不同軸向靜壓下硬巖受頻繁動力沖擊作用下的力學特性研究

羊秋黎

(1.成都理工大學沉積地質研究院，四川 成都 610213；2.中國石油東方地球物理公司西南物探研究院，四川 成都 610213)

0 引 言

巖石在高應力下受動力擾動作用，其力學特性及破壞機制與巖石僅在靜力作用下和動力沖擊單一作用下的破壞機制完全不同，這一結論已成為巖石力學領域的共識[1-5]。巖石在高應力條件下受動力擾動作用，巖石的破壞比受到單一力學作用下更加具有破壞力[6-8]，深井開采過程中的巖爆現象就是最好的說明。在深井開采過程中，巖體在上覆巖體和地應力的作用下，通常處于高靜應力狀態，此時，巖體內部儲存了大量的彈性應變能，而開采過程中的爆破作業可視為一種動力擾動作用。同時，隨著開采過程逐步推進，巖體的應力狀態始終處于動態的重分布狀態，巖體內部應力的不斷變化也可看做一種動力擾動，上述兩種動力擾動和巖體的高應力狀態是造成深井開采巖爆頻發的主要原因。一些學者的研究表明，動力擾動對巖爆的誘導發生起關鍵作用[9-10]。李夕兵等[2-3]對SHPB試驗裝置進行改進，改進后的SHPB試驗設備可實現軸向靜壓0～500 MPa下的動力沖擊試驗，該試驗裝置可模擬深部巖體在高應力狀態下的動力擾動破壞現象，為揭示在高應力條件下巖石受動力沖擊作用下的力學特性和破壞機制提供了條件，同時，也為進一步揭示深井開采的巖爆現象提供依據。

1 試驗方案與原理

1.1 試樣制備

試樣來自冬瓜山銅礦深部，埋深距地表900 m，巖石試樣加工選擇結構完整，無明顯裂痕的矽卡巖巖芯，巖芯的直徑為50 mm左右。將試件加工成Φ50 mm×100 mm和Φ50 mm×50 mm兩種規格，其中，Φ50 mm×100 mm的試件用于測定巖石的單軸抗壓強度，Φ50 mm×50 mm的試件用于動力沖擊試驗。

1.2 單軸壓縮

為了確定合適的軸向預應力的數值，首先開展單軸壓縮試驗，獲取矽卡巖的靜載物理力學參數，重復5次，取其平均數。單軸壓縮實驗結果見表1。

1.3 試驗方案

由于本文研究的是巖石在軸向預應力條件下受頻繁沖擊作用下的力學特性，因此，合適的軸向預應力的選擇是試驗是否成功的關鍵。在正式試驗之前，進行了多個軸壓條件下的預沖擊試驗，為軸向預應力的選擇提供了參考，最終的試驗方案見表2。

表1 單軸壓縮試驗結果Table 1 Uniaxial compression test results

表2 預應力下頻繁沖擊試驗方案Table 2 Frequent impact test plan under prestress

1.4 試驗設備

本次試驗在中南大學實驗室內完成，其中單軸壓縮實驗采用Instron1346試驗機完成，預應力條件下的頻繁沖擊試驗采用改進后SHPB試驗機完成，試驗機結構見圖1。

1.5 試驗原理

根據一維應力波在細桿中傳播，其波形不發生畸形變化的特點，如圖1所示，應變片A1可記錄透射應變波的信號，應變片A2可記錄入射波與反射波的信號，根據一維應力波理論，巖石試樣的動態應力、應變及應變率計算見式(1)。

(1)

假定在沖擊過程中，試樣吸收的沖擊動能為Ws，根據能量守恒原理，計算見式(2)～(6)。

ws=wI-wR-wT

(2)

(3)

(4)

(5)

wV=ws/Vs

(6)

2 實驗結果與分析

試驗結束后，對試驗結果進行整理、計算，主要試驗結果見表3。系統會自動記錄每次沖擊試驗巖石試樣的動態應力、應變。圖2為不同軸向靜壓條件下沖擊次數的變化規律和擬合函數關系，隨著軸向靜壓的增大，沖擊次數呈二次函數降低趨勢。

