煤火区不同温度后砂岩动态特性试验研究

杨文伟, 陈巧丽, 陆华

(1.宁夏大学 土木与水利工程学院, 宁夏 银川 750021; 2.宁夏土木工程防震减灾工程技术研究中心, 宁夏 银川 750021; 3.北方民族大学 土木工程学院, 宁夏 银川 750030)

煤火燃烧区是未开采的地下煤层自我燃烧形成的火区,普遍存在于宁夏、甘肃、新疆等地区。由于地质构造复杂及灭火条件不成熟等原因,宁夏汝箕沟煤田火区现今仍然存在一定的岩体安全隐患。煤火燃烧直接破坏了地下稳定的赋存环境,极大地影响了煤矿的开采,了解和掌握煤火区岩石的物理力学特性,尤其是动态力学特性尤为重要。

近年来,在钻探、掘进、高温采区、煤层气开采、地热开发等工程领域开采过程中,因自然灾害或管理疏忽等原因引发岩体发生矿岩破碎、常规爆炸、爆炸失火以及滑坡、岩爆、地震等情况逐渐增多,造成重大安全事故。随着温度产生岩体事故的频发,学者对于温度变化时岩石的力学参数、变形、损伤与破坏准则等方面做了许多有意义的探索[1-3]。Inada等[4-6]分别研究了不同温度下岩石力学参数的变化情况。周长冰等[7-9]研究了不同岩石经历不同温度后的物理力学特性,分析了高温后岩石的物理力学参数。尹土兵等[10-12]对高温后砂岩与粉砂岩的动态物理力学特性进行了大量试验研究。刘石等[13-15]分别研究了25～1 000 ℃下大理岩和花岗岩的冲击力学特性,得到纵波波速、峰值应力、峰值应变等力学参数发生突变的临界温度点。Shu等[16-17]研究了不同热处理温度后花岗岩在动态循环条件下的分离式霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar,SHPB)冲击试验。Li等[18-21]开展了高温条件下岩石的SHPB动态冲击压缩实验,分析了岩石动态破坏程度随温度的变化规律。综上所述,不同温度下岩石的物理力学特性进行了大量试验,但由于岩石所处环境复杂多变,目前对于煤火区岩石在不同外部环境下力学特性的研究依然处于不断探索和不断发展地阶段。

本文以宁夏汝箕沟煤田火区砂岩为研究对象,利用SHPB试验装置、X射线衍射(X-Ray diffraction, XRD)测试技术等,对不同冲击荷载作用下(冲击气压为0.58、0.60和0.62 MPa)煤火区砂岩在常温(25 ℃)和热处理温度为200、400、600、800和1 000 ℃ 时的动态力学行为和破坏形态进行了较为系统的研究。

1 试件制备与试验设备

1.1 试件制备

试验用砂岩颜色呈灰白色,具有块状构造,利用钻机取芯获得试验用岩石试样。试验前,根据常规力学性能测试要求及学者对SHPB冲击试验岩石试件最佳尺寸的研究[22-23],将取芯后的砂岩试件加工为直径和长度均为67 mm左右的圆柱体,为了避免试件端面不平整导致的应力集中现象,对砂岩试件两端面进行打磨,不平整度控制为0.02 mm。

1.2 SHPB试验装置

SHPB试验技术是研究岩石动态力学的重要手段,可研究应变率范围101～104/s时材料的冲击压缩试验[24]。本文采用中国矿业大学(北京)直径75 mm的SHPB试验系统,该试验系统由主体设备、能源控制系统和测试系统组成,如图1所示。本次试验采用长度为400 mm的圆柱体子弹进行冲击,装置参数如下:压杆直径为75 mm,入射杆及透射杆长3 000 mm,材质为钢材,弹性模量为210 GPa,密度为7 800 kg/m3。

图1 SHPB实验装置示意Fig.1 Schematic of SHPB experimental apparatus

为使高温后砂岩的冲击试验具有对比性,在进行SHPB冲击试验时,应尽可能确保作用条件相同,即入射波的加载形式相同。在进行每个冲击试验前,以相同的冲击气压发射子弹撞击入射杆,以实现冲击速度相近,加载波形相同,保证施加冲击荷载的一致性。

