煤火區不同溫度后砂巖動態特性試驗研究

楊文偉, 陳巧麗, 陸華

(1.寧夏大學 土木與水利工程學院, 寧夏 銀川 750021; 2.寧夏土木工程防震減災工程技術研究中心, 寧夏 銀川 750021; 3.北方民族大學 土木工程學院, 寧夏 銀川 750030)

煤火燃燒區是未開采的地下煤層自我燃燒形成的火區,普遍存在于寧夏、甘肅、新疆等地區。由于地質構造復雜及滅火條件不成熟等原因,寧夏汝箕溝煤田火區現今仍然存在一定的巖體安全隱患。煤火燃燒直接破壞了地下穩定的賦存環境,極大地影響了煤礦的開采,了解和掌握煤火區巖石的物理力學特性,尤其是動態力學特性尤為重要。

近年來,在鉆探、掘進、高溫采區、煤層氣開采、地熱開發等工程領域開采過程中,因自然災害或管理疏忽等原因引發巖體發生礦巖破碎、常規爆炸、爆炸失火以及滑坡、巖爆、地震等情況逐漸增多,造成重大安全事故。隨著溫度產生巖體事故的頻發,學者對于溫度變化時巖石的力學參數、變形、損傷與破壞準則等方面做了許多有意義的探索[1-3]。Inada等[4-6]分別研究了不同溫度下巖石力學參數的變化情況。周長冰等[7-9]研究了不同巖石經歷不同溫度后的物理力學特性,分析了高溫后巖石的物理力學參數。尹土兵等[10-12]對高溫后砂巖與粉砂巖的動態物理力學特性進行了大量試驗研究。劉石等[13-15]分別研究了25～1 000 ℃下大理巖和花崗巖的沖擊力學特性,得到縱波波速、峰值應力、峰值應變等力學參數發生突變的臨界溫度點。Shu等[16-17]研究了不同熱處理溫度后花崗巖在動態循環條件下的分離式霍普金森壓桿(split Hopkinson pressure bar,SHPB)沖擊試驗。Li等[18-21]開展了高溫條件下巖石的SHPB動態沖擊壓縮實驗,分析了巖石動態破壞程度隨溫度的變化規律。綜上所述,不同溫度下巖石的物理力學特性進行了大量試驗,但由于巖石所處環境復雜多變,目前對于煤火區巖石在不同外部環境下力學特性的研究依然處于不斷探索和不斷發展地階段。

本文以寧夏汝箕溝煤田火區砂巖為研究對象,利用SHPB試驗裝置、X射線衍射(X-Ray diffraction, XRD)測試技術等,對不同沖擊荷載作用下(沖擊氣壓為0.58、0.60和0.62 MPa)煤火區砂巖在常溫(25 ℃)和熱處理溫度為200、400、600、800和1 000 ℃ 時的動態力學行為和破壞形態進行了較為系統的研究。

1 試件制備與試驗設備

1.1 試件制備

試驗用砂巖顏色呈灰白色,具有塊狀構造,利用鉆機取芯獲得試驗用巖石試樣。試驗前,根據常規力學性能測試要求及學者對SHPB沖擊試驗巖石試件最佳尺寸的研究[22-23],將取芯后的砂巖試件加工為直徑和長度均為67 mm左右的圓柱體,為了避免試件端面不平整導致的應力集中現象,對砂巖試件兩端面進行打磨,不平整度控制為0.02 mm。

1.2 SHPB試驗裝置

SHPB試驗技術是研究巖石動態力學的重要手段,可研究應變率范圍101～104/s時材料的沖擊壓縮試驗[24]。本文采用中國礦業大學(北京)直徑75 mm的SHPB試驗系統,該試驗系統由主體設備、能源控制系統和測試系統組成,如圖1所示。本次試驗采用長度為400 mm的圓柱體子彈進行沖擊,裝置參數如下:壓桿直徑為75 mm,入射桿及透射桿長3 000 mm,材質為鋼材,彈性模量為210 GPa,密度為7 800 kg/m3。

圖1 SHPB實驗裝置示意Fig.1 Schematic of SHPB experimental apparatus

為使高溫后砂巖的沖擊試驗具有對比性,在進行SHPB沖擊試驗時,應盡可能確保作用條件相同,即入射波的加載形式相同。在進行每個沖擊試驗前,以相同的沖擊氣壓發射子彈撞擊入射桿,以實現沖擊速度相近,加載波形相同,保證施加沖擊荷載的一致性。