圖1 試驗機結構Fig.1 Test machine structure

表3 試驗結果Table 3 Test results

2.1 變形模量與沖擊次數的關系

變形模量E是表征巖石體抗變形能力的重要參數，現階段，關于巖石在動力沖擊作用下的動態彈性模量的計算還沒有統一的規范。由于沖擊作用下，巖石動態應力-應變曲線與靜態壓縮條件下的應力-應變曲線形態不同，沒有十分明顯的彈性壓縮段，因此，如果直接采用靜態壓縮條件下彈性模量的計算方法來計算動態彈性模量，其計算結果必然誤差較大。根據宮鳳強定義的第二類彈模和金解放定義的加載段彈模的計算方法，上述兩種彈性模量的計算方法均只計算了動態加載過程中部分應力-應變曲線所表征的彈模，不能反映整個動態加載過程中試驗的變形情況。綜上所述，提出了將割線彈模、加載段彈模與第二類割線彈模的算術平均值作為整個動態加載過程中試驗的彈性模量，3種彈模的定義見圖3。計算見式(7)～(10)。

E1=σd50/εd50

(7)

(8)

E3=tanα

(9)

(10)

式中：E1、E2、E3、Ed分別為割線彈模、第二類彈模、加載段彈模和動態彈模；σd、σd50分別為每次沖擊峰值應力和50%峰值應力；εd、εd50分別為每次沖擊峰值應力和50%峰值應力所對應的應變值；α為50%峰值應力處應力-應變曲線切線與應變軸的夾角。

圖2 試樣累積沖擊次數與軸向靜壓的關系Fig.2 Relationship between cumulative numbe nd axial pressure

圖3 動態彈性模量計算方法示意圖Fig.3 Calculation method of dynamic elastic modulus

圖4為不同軸向靜壓條件下動態彈性模量與沖擊次數之間的對應關系。從圖4中可以看出，隨著沖擊次數的增加，彈性模量整體呈下降趨勢，說明隨著沖擊次數的增加，矽卡巖試樣內部損傷加劇，裂紋數量增加，整體抵抗外部沖擊的能力下降。不同軸向靜壓條件下，彈性模量隨沖擊次數表現出不同的變化特征，軸向靜壓越大，巖石初始彈性模量越小，這是由于在軸向靜壓較大時(100 MPa)，試樣內部已發生了微觀的破壞，當軸向靜壓較小時(75 MPa、85 MPa)，試樣在軸向靜壓的作用下，內部微裂紋閉合，使得巖石整體抵抗沖擊的能力提高，表現為初始彈模有不同程度的提高。

2.2 峰值應力

圖5為不同軸向靜壓條件下峰值應力與沖擊次數的變化關系。從圖5中可以看出，隨著沖擊次數的增加，峰值應力整體呈降低趨勢，當軸向靜壓為75 MPa和85 MPa時，峰值應力在沖擊前期，峰值應力降低緩慢，在最后一次沖擊時，峰值應力迅速降低，試樣破壞。當軸向靜壓為100 MPa時，峰值應力隨著沖擊次數迅速降低。說明在軸向靜壓為75 MPa和85 MPa時，巖石在軸向靜壓的作用下，試樣內部的微裂紋在軸壓作用下完全閉合，在頻繁的動力沖擊作用下，試樣內部發生持續的裂紋擴展，宏觀表現為應力峰值降低，抵抗和傳遞沖擊動能的能力下降，但下降比較均勻緩慢；當軸向靜壓為100 MPa時，在軸向靜壓的作用下，巖石試樣內部已經發生了較大的損傷，在沖擊作用下，內部裂紋迅速擴展、貫通，峰值應力迅速降低，試樣發生破壞。

圖4 動態彈性模量與沖擊次數的變化關系Fig.4 Relationship between dynamic elastic modulu nd number of impacts

圖5 峰值應力隨沖擊次數的變化關系 Fig.5 Relationship between peak stress an umber of impacts

2.3 沖擊能耗散規律

圖6 單位體積耗能與沖擊次數之間的變化關系Fig.6 The relationship between the energy consumptio er unit volume and the number of impacts

