溫度與荷載對砂巖動態力學性能及裂紋的影響

徐 穎，王 崑，邵彬彬

(安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232001)

社會發展進步給人類造福的同時，能源消耗量也逐漸加劇，而煤炭又作為主要能源在各行各業中有很大的需求量。根據有關數據表明[1]，中國煤炭消耗量占世界消耗總量的50%以上，但目前人均煤炭資源占有量極為匱乏。從我國煤炭資源總體分布情況來看，由于其分布不均勻，因此開采呈現“東深西淺”的狀況，且置于地下深層超千米的煤礦量約占總量的53%。為了滿足我國對煤礦開挖產量的需求，開采深部煤礦是大勢所趨，但隨著開采的不斷深入，眾多問題也隨之出現。深層地下的巖石受干擾程度與淺層有很大差異，可歸納為“三高一擾動”(高溫度、高應力、高滲透壓及強烈的開采擾動)[2]，在此類干擾作用下巖石本身所表現出來的各種力學性能、破壞規律都將異于淺層，其彈性模量，泊松比等[3]眾多參數也會有所不同。由于我國煤炭需求量巨大，即便是困難重重，也應進一步研究深部開采所遇到的溫度、巖石力學問題，其研究意義重大并具有重要的實用價值。為此國內外眾多學者就此課題進行了各種探究與實驗，也得出了許多創新性成果。Alm O等[4]利用溫度加熱設備將巖體加熱，探究了其各種靜態力學性能。Atkinson等[5]將巖體加熱至20～500 ℃范圍內，觀察了巖體的斷裂形態，并采用聲發射技術研究了巖體的損傷破壞過程。寇紹全[6]研究了經20～600 ℃加熱過的花崗巖的力學性能及破壞形式，發現二者皆產生了較為明顯的變化。羅生銀等[7]對高溫自然冷卻后和實時高溫下巖樣的力學性能進行了對比分析。許錫昌等[8]把巖體從常溫加熱至600 ℃，得知在75 ℃和200 ℃時巖體彈性模量和單軸壓縮強度會發生相應改變。王德榮等[9]對比分析了砂巖和花崗巖在一定應變率條件下的動態力學特性。而本文介紹的是將砂巖進行常溫～高溫(25～700 ℃)處理之后，利用變截面SHPB實驗裝置進行3 種沖擊氣壓下巖石的動態壓縮實驗過程和實驗結果。該實驗得到了不同高溫條件下砂巖的應力-應變曲線，并結合實驗結果分析高溫條件下巖體的破碎情況及其特征。

1 實驗裝置和材料

1.1 高溫SHPB實驗裝置

本實驗采用了實時高溫變截面SHPB實驗裝置。裝置中的撞擊子彈、入射桿及透射桿采用φ50 mm的高強度合金鋼桿，其中撞擊子彈、入射桿及透射桿長度分別為800、2 400、1 200 mm。合金鋼桿的彈性模量、密度、泊松比分別為210 GPa、7 800 kg/m3，0.25。彈性縱波波速為5 190 m/s，SHPB實驗裝置如圖1所示。

圖1 SHPB實驗裝置Fig.1 Experimental equipment of SHPB

對于砂巖加熱與控制，本實驗運用了與實驗系統相匹配的溫度加熱裝置與控制裝置。加熱裝置能將試件從常溫加熱至1 000 ℃。溫控裝置能調節其溫度并保證穩定在一定的范圍，不會發生較大的改變，其誤差可保持在±10 ℃內。

1.2 實驗材料

實驗用的砂巖巖體均取于淮南礦業集團顧北礦-848 m處。外觀呈灰白色，均勻且完整性較好。根據要求[10]，把其加工打磨成φ50 mm×25 mm的圓柱體試件。通過實驗測定，該批試樣平均密度達2.559 g/cm3,單軸抗壓強度為119.274 MPa，劈裂抗拉強度為6.127 MPa，縱波平均波速為3 833 m/s。

1.3 實驗設計

實驗中分別加壓至0.3、0.5、0.7 MPa，并在25 ℃(常溫)和100、200、300、400、500、600、700 ℃的溫度下對砂巖進行動態壓縮實驗。實驗的典型加載波如圖2所示。

圖2 加載波波形Fig.2 Loading waveform

把φ50 mm×25 mm的砂巖試件按照對徑加載方式，左右分別用入射桿與透射桿夾緊，使三者共軸(見圖3)。實驗中可在接觸面涂抹凡士林以降低摩擦以及砂巖表面均勻度對實驗數據的影響。

圖3 試件安裝Fig.3 Specimen mounting

2 實驗與分析

2.1 不同沖擊氣壓下相同溫度的壓縮實驗

25～700 ℃環境中，試件在0.3、0.5、0.7 MPa氣壓下進行動態壓縮實驗時，通過相應數據處理后，試件典型的動態應力應變如圖4所示。

注：1～3表示沖擊氣壓依次為0.3、0.5、0.7 MPa圖4 25～700 ℃中3種氣壓下的應力應變Fig.4 Stress-strain under 3 kinds of air pressure between 25 and 700 ℃

通過對圖4分析后得知，砂巖試件在所處溫度一定且氣壓在0.3～0.7 MPa范圍內時，沖擊氣壓越大，試件的動態抗壓強度也會相應增加。同時可以看出，砂巖在8 個溫度時不同沖擊載荷下應力應變曲線可分為3 個階段。①迅速上升階段。試件的動態抗壓強度在應變緩慢增加的狀況下有明顯增加，呈線性升高走勢;②平緩上升階段。砂巖動態抗壓強度在此階段中也逐漸增大，但增幅較之前階段相比明顯降低，應力上升也較為緩慢，直至應力峰值;③破壞階段。到達應力峰值后，應力隨應變增長有所減弱，最終砂巖被破壞(見圖5)。

