高溫單向約束對煤系砂巖物理力學特性的影響

王珍珍

(河南理工大學土木工程學院，河南 焦作 454003)

1 概述

高溫對巖石力學行為的影響已成為目前國內外學者研究的熱點。由于高溫作用巖石物理力學性能會發生變化，對地下工程領域的安全性及穩定性產生重大影響。因此，研究高溫作用下巖石材料物理力學性能變化具有重要意義。

近年來，很多學者針對石灰巖、花崗巖、大理巖、閃長巖等進行了深入的研究。如，Zhang等[1]研究了高溫對石灰巖細觀結構和力學性能的影響；朱合華等[2]對熔結凝灰巖、花崗巖及流紋狀凝灰角礫巖3種巖石的力學性質進行了研究；Zhang等[3，4]等分析比較了高溫下大理石、石灰巖和砂巖的應力—應變曲線、峰值強度、峰值應變及彈性模量之間的區別；杜守繼[5]、陳有亮等[6]對經歷不同高溫后花崗巖的力學性能進行試驗研究；陳國飛、楊圣奇等[7]基于力學試驗結果，對高溫作用后大理巖的力學性能、熱損傷特性演化規律及破壞規律進行了探討。

上述學者對經歷高溫作用后及高溫下巖石的力學性能及破壞規律進行了詳細研究，但對于高溫單向約束煤層頂板砂巖的物理力學特性研究相對較少。基于此，本文選擇合適的煤層頂板砂巖作為實驗材料，對經歷25 ℃～700 ℃不同高溫單向約束后砂巖試樣進行電鏡掃描及單軸壓縮試驗，分析不同溫度后砂巖試樣的物理性質(如微觀結構、質量損失率、體積膨脹率和密度降低率)、應力應變曲線、強度及變形參數，研究成果可為煤炭氣化等類似工程開采方案設計、高溫后圍巖巷道破裂失穩的預測防治提供理論及技術支持。

2 試驗概況

2.1 巖性特征和試樣準備

本研究選用的巖石材料為砂巖，采自中國河南省焦作市方莊煤礦地下550 m深處煤層頂板，為二疊紀砂巖。該巖樣的主要成分為長石、石英，含有少量云母，平均密度為2.654×103kg/m3，平均縱波波速為4 410 m/s，彈性模量為16.764 GPa，抗壓強度為205.109 MPa。為了避免各向異性對力學結果的影響，將砂巖試樣切割打磨成50 mm×50 mm×50 mm的標準立方體試樣，為了保證巖樣兩端平行度和平整度，試件的平行度控制在要求范圍以內。

結合試驗目的將砂巖共加工成18個試樣，將試樣共分為6個溫度等級，分別為25 ℃(室溫)，300 ℃，400 ℃，500 ℃，600 ℃，700 ℃，每組3個試樣，如表1所示。

表1 各溫度組砂巖巖樣數量

2.2 試驗設備

為達到本試驗目的，選用自行研制高溫加熱爐對試樣進行加溫，其最高施加溫度可達到1 200 ℃，爐體外部溫度稍高于室溫。其中可提供單向約束的約束框架可與高溫加熱爐配套使用。此外，所有單軸壓縮試驗均在中國科學院武漢巖土力學研究所研制的RMT-150C(如圖1所示)型伺服試驗機上進行，伺服控制系統最大垂直靜荷載為1 000 kN，最大垂直動荷載為500 kN，最大壓縮變形量為20 mm。

2.3 試驗程序

首先，加溫前測量各砂巖試樣的尺寸、質量。然后，將試樣放置在高溫加熱爐中以10 ℃/min的升溫速率分別升溫至預定溫度，達到預定溫度后再恒溫2 h。然后將其自然冷卻至室溫。將試樣取出，再次測量高溫處理后的質量、尺寸。最后，對砂巖試樣進行單軸壓縮試驗，以2 kN/s的速度施加軸力，直至發生破壞。

3 試驗結果和分析

3.1 體積、質量及密度變化

為了了解溫度對砂巖試樣質量、體積及密度的影響，分別測試了高溫前后砂巖試樣的質量、體積。并且通過分析高溫前后砂巖試樣質量、體積和密度的變化，可以得出質量、體積和密度變化率的計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

其中，V1,V2,m1,m2,ρ1,ρ2分別為試樣熱處理前后的體積、質量、密度。質量變化率、體積變化率、密度變化率和縱波波速隨測試溫度的變化規律如圖2所示。圖2中所有試驗數據均取自高溫前后的完整砂巖試件。

從圖2中可以看出，隨著溫度升高，質量損失率不斷增加，且損失速率先緩慢增加再快速增加。在500 ℃之前，質量損失率為2.368%；而當溫度超過500 ℃時，質量損失率快速增加，溫度達到700 ℃時質量損失率為5.215%。在溫度500 ℃之前，砂巖中礦物吸附水脫出，且部分有機質發生熱解反應，造成砂巖質量減少，但質量損失率下降幅度緩慢；當溫度高于500 ℃時，砂巖中礦物晶格中結構水脫出，且有機物發生熱分解反應；同時，礦物晶型發生相變(α-β轉變)、熔融，甚至是部分礦物成分消失，綜合作用使得砂巖質量減少，且質量損失幅度增大。