2 砂岩高温作用前后的物理性质

2.1 高温作用后试件颜色和表观形态

SHPB冲击试验前,为保证试件内外均达到预定温度,利用KSY6D-16电炉温度控制器对要进行冲击试验的试件以5 ℃/min加热,到达预定温度后仍保持恒温4 h,自然冷却至室温备用。图2为不同温度后砂岩试件的外观图,试件在室温25 ℃状态下颜色为灰白色;在热处理温度为200～400 ℃后试件颜色加深明显,体积无明显变化;600～1 000 ℃高温后试件颜色逐渐向淡黄色、焦黄色变化,说明高温作用改变了砂岩内部矿物组成成分。

2.2 基本物理参数的量测

岩石因其组成成分、成岩作用等的不同,导致其内部初始损伤不同,为了避免因岩石多样性造成试验结果的差异性,取岩石纵波波速相近的砂岩试件进行试验。为了便于整理和分析数据,根据所测纵波波速大小对砂岩试件进行编号、分组。根据《工程岩体试验方法标准》[25]中密度试验的量积法规定,得到试件的密度,如表1所示。

表1 不同温度砂岩试件力学参数Table 1 Mechanical parameters of sandstone specimens at different temperatures

2.3 高温后砂岩的矿物组成成分

每一种结晶物质都有其特定的化学组成和晶体结构,因此,当X射线被晶体衍射时,都有其独特的衍射花样,其特征可以用衍射角和衍射强度来表征,衍射强度的大小反应了晶体物质含量的多少,衍射角是寻找物相的关键。利用XRD仪对冲击后的碎块砂岩进行测试,采用jade6.5软件对测试结果进行矿物成分分析。

分析XRD谱图以及对照标准PDF卡片可得高温后砂岩试件的矿物XRD结果如图3所示,由图3可知,煤火区砂岩的主要成分为石英(SiO2)、长石(KAlSi3O8)和云母(KAl(AlSi3)O10(OH)2)等。XRD谱图中峰位由晶胞大小和形状决定,峰强是由晶胞里原子的种类和原位置决定,因此对于混合物来说,衍射峰强度主要随物质含量的增加而增加。不同温度处理后石英的衍射峰强度为最高,与常温时砂岩相比,石英的衍射峰强度随温度的提高略有所下降。在常温时,石英为脆性材料,在高温的作用下石英会产生热膨胀,促进了岩石内部原有裂隙的扩展延伸。此外,不同矿物膨胀系数存在差异性,岩石内部产生结构热应力,导致新裂纹的产生。

图3 砂岩XRD谱图Fig.3 XRD spectrum of sandstone

3 高温后砂岩动态力学特性

本文试验设定温度为常温25、200、400、600、800、1 000 ℃共6个温度等级,依据砂岩强度设定子弹冲击气压为0.58、0.60、0.62 MPa,将6个温度等级和3个冲击气压组合,进行SHPB冲击试验。不同温度条件下SHPB试验结果如表2所示。

表2 砂岩动态力学参数与温度之间的关系Table 2 Relationship between dynamic mechanical parameters and temperatures of sandstone

3.1 高温后砂岩试件动态力平衡验证

为了满足SHPB试验应力均匀性的假定,可通过入射杆上的获得入射波和反射波应变信号,以及透射杆上获得的透射波信号加以验证。如果试件满足动态应力平衡,则:

εi+εr=εt

(1)

式中:εi为入射波应变;εr为反射波应变;εt为透射波应变。

为了保证试验结果的有效性,在获得SHPB试验数据时,必须进行动态应力平衡的验证,剔除不满足式(1)准则的数据,获得有效的数据进行分析。本文以常温时编号为7-1试件为例,采用入射波叠加反射波的试验数据,与透射波试验数据进行对照,如图4所示,两曲线基本重合,验证了试验数据的有效性。

图4 试件编号为7-1砂岩试件动态力平衡验证Fig.4 Verification of dynamic force balance of sandstone No. 7-1