2 砂巖高溫作用前后的物理性質

2.1 高溫作用后試件顏色和表觀形態

SHPB沖擊試驗前,為保證試件內外均達到預定溫度,利用KSY6D-16電爐溫度控制器對要進行沖擊試驗的試件以5 ℃/min加熱,到達預定溫度后仍保持恒溫4 h,自然冷卻至室溫備用。圖2為不同溫度后砂巖試件的外觀圖,試件在室溫25 ℃狀態下顏色為灰白色;在熱處理溫度為200～400 ℃后試件顏色加深明顯,體積無明顯變化;600～1 000 ℃高溫后試件顏色逐漸向淡黃色、焦黃色變化,說明高溫作用改變了砂巖內部礦物組成成分。

2.2 基本物理參數的量測

巖石因其組成成分、成巖作用等的不同,導致其內部初始損傷不同,為了避免因巖石多樣性造成試驗結果的差異性,取巖石縱波波速相近的砂巖試件進行試驗。為了便于整理和分析數據,根據所測縱波波速大小對砂巖試件進行編號、分組。根據《工程巖體試驗方法標準》[25]中密度試驗的量積法規定,得到試件的密度,如表1所示。

表1 不同溫度砂巖試件力學參數Table 1 Mechanical parameters of sandstone specimens at different temperatures

2.3 高溫后砂巖的礦物組成成分

每一種結晶物質都有其特定的化學組成和晶體結構,因此,當X射線被晶體衍射時,都有其獨特的衍射花樣,其特征可以用衍射角和衍射強度來表征,衍射強度的大小反應了晶體物質含量的多少,衍射角是尋找物相的關鍵。利用XRD儀對沖擊后的碎塊砂巖進行測試,采用jade6.5軟件對測試結果進行礦物成分分析。

分析XRD譜圖以及對照標準PDF卡片可得高溫后砂巖試件的礦物XRD結果如圖3所示,由圖3可知,煤火區砂巖的主要成分為石英(SiO2)、長石(KAlSi3O8)和云母(KAl(AlSi3)O10(OH)2)等。XRD譜圖中峰位由晶胞大小和形狀決定,峰強是由晶胞里原子的種類和原位置決定,因此對于混合物來說,衍射峰強度主要隨物質含量的增加而增加。不同溫度處理后石英的衍射峰強度為最高,與常溫時砂巖相比,石英的衍射峰強度隨溫度的提高略有所下降。在常溫時,石英為脆性材料,在高溫的作用下石英會產生熱膨脹,促進了巖石內部原有裂隙的擴展延伸。此外,不同礦物膨脹系數存在差異性,巖石內部產生結構熱應力,導致新裂紋的產生。

圖3 砂巖XRD譜圖Fig.3 XRD spectrum of sandstone

3 高溫后砂巖動態力學特性

本文試驗設定溫度為常溫25、200、400、600、800、1 000 ℃共6個溫度等級,依據砂巖強度設定子彈沖擊氣壓為0.58、0.60、0.62 MPa,將6個溫度等級和3個沖擊氣壓組合,進行SHPB沖擊試驗。不同溫度條件下SHPB試驗結果如表2所示。

表2 砂巖動態力學參數與溫度之間的關系Table 2 Relationship between dynamic mechanical parameters and temperatures of sandstone

3.1 高溫后砂巖試件動態力平衡驗證

為了滿足SHPB試驗應力均勻性的假定,可通過入射桿上的獲得入射波和反射波應變信號,以及透射桿上獲得的透射波信號加以驗證。如果試件滿足動態應力平衡,則:

εi+εr=εt

(1)

式中:εi為入射波應變;εr為反射波應變;εt為透射波應變。

為了保證試驗結果的有效性,在獲得SHPB試驗數據時,必須進行動態應力平衡的驗證,剔除不滿足式(1)準則的數據,獲得有效的數據進行分析。本文以常溫時編號為7-1試件為例,采用入射波疊加反射波的試驗數據,與透射波試驗數據進行對照,如圖4所示,兩曲線基本重合,驗證了試驗數據的有效性。

圖4 試件編號為7-1砂巖試件動態力平衡驗證Fig.4 Verification of dynamic force balance of sandstone No. 7-1