圖5 砂巖試件破碎情況Fig.5 Fracture of sandstone specimen

從砂巖試件的破碎情況可看出，隨著沖擊氣壓的增大，試件破裂程度逐漸加劇，最終成碎塊或粉末狀。這是由于當試件受到較小的外部沖擊荷載作用時，其內部微裂縫裂紋貫穿不夠充分，因此無法形成明顯的破環現象，只能出現微小裂紋。隨著外界氣壓荷載的不斷增大，此時作用于巖體內部的能量滿足充分貫穿其內部微裂紋的條件，并不斷延伸出宏觀裂紋，使得砂巖試件損壞，破損程度進一步加劇。最終試件出現眾多裂塊，甚至在較大沖擊氣壓下出現粉碎現象。

2.2 相同沖擊氣壓下不同溫度的壓縮實驗

為進一步研究同種氣壓下，溫度差異對砂巖動態抗壓強度所造成的影響，把0.3、0.5、0.7 MPa每種沖擊氣壓下不同溫度砂巖的應力應變曲線轉化在同一個坐標平面內(見圖6)。

注：1～8表示溫度依次為25、100、200、300、400、500、600、700 ℃。圖6 不同溫度下砂巖的應力應變Fig.6 Stress-strain of sandstone at different temperatures

由圖6分析可得知，當受到0.3 MPa沖擊氣壓作用時，試件達到峰值應力其應變集中于0.01～0.02。而在0.5 MPa沖擊氣壓下，試件達到應峰值應力時其應變集中在0.02～0.025。在0.7 MPa沖擊氣壓下，試件達到峰值應力時其應變集中在0.025～0.035。根據上述情況可得知，當提升沖擊氣壓時，滿足試件達到峰值應力狀態時所對應的應變也會有所增加。二者的關系可以從試件抗壓強度峰值隨溫度變化趨勢中直觀的反映出來(見圖7)。

圖7 砂巖的抗壓強度峰值與溫度變化關系Fig.7 Relationship between peak stress and temperature variation of sandstone

由圖7可見，隨溫度增加，試件峰值應力的總體趨勢是先緩慢上升后迅速下降。在25(常溫)～200 ℃時，試件的峰值應力變化不明顯，200～600 ℃時，試件的峰值應力先增加后減小，在700 ℃時其峰值應力降到最小。

3 巖石SEM實驗及分析

3.1 SEM設備介紹

SEM設備是用來研究材料組織結構，揭示材料基本性質與規律的重要儀器，其分辨率高，受干擾程度小，立體感較強，通過激發檢測信號并將信號轉化成試件表面形貌圖像。本次實驗采用日立S-3000N掃描電子顯微鏡。

3.2 巖石SEM實驗結果與分析

由于巖石內部成分復雜，各種礦物組分的膨脹系數也有差異，因此在高溫時，巖石整體就會發生開裂現象，即“熱漲”現象。而在本實驗過程中，高溫因素與外荷載擾動共同作用于砂巖巖樣，由此砂巖才出現了一系列的裂縫及破損現象。在沖擊氣壓為0.5 MPa時，可從SEM電鏡圖中進一步了解在25(常溫)～700 ℃環境中，溫度—應力對砂巖裂縫形成的影響(見圖8)。在25～300 ℃時，砂巖巖樣上所出現的裂縫均表現為單裂紋。可能是由于作用在試件上的應力大于礦物之間的拉力，超出試件的抗拉強度而形成的，也有可能是由于受到高溫作用，試件出現熱開裂裂紋。單裂紋主要分布在砂巖試樣的頂角、棱角、及邊緣區域。當高于300 ℃，裂紋發生延伸、擴展并分叉，從原本單條一字形轉化為多條人字形、甚至爪字形裂痕，形成二次開裂。因此可總結為，在應力與低溫作用下，試件會先以應力作用影響為主出現單條裂紋；當溫度升高至300 ℃以上，受溫度作用影響，單條裂紋會有所延伸并形成多條裂紋，出現開裂。

圖8 不同溫度下砂巖SEM掃描結果Fig.8 SEM scan result of sandstone at different temperatures

4 結論

1) 25～700 ℃范圍內，當溫度一定時，砂巖動態抗壓強度會隨沖擊氣壓的增加而增加，并且砂巖在不同沖擊荷載下的應力應變可分為迅速上升、緩慢上升、破壞3個階段。根據試件破碎情況可知， 隨著沖擊氣壓的增大，試件破裂面也隨之變多，破裂程度逐漸加劇，試件最終破碎成碎塊或粉末狀。

2)動態單軸壓縮實驗中，當沖擊氣壓一定時，隨著溫度不斷升高，砂巖峰值應力總體趨勢是先緩慢上升后再迅速下降。在環境處于25～200 ℃下，砂巖試件的峰值應力波動并不大，200 ～600 ℃試件峰值應力先增大后減小，在700 ℃時試件的峰值應力降到最低，此時強度也達到最小。

3)在應力與常溫作用下，試件會先以應力作用影響為主出現單條裂紋。當溫度升高至300 ℃以上，受溫度作用影響，單條裂紋會有所延伸并形成多條裂紋，出現二次開裂。