3.2 高温后砂岩试件波形图对比

进行SHPB冲击试验时,为减少应力波的弥散效应,得到可靠的应力-应变曲线,采用波形整形技术,即在入射杆撞击端中心位置粘贴黄铜片,子弹在撞击入射杆时先撞击黄铜片,黄铜片产生塑性变形吸收能量,从而使传入到入射杆中的入射波波形发生变化。冲击气压为0.6 MPa时高温后砂岩试件的波形图对比结果如图5所示,从图5(a)可以看出,砂岩在不同温度后的入射波形比较稳定,呈矩形状,电压幅值基本相等,与一维弹性应力波理论基本一致。由图5(b)和5(c)可得,反射波和透射波波形形状相似,呈“V”字形。不同温度下电压幅值不同,反射波形中电压幅值从小到大依次为25、600、800、400、200、1 000 ℃,透射波形中不同温度电压幅值从小到大依次为800、600、1 000、400、200、25 ℃。因试件的应力、应变、应变率可通过反射波和透射波应变计算得到:

注:图例为试件编号-温度条件图5 高温后砂岩试件波形图Fig.5 Stress wave of sandstones under high temperatures

ε=KU

(2)

式中:K为标定系数,为定值;U为电压信号值。

而反射波和透射波的应变通过式(2)得到,与试验标定时子弹的冲击速度及C0有关,则反射波应变与透射波应变与电压U成正比。因此,电压幅值的差异性说明了岩石应力的差异性。在相同的冲击气压下,反射波形与时间所围面积越小,透射波形与时间所围面积越大,砂岩试件的损伤程度越小[23]。

3.3 高温后砂岩试件应力-应变曲线特征

在进行SHPB试验时,子弹撞击入射杆,压杆上应变片接收信号,超动态电阻应变仪采集数据,数字示波器存储数据,最后依据获得的入射波、反射波和透射波进行数据处理。基于一维应力波理论,利用“二波法”公式[26]分别计算砂岩试件的动态应力、应变和应变率,进而可绘制相应的应力-应变曲线。图6给出了砂岩试件在25 ℃和热处理温度200、400、600、800和1 000 ℃后的动态冲击应力-应变曲线(每组状态下取冲击气压为0.6 MPa时的试件),从图6可知,随热处理温度的升高,砂岩试件峰值应力和峰值应变总体上呈减少趋势,砂岩在动载作用下,内部裂隙快速闭合导致应变降低,25～200 ℃时峰值应力降幅为37.66%;在200～400 ℃峰值应力降幅为17.76%;在400～600 ℃峰值应力降幅为82.81%,降低幅度最大,说明温度高于400 ℃时,砂岩内部损伤开始加大,峰值应力急速降低;在600～800 ℃峰值应力降幅为39.72%。高温后砂岩试件峰值应力下降的原因为:1)砂岩内部有许多微裂纹和微孔隙,温度升高会引起裂纹的扩张和新裂纹的产生;2)高温作用下岩石孔隙中的水分蒸发成水蒸气,造成孔隙体积增大,试件承载能力下降,即高温的作用加大了砂岩的内部损伤程度。

图6 高温后砂岩的应力-应变曲线Fig.6 Stress-strain curves of sandstones under high temperatures

图6中,常温时砂岩试件的应力-应变曲线可分为5个阶段,ob阶段,应力波作用初期,应力快速增加,持续时间较短,斜率逐渐增大,动态弹性模量较大,测得其值为43.75GPa;bc阶段,应变硬化阶段,应力波的继续传播导致试件内部孔隙发生变化,应力增长缓慢,应变增加较大;cd阶段,随着孔隙的变形闭合,试件刚度增大,基本为弹性的变形阶段,随后达到峰值应力;de阶段,应力达到峰值后,试件仍具有较高的承载能力,出现峰后平台;ef阶段,在外部荷载作用下,试件内部积累了大量损伤,导致强度降低较快。在热处理温度为200和400 ℃后砂岩应力-应变曲线在上升段存在明显的拐点a,分析认为在实验中,为了防止出现波的叠加效应,借助波形整形器,减缓入射波上升沿的速度,实现加载过程中试件的应力均匀。在热处理温度为600、800和1 000 ℃后砂岩的应力-应变曲线时程较短,主要是由于试件抗压强度较小,试件峰前应力阶段较短。