3.2 高溫后砂巖試件波形圖對比

進行SHPB沖擊試驗時,為減少應力波的彌散效應,得到可靠的應力-應變曲線,采用波形整形技術,即在入射桿撞擊端中心位置粘貼黃銅片,子彈在撞擊入射桿時先撞擊黃銅片,黃銅片產生塑性變形吸收能量,從而使傳入到入射桿中的入射波波形發生變化。沖擊氣壓為0.6 MPa時高溫后砂巖試件的波形圖對比結果如圖5所示,從圖5(a)可以看出,砂巖在不同溫度后的入射波形比較穩定,呈矩形狀,電壓幅值基本相等,與一維彈性應力波理論基本一致。由圖5(b)和5(c)可得,反射波和透射波波形形狀相似,呈“V”字形。不同溫度下電壓幅值不同,反射波形中電壓幅值從小到大依次為25、600、800、400、200、1 000 ℃,透射波形中不同溫度電壓幅值從小到大依次為800、600、1 000、400、200、25 ℃。因試件的應力、應變、應變率可通過反射波和透射波應變計算得到:

注:圖例為試件編號-溫度條件圖5 高溫后砂巖試件波形圖Fig.5 Stress wave of sandstones under high temperatures

ε=KU

(2)

式中:K為標定系數,為定值;U為電壓信號值。

而反射波和透射波的應變通過式(2)得到,與試驗標定時子彈的沖擊速度及C0有關,則反射波應變與透射波應變與電壓U成正比。因此,電壓幅值的差異性說明了巖石應力的差異性。在相同的沖擊氣壓下,反射波形與時間所圍面積越小,透射波形與時間所圍面積越大,砂巖試件的損傷程度越小[23]。

3.3 高溫后砂巖試件應力-應變曲線特征

在進行SHPB試驗時,子彈撞擊入射桿,壓桿上應變片接收信號,超動態電阻應變儀采集數據,數字示波器存儲數據,最后依據獲得的入射波、反射波和透射波進行數據處理。基于一維應力波理論,利用“二波法”公式[26]分別計算砂巖試件的動態應力、應變和應變率,進而可繪制相應的應力-應變曲線。圖6給出了砂巖試件在25 ℃和熱處理溫度200、400、600、800和1 000 ℃后的動態沖擊應力-應變曲線(每組狀態下取沖擊氣壓為0.6 MPa時的試件),從圖6可知,隨熱處理溫度的升高,砂巖試件峰值應力和峰值應變總體上呈減少趨勢,砂巖在動載作用下,內部裂隙快速閉合導致應變降低,25～200 ℃時峰值應力降幅為37.66%;在200～400 ℃峰值應力降幅為17.76%;在400～600 ℃峰值應力降幅為82.81%,降低幅度最大,說明溫度高于400 ℃時,砂巖內部損傷開始加大,峰值應力急速降低;在600～800 ℃峰值應力降幅為39.72%。高溫后砂巖試件峰值應力下降的原因為:1)砂巖內部有許多微裂紋和微孔隙,溫度升高會引起裂紋的擴張和新裂紋的產生;2)高溫作用下巖石孔隙中的水分蒸發成水蒸氣,造成孔隙體積增大,試件承載能力下降,即高溫的作用加大了砂巖的內部損傷程度。

圖6 高溫后砂巖的應力-應變曲線Fig.6 Stress-strain curves of sandstones under high temperatures

圖6中,常溫時砂巖試件的應力-應變曲線可分為5個階段,ob階段,應力波作用初期,應力快速增加,持續時間較短,斜率逐漸增大,動態彈性模量較大,測得其值為43.75GPa;bc階段,應變硬化階段,應力波的繼續傳播導致試件內部孔隙發生變化,應力增長緩慢,應變增加較大;cd階段,隨著孔隙的變形閉合,試件剛度增大,基本為彈性的變形階段,隨后達到峰值應力;de階段,應力達到峰值后,試件仍具有較高的承載能力,出現峰后平臺;ef階段,在外部荷載作用下,試件內部積累了大量損傷,導致強度降低較快。在熱處理溫度為200和400 ℃后砂巖應力-應變曲線在上升段存在明顯的拐點a,分析認為在實驗中,為了防止出現波的疊加效應,借助波形整形器,減緩入射波上升沿的速度,實現加載過程中試件的應力均勻。在熱處理溫度為600、800和1 000 ℃后砂巖的應力-應變曲線時程較短,主要是由于試件抗壓強度較小,試件峰前應力階段較短。

