從表中可以看出，在100℃時，峰值強度最大，相比于常溫增加了36%，溫度高于100℃時，隨著溫度的升高，峰值強度逐漸減小，相較于常溫，800℃時減小了7%；溫度低于400℃時，峰值強度比常溫狀態下高，高于400℃時，峰值強度比常溫下低；在200~400℃，峰值強度隨著溫度的升高基本上呈線性降低，高于400℃后，峰值強度隨著溫度的升高下降的幅度逐漸減小。不同溫度作用后灰巖的彈性模量變化比較離散，但總體上和峰值強度的變化趨勢相同，泊松比則與峰值強度的變化趨勢相反。表明溫度對灰巖既有劣化又有強化作用，低于400℃時，溫度對灰巖具有強化作用，高于400℃時，溫度對灰巖又具有劣化作用。

表1 不同溫度作用后三軸卸荷試驗力學參數

2.2 擴容特性分析

擴容是巖石破壞的前兆信息，研究巖石擴容特征對工程實踐具有重大意義。表1給出了不同溫度作用后灰巖擴容應力大小及其應力水平。在常溫狀態下，灰巖擴容應力接近峰值強度，擴容應力水平為97.8%；經過高溫處理后，擴容應力水平隨著溫度的升高逐漸增大，但較常溫狀態下小。表明溫度能降低灰巖的擴容應力水平，高溫處理后，隨著溫度的升高，擴容應力水平又逐漸增大。

對高溫處理后灰巖擴容應力水平與相應溫度進行擬合，得到的確高溫作用后灰巖擴容應力水平隨溫度變化關系如圖1。

圖1 擴容應力水平與溫度擬合關系

擬合分程為：y=0.028 6x+63.404 7。二者相關性R2=0.98，說明該關系式能很好的吻合擴容應力水平與溫度關系。

3 聲發射特征

3.1 應力-計數率-時間關系

不同溫度作用后灰巖的應力差-計數率-時間關系圖如圖2和圖3。卸圍壓前，聲發射計數率比較平靜，400℃前，計數率很少甚至沒有，400℃后，計數率維持在一定水平；卸圍壓后，剛開始與卸圍壓前相比計數率沒有大的變化，當應力快到峰值強度時，計數率開始變得活躍起來。常溫狀態下聲發射計數率比100~300℃下活躍，沒有高于400℃下活躍；隨著溫度的升高，灰巖的最大振鈴計數率依次為8 749、16 584、11 957、9 378、3 997、3 463、3 200，在100~800℃，隨著溫度的升高，最大振鈴計數率逐漸降低；在400℃前，最大振鈴計數率維持在較高水平，并且比常溫下大，400℃后，最大振鈴計數率維持在一個相對較低水平，比常溫狀態下小；灰巖最大振鈴計數率并不發生在峰值強度處，而是在峰值強度附近。聲發射計數率在400℃前后表現出明顯的差異性，能較好反映灰巖在外力作用下的損傷過程，其變化規律與力學變化特征吻合。

圖2 25~400℃作用后應力差-計數率-時間關系

圖3 600~800℃作用后應力差-計數率-時間關系

3.2 應力-累計能量-時間關系

不同溫度作用后灰巖應力差-累計能量-時間關系圖如圖4和圖5。累計能量隨著時間的增加而逐漸增長，在常溫和100℃下，巖樣峰前只有很少的能量釋放，在累計能量-時間關系曲線上表現為累計能量與時間軸非常接近，在100℃后，從開始就可明顯發現有部分能量釋放，且總體上巖樣完全破壞時釋放的總能量隨著溫度的升高而逐漸降低。對于高溫作用后的灰巖，累計能量-時間曲線每次突增，一段時間延遲后，都有相應的“陡降式”應力降產生，且累計能量-時間曲線開始突增預示著灰巖即將達到峰值強度，從而發生破壞。表明除100℃外，高溫作用后的灰巖在外力作用過程中，更易釋放能量，巖樣內部裂紋的形成、擴展及貫通更易進行。

圖4 25℃~100℃作用后應力差-累計能量-時間關系

圖5 200℃~800℃作用后應力差-累計能量-時間關系

4 結論

1）溫度對灰巖既有劣化又有強化作用，低于400℃時，溫度對灰巖具有強化作用，高于400℃時，溫度對灰巖具有劣化作用。

2）高溫作用后的灰巖，隨著溫度的升高，峰值強度和彈性模量總體上逐漸降低，泊松比逐漸增大，擴容點強度越來越接近峰值強度。溫度能降低灰巖的擴容應力水平，高溫處理后，隨著溫度的升高，擴容應力水平又逐漸增大。

3）聲發射計數率在400℃前后表現出明顯的差異性，其變化規律與力學變化特征吻合，而且最大振鈴計數率并不發生在峰值強度處，而是在峰值強度附近。

4）累計能量-時間曲線每次突增，一段時間延遲后，都有相應的“陡降式”應力降產生；除100℃外，高溫作用后的灰巖在外力作用過程中更易釋放能量，巖樣內部裂紋的形成、擴展以及貫通更易進行。