3.4 高温后砂岩试件动态力学参数的变化特征分析

在SHPB试验中,为了更直观地表征冲击作用对高温后砂岩试件产生的损伤效应,本文就应变率、峰值应力、温度等之间的关系进行探讨。

1)高温后砂岩试件峰值应力与温度之间的关系。

不同冲击气压下砂岩试件动态峰值应力与温度之间的关系如图7所示,线条仅表示趋势。在同一温度作用下,不同冲击气压下砂岩试件动态峰值应力的变化规律如下:在常温时,峰值应力从大到小依次为0.6、0.62、0.58 MPa;当砂岩试件加热温度为200 ℃(冲击气压0.62 MPa数据缺失)、400、600、800、1 000 ℃后,峰值应力从大到小依次均为0.62、0.58、0.60 MPa,由此说明砂岩试件具有明显的加载率效应。在同一冲击气压作用下,随着砂岩试件热处理温度的升高,动态峰值应力总体上呈下降趋势,这是由于砂岩试件热处理温度越高,其冲击前的内部损伤越大,在冲击荷载的作用下,砂岩内部微孔隙和微裂纹扩展延伸,内部劣化加剧,导致强度降低。

图7 砂岩试件动态峰值应力与温度的关系Fig.7 Relationship between dynamic peak stress and temperature of sandstone

2)高温后砂岩试件应变率与温度之间的关系。

由“二波法”公式可知,应变率是依据反射波应变计算而得,由图5(b)可知,反射波形峰值附近出现了平台段,这在一定程度上实现了恒应变率的加载。由图8高温后砂岩试件应变率与温度之间的关系可知,在同一冲击气压作用下,随着温度的升高,砂岩应变率均在800 ℃时发生了下降,但依据下降的幅度推测原因可能为试验误差所致;其他应变率均随温度升高而升高,表现了很好的一致性,原因为砂岩经高温热处理后,内部热损伤效应随温度升高而加剧,致使试件内部的微裂纹逐渐增多,产生较大的变形。因此,岩石的热损伤能够改变其动态力学性能。

图8 高温后砂岩试件应变率与温度之间的关系Fig.8 Relationships between strain rate and temperature of sandstone after high temperature

3.5 高温后砂岩试件动态破坏形态特征分析

图9为常温及不同热处理温度后砂岩试件撞击前后的动态破坏形态图,因SHPB试验装置的条件有限,难以将冲击速度控制为定值,为了便于分析,取冲击速度均为8 m/s左右,比较常温和热处理温度为200、400、600、800、1 000 ℃时砂岩试件的动态破坏外观图。在常温和热处理温度为200、400、600 ℃时,试件的破坏裂纹均出现在侧表面,部分试件侧表面碎块成锥体状脱落;当砂岩试件热处理温度为800 ℃和1 000 ℃时,试件与压杆的接触撞击端成粉碎性破坏。这是由于在常温和热处理温度低于800 ℃时,岩石受到外力作用,内部存在的微细孔隙不断演化,从无序分布向有序发展,形成宏观裂纹,试件内部的微裂纹在受到压杆撞击时,应力向下传递,致使岩石发生侧表面的剪切破坏。当热处理温度为800 ℃和1 000 ℃时,岩石在高温的作用下内部损伤严重,脆性较大,在冲击荷载作用下,应力来不及向下传递就已在端面发生破坏。

4 结论

1)煤火区砂岩在不同温度下的热损伤能够改变其动态力学性能,当温度达到600 ℃及以上时,砂岩基本没有承受冲击荷载的能力,高温的作用加大了砂岩的内部损伤程度。

2)煤火区砂岩随着温度的升高其冲击应变率加快,且冲击气压的大小对冲击应变率的影响更加显著。

3)煤火区砂岩当温度达到800 ℃以下时,砂岩的冲击破坏是发生在侧面的剪切性破坏,而当温度达到800 ℃以上时砂岩的冲击破坏发生在撞击面且为粉碎性破坏。这为温度变化下的砂岩理论模型的构建给出了宏观依据。

4)本次研究的煤火区砂岩为石英砂岩,其为一种沉积岩,主要由各种砂粒胶结而成,结构稳定,内部组分熔点较高。但在高温的作用下,砂岩部分组成成分会发生反应,改变了砂岩原有的结构特征,结构稳定性被破坏,降低了其砂粒之间的胶结作用,在外部荷载的作用下,极易发生破坏。所以不同砂岩组分影响其在温度变化下的冲击性能。