3.4 高溫后砂巖試件動態力學參數的變化特征分析

在SHPB試驗中,為了更直觀地表征沖擊作用對高溫后砂巖試件產生的損傷效應,本文就應變率、峰值應力、溫度等之間的關系進行探討。

1)高溫后砂巖試件峰值應力與溫度之間的關系。

不同沖擊氣壓下砂巖試件動態峰值應力與溫度之間的關系如圖7所示,線條僅表示趨勢。在同一溫度作用下,不同沖擊氣壓下砂巖試件動態峰值應力的變化規律如下:在常溫時,峰值應力從大到小依次為0.6、0.62、0.58 MPa;當砂巖試件加熱溫度為200 ℃(沖擊氣壓0.62 MPa數據缺失)、400、600、800、1 000 ℃后,峰值應力從大到小依次均為0.62、0.58、0.60 MPa,由此說明砂巖試件具有明顯的加載率效應。在同一沖擊氣壓作用下,隨著砂巖試件熱處理溫度的升高,動態峰值應力總體上呈下降趨勢,這是由于砂巖試件熱處理溫度越高,其沖擊前的內部損傷越大,在沖擊荷載的作用下,砂巖內部微孔隙和微裂紋擴展延伸,內部劣化加劇,導致強度降低。

圖7 砂巖試件動態峰值應力與溫度的關系Fig.7 Relationship between dynamic peak stress and temperature of sandstone

2)高溫后砂巖試件應變率與溫度之間的關系。

由“二波法”公式可知,應變率是依據反射波應變計算而得,由圖5(b)可知,反射波形峰值附近出現了平臺段,這在一定程度上實現了恒應變率的加載。由圖8高溫后砂巖試件應變率與溫度之間的關系可知,在同一沖擊氣壓作用下,隨著溫度的升高,砂巖應變率均在800 ℃時發生了下降,但依據下降的幅度推測原因可能為試驗誤差所致;其他應變率均隨溫度升高而升高,表現了很好的一致性,原因為砂巖經高溫熱處理后,內部熱損傷效應隨溫度升高而加劇,致使試件內部的微裂紋逐漸增多,產生較大的變形。因此,巖石的熱損傷能夠改變其動態力學性能。

圖8 高溫后砂巖試件應變率與溫度之間的關系Fig.8 Relationships between strain rate and temperature of sandstone after high temperature

3.5 高溫后砂巖試件動態破壞形態特征分析

圖9為常溫及不同熱處理溫度后砂巖試件撞擊前后的動態破壞形態圖,因SHPB試驗裝置的條件有限,難以將沖擊速度控制為定值,為了便于分析,取沖擊速度均為8 m/s左右,比較常溫和熱處理溫度為200、400、600、800、1 000 ℃時砂巖試件的動態破壞外觀圖。在常溫和熱處理溫度為200、400、600 ℃時,試件的破壞裂紋均出現在側表面,部分試件側表面碎塊成錐體狀脫落;當砂巖試件熱處理溫度為800 ℃和1 000 ℃時,試件與壓桿的接觸撞擊端成粉碎性破壞。這是由于在常溫和熱處理溫度低于800 ℃時,巖石受到外力作用,內部存在的微細孔隙不斷演化,從無序分布向有序發展,形成宏觀裂紋,試件內部的微裂紋在受到壓桿撞擊時,應力向下傳遞,致使巖石發生側表面的剪切破壞。當熱處理溫度為800 ℃和1 000 ℃時,巖石在高溫的作用下內部損傷嚴重,脆性較大,在沖擊荷載作用下,應力來不及向下傳遞就已在端面發生破壞。

4 結論

1)煤火區砂巖在不同溫度下的熱損傷能夠改變其動態力學性能,當溫度達到600 ℃及以上時,砂巖基本沒有承受沖擊荷載的能力,高溫的作用加大了砂巖的內部損傷程度。

2)煤火區砂巖隨著溫度的升高其沖擊應變率加快,且沖擊氣壓的大小對沖擊應變率的影響更加顯著。

3)煤火區砂巖當溫度達到800 ℃以下時,砂巖的沖擊破壞是發生在側面的剪切性破壞,而當溫度達到800 ℃以上時砂巖的沖擊破壞發生在撞擊面且為粉碎性破壞。這為溫度變化下的砂巖理論模型的構建給出了宏觀依據。

4)本次研究的煤火區砂巖為石英砂巖,其為一種沉積巖,主要由各種砂粒膠結而成,結構穩定,內部組分熔點較高。但在高溫的作用下,砂巖部分組成成分會發生反應,改變了砂巖原有的結構特征,結構穩定性被破壞,降低了其砂粒之間的膠結作用,在外部荷載的作用下,極易發生破壞。所以不同砂巖組分影響其在溫度變化下的沖擊性能。