熱處理不僅使得砂巖的質量減少，而且對砂巖的體積、密度和縱波波速也有影響，砂巖體積隨溫度也表現出明顯的變化規律。從圖2可以看出，隨著溫度的升高，砂巖試樣的體積增長率逐漸增大，可能是由于巖樣不同礦物的熱膨脹特性差異會導致沿礦物邊界產生巨大的熱損傷。此外，巖樣內部礦物顆粒由于熱膨脹特性差異產生的熱應力使得巖石內部產生微裂隙，當熱應力超過試樣的承載力極限，微裂紋不斷擴展、貫通，導致巖樣體積膨脹。在300 ℃～400 ℃溫度范圍內，體積增長率最大，在400 ℃～500 ℃溫度范圍內，體積增長率趨于穩定。

密度變化率是質量和體積變化共同作用的結果，通過測試高溫前后砂巖巖樣的質量和體積，得到了密度隨溫度的變化曲線。從圖2中可以看出，砂巖試樣密度變化率值始終小于0，說明經歷熱損傷的砂巖試樣密度值始終小于常溫。在溫度500 ℃，600 ℃時，砂巖密度降幅分別為5.781%，8.136%；在溫度700 ℃時，與室溫相比，砂巖密度降幅為10.554%。

3.2 應力應變曲線的變化特征

由于每組試樣單軸壓縮過程的全程曲線變化形式大致相同，大體經歷了壓密、彈性、屈服、破壞四個階段。本文列出具有代表性試樣的應力—應變曲線，如圖3所示。

從圖3可以看出，熱損傷砂巖的全應力應變過程具有明顯的階段性特征。經歷的溫度不同，各曲線階段表現的程度也不盡相同。在應力應變曲線的初始階段，呈向上凹的形狀，隨著熱處理溫度的升高，初始階段變化略加明顯，這是由于高溫使得巖樣內部產生熱應力，當熱應力超過巖石顆粒之間的抗張應力屈服強度時，骨架顆粒之間發生位錯，內部結構破壞產生微裂隙，在壓縮荷載作用下壓密階段的裂縫變形隨溫度的升高而增大；此外，溫度低于600 ℃時，當應力達到峰值后迅速下降，巖樣迅速破裂，表現出明顯的脆性破壞特征；當溫度超過600 ℃時，應力達到峰值后應變仍緩慢增加，巖樣具有一定的延性，破壞也表現出塑性剪切破壞。該試驗結果表明，隨著溫度升高砂巖由脆性過渡到延性，破壞也由脆性破壞過渡到塑性剪切破壞，600 ℃為砂巖試樣塑性—延性轉變的閾值溫度。

3.3 強度和變形特征

砂巖試樣經熱處理后的強度和變形參數如表2所示。

表2 不同高溫條件下煤層砂巖的力學參數

從表2中可以看出，砂巖的單軸抗壓強度隨溫度升高逐漸降低，400 ℃之前砂巖的峰值強度(單軸抗壓強度)變化不大，與常溫相比，僅降低了6.81%，但在500 ℃時，峰值強度(單軸抗壓強度)出現了下凹，600 ℃時應力降至164.786 MPa,比常溫下降了19.66%，700 ℃時比常溫下降了28.56%；砂巖峰值應變與溫度的關系大致呈正相關，溫度升高，峰值應變增大。在400 ℃之前，峰值應變增加趨于平穩，主要由于結晶水的損失和礦物顆粒的膨脹。當溫度高于400 ℃時，峰值應變隨溫度的升高迅速增大，由于高溫使得砂巖內部產生更多微裂紋，使得巖石試樣軟化，顆粒間產生滑移。在500 ℃時，峰值應變增加了約16.37%，600 ℃時，增加了51.04%，700 ℃時增加了91.46%；彈性模量是巖石材料的主要力學性能之一。本研究中彈性模量為應力應變曲線上近似直線部分的平均斜率。圖2顯示了彈性模量隨溫度的變化規律。隨著溫度升高，彈性模量逐漸減少。從室溫到400 ℃，彈性模量從16.764 GPa下降到13.364 GPa,降幅為20.282%。從400 ℃到600 ℃，彈性模量從13.364 GPa下降到8.204 GPa,下降了38.611%。在700 ℃時，彈性模量下降到7.89 GPa。造成這種現象的原因可能是由于巖樣內部熱應力隨溫度升高逐漸增大的緣故，熱應力使得巖石裂紋擴展延伸并產生新裂紋，裂紋的存在和微裂紋的不可逆擴展導致了組織的變化和結構的明顯斷裂，從而導致彈性模量急劇下降。

上述分析表明，巖石受高溫單向約束作用的力學性能不斷弱化。

4 結論

本研究對高溫處理后的煤層砂巖試件的物理力學性能進行了試驗研究。試驗結果對認識核廢料處置、煤地下氣化等地下巖石工程中巖石的損傷破壞機理具有重要的參考價值。基于本試驗研究，得出以下結論：

1)在測試溫度范圍內，體積變化率、質量變化率和密度變化率的絕對值隨著溫度的升高而增大；

2)單軸壓縮過程的全應力應變曲線具有明顯的階段性特征，隨著溫度升高，應力應變曲線表現出明顯的脆—塑性轉變，600 ℃為砂巖試樣脆—塑性轉變的閾值溫度；

3)砂巖峰值應力和彈性模量隨溫度升高不斷降低，峰值應變隨著溫度升高不斷增加。說明高溫作用使得砂巖力學性能劣化。