圖6為矽卡巖試樣在不同軸向靜壓條件下，試樣單位體積耗能與沖擊次數之間的變化關系。從圖6中可以看出，當軸向靜壓為75 MPa時，試樣在頻繁沖擊作用下，從釋放能量(單位體積耗能為負值)向吸收能量(單位體積耗能為正值)的方向發展，釋放能量先減小后增大，隨后釋放能量減小并轉變成吸收能量直至試樣發生破壞。分析其原因是由于在軸向靜壓作用下，試樣內部的微裂紋閉合，隨著沖擊次數的增加，微裂紋在沖擊作用下發展緩慢，微裂紋的發展逐漸消耗了由于軸向靜壓作用儲存在試樣內部的彈性應變能，這也是導致在沖擊初期，試樣在沖擊作用下釋放能量變小的原因；隨著沖擊次數的進一步增加，內部微裂紋持續受到沖擊作用，產生疲勞損傷，裂紋擴展速度增大，因此出現了釋放能量增大的現象，說明試樣內部在此時已經產生了較大的貫穿裂紋；當沖擊次數達到一定數值，試樣向著宏觀破壞的方向發展，此時，試樣需要消耗大量的能量，因此出現了釋放能量持續減小，由于軸向靜壓較小(75 MPa)產生的彈性應變能無法滿足破壞試樣，因此出現了試樣由釋放能量轉換為吸收能量的現象。當軸向靜壓增加至85 MPa時，隨著沖擊次數的增加，試樣釋放能量出現了先減小后不變之后又減小的現象，直至破壞試樣也處于釋放能量的狀態，說明軸壓在85 MPa條件下，儲存在試樣內的彈性應變能已經能夠滿足在沖擊作用下發生破壞所需要的能量。由于在軸壓作用下，試樣內部的微裂紋在沖擊作用下發生擴展，釋放了部分彈性應變能，因此，試樣在最初的幾次沖擊作用下，釋放能量出現了減小的現象，但隨著沖擊次數的增加，試樣內部出現了疲勞沖擊適應階段，此時，隨著沖擊次數的增加，裂紋不再擴展，出現了釋放能量隨沖擊次數不變的現象；當沖擊累積到一定次數，巖石試樣內部損傷加劇，此時內部裂紋出現了貫通并向宏觀破壞的方向進一步發展，彈性能消耗增加，此時，試樣釋放能量隨沖擊次數增加進一步減小，直至試樣發生破壞。當軸向靜壓增加至100 MPa時，試樣在沖擊作用下的能耗規律與軸向靜壓為75 MPa的后半段相同，均出現釋放能量先減小后增大的變化趨勢，不同的是，由于軸向靜壓為100 MPa時，試樣在高應力作用下，內部已經儲存了大量的彈性應變能，在軸向靜壓力的施加過程中，類似于軸向靜壓力為75 MPa時前期沖擊過程，軸向靜壓為100 MPa依然沒有出現吸收能量的現象，是因為高軸向靜壓已經能夠為試樣破壞提供足夠的能量。

從上述矽卡巖在不同軸向靜壓作用下隨沖擊次數的能耗變化規律可以看出，高應力作用下，儲存在試樣內部的彈性應變能已經能夠完全提供試樣發生破壞所需要的能量，此時，巖石若受到沖擊等動力擾動，在擾動的誘導作用下，極易發生破壞，這一現象為揭示深井開采過程中的巖爆發生機制提供了依據。

2.4 試樣的破壞模式

圖7為矽卡巖試樣分別在軸向靜壓為75 MPa、85 MPa、100 MPa時典型試樣受頻繁動力沖擊后的破壞照片。從圖7(a)可以看出，在軸向75 MPa條件下，試樣受頻繁沖擊后破壞碎片為片條狀，說明在沖擊過程中，試樣內部的裂紋是沿著加載方向擴展的，由此可見，在軸向靜壓75 MPa條件下，試樣受頻繁動力沖擊下試樣的破壞方式為拉伸破壞；從圖7(b)可以看出，在軸向靜壓85 MPa條件下，試樣受頻繁動力沖擊后破壞碎片塊度增大，破壞方式轉變為剪切破壞；從圖7(c)可以看出，在軸向靜壓100 MPa條件下，試樣的破壞塊度進一步增大，出現了圓臺狀破壞碎片，破壞方式為剪切破壞。

圖7 不同軸向靜壓下試樣的破壞模式Fig.7 Failure mode of the sample under different axial static pressures

3 結 論

1) 巖石試樣承受的沖擊次數隨軸向靜壓的增大而減小，當軸向靜壓不變時，每次沖擊時對應的試樣的峰值應力及彈性模量隨沖擊次數的增大而減小。

2) 不同軸向靜壓下，試樣隨沖擊次數表現出不同的能量耗散規律。軸向靜壓為75 MPa時，試樣在沖擊后期出現了吸收能量的現象；軸向靜壓為85 MPa和100 MPa時，試樣在沖擊作用下始終表現為釋放能量，說明在高應力作用下，儲存在試樣內部的彈性應變能已經能夠完全提供試樣發生破壞所需要的能量。此時，巖石在動力擾動的誘導作用下極易發生破壞，這一現象為揭示深井開采過程中的巖爆發生機制提供了依據。

3) 分析了不同軸向靜壓下試樣在沖擊作用下的破壞模式。隨著軸向靜壓的增大，試樣破壞后的塊度呈增大趨勢，破壞方式由拉伸破壞向剪切破壞過渡。