偏載作用下三孔洞砂巖的力學特性及聲發射特征

劉 剛, 王冬偉, 楊志濤

(1.黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室, 哈爾濱 150022; 2.黑龍江科技大學 礦業工程學院, 哈爾濱 150022; 3. 寶泰隆新材料股份有限公司, 黑龍江 七臺河 154604)

0 引 言

由于井工開采復雜的空間布局,導致應力分布不均,在煤柱區域、工作面前方、采空區邊界及大傾角煤層中煤巖體均處于偏心載荷作用,每個區域所受到的偏載及偏心程度不同?？锥词敲簬r體一種典型的缺陷形式,不僅影響著砂巖的強度、剛度等,還能導致局部應力集中,從而誘發煤巖的損傷破壞。偏心載荷及缺陷共同作用容易導致砂巖的力學特性及破裂形態發生變化,加劇煤巖體損傷劣化的程度,進而加速煤巖體空間結構失穩。因此開展偏心載荷作用下含孔洞煤巖損傷破壞研究具有重要意義。

在均布荷載方面,肖福坤等[1]探究了單軸壓縮條件下不同孔徑、孔深、孔數及孔位的砂巖破裂演化規律及力學特征。段進超等[2]利用數值模擬的手段分析了不同孔數及孔的分布情況對煤巖破壞程度的影響。Wang等[3]對具有中心孔和孔邊缺陷的花崗巖試樣進行了單軸壓縮試驗,得到中心孔和孔邊缺陷大大弱化了試件的強度等力學性質。Wei等[4]探討了單軸壓縮荷載下含不同孔洞形狀試件的力學性質和開裂行為,得到裂紋的萌生和擴展受到力場分布的影響。Xiao等[5]分析了不同孔位置和直徑對巖石試樣力學性能的影響。劉剛等[6-8]探究了組合煤巖體破裂過程的聲發射規律和花崗巖損傷破裂過程。

在偏心荷載方面許江等[9]開展了非均布荷載對煤與瓦斯突出特性的影響。王曉等[10]開展了非均布荷載對大尺寸長方體類巖石試件聲發射參數的影響研究。葛麗娜[11]開展了偏心荷載下含孔洞缺陷煤巖力學特性研究。王濤[12]研究了非對稱荷載下煤巖力學行為。

綜上,筆者以多形態三孔洞砂巖為研究對象,借助聲發射監測技術,研究了偏載作用下不同空間分布形態三孔洞砂巖力學特性和破裂損傷演化規律。

1 試 驗

1.1 試驗設備及孔洞巖樣制備

試驗選取均質性較高的黃砂巖作為研究對象。該砂巖為細晶結構,顆粒粒徑相對比較均勻。壓力機以0.02 mm/s速度進行加載,直至試樣完全破壞,同步采集試件從受載至破壞全過程的聲發射信號,試驗測試系統如圖1所示。砂巖塊體尺寸為100 mm×100 mm×30 mm的長方體板狀試樣。其中橫三孔中三孔洞圓孔中心均位于試樣中部水平方向且圓孔中心與邊界、圓孔與圓孔之間的距離均為25 cm;豎三孔中三孔洞圓孔中心均位于試樣中部垂直方向且圓孔中心與邊界、圓孔與圓孔之間的距離均為25 cm;斜三孔中三孔洞圓孔中心均位于試樣對角線方向且圓孔中心與邊界、圓孔與圓孔之間的距離均為35.36 cm;而面置三孔左側兩圓孔中心連線沿垂直方向且與左側邊界的距離為35 cm,兩孔洞與兩側邊界的距離為35 cm,且兩孔洞之間的距離為30 cm,右側一孔洞圓心位于試樣中部中線上且與右側邊界的距離為30 cm,三孔洞形成底角為66.8°、頂角為46.4°的等腰三角形面。試樣表面分別進行打磨以保證其平整。砂巖三孔洞空間布置形態如圖2所示。為保證試驗數據準確和方便比較,需要保持3個孔洞面積相等。

圖1 試驗測試系統

圖2 砂巖試樣

1.2 荷載偏心系數計算

為了便于表示荷載偏心程度,定義了荷載偏心系數,為非加載區面積與加載區面積的比值[11]。

(1)

式中:Ic——偏心系數;

Sf——荷載直接作用面積;

S——試樣表面積。

由試驗整體情況可算得,荷載直接作用面積為2 188.24 mm2,而試樣上表面積為100 mm×30 mm=3 000 mm2,由兩者比值可得出本次荷載偏心系數為0.27。試件基本參數如表1所示,其中,D為孔洞直徑。

表1 試件編號及基本參數

1.3 試驗步驟

首先,進行TYJ-500電液伺服巖石剪切流變試驗機調試,SH-Ⅱ聲發射儀連接測試以及高速攝像機安裝調焦,再進行聲發射數據斷鉛測試。使用凡士林作為耦合劑將聲發射探頭與Nano30探頭耦合,防止煤巖裂紋擴展彈性波信號的損失。聲發射門檻設定為40 dB,前置放大器增益為40 dB。

2 結果與分析

2.1 應力-應變分析

通過分析應力-應變曲線,獲得偏心載荷下不同孔洞布置形態砂巖的抗壓強度、峰值應變及彈性模量,數據如表2所示。斜三孔空間布置形態較其他三個孔洞空間布置形態峰值應力和峰值應變低,分別為64.43 MPa和3.01%,與其相近的是三角面孔空間形態布置,其峰值應力及峰值應變分別為68.51 MPa和3.08%,橫向布置孔洞次之,分別為76.80 MPa和3.14%,而豎向空間布置形態的巖樣峰值應力及峰值應變最大,分別為96.07 MPa和3.37%。通過不同孔洞布置形態砂巖的彈性模量變換規律可知,對橫三孔、豎三孔及三角面孔的彈性模量相差不大,但對斜三孔空間布置形態的弱化作用顯著,說明孔洞空間布置形態對砂巖整體剛度具有影響,構成優勢破裂面的孔洞空間形態對剛度影響較大,而非優勢破裂面孔洞空間形態對剛度影響較小。

表2 不同空間布置形態巖樣的力學參數

斜三孔空間布置形態砂巖彈性模量最小,所對應的強度也最低,豎三孔空間布置形態砂巖彈性模量最大,所對應的強度也最大。說明偏載作用下不同孔洞形態砂巖抗壓強度與彈性模量正相關。

不同孔洞空間布置形態砂巖應力-應變曲線,如圖3所示,四種不同孔洞空間布置形態巖樣應力-應變曲線均存在孔隙裂隙壓密階段、彈性變形至微彈性裂隙穩定發展階段、非穩定破裂發展階段、峰后階段,滿足煤巖試樣典型的曲線特征。結合圖4來看,四種布置形態在各個階段的表現形式有所不同。在孔隙裂隙壓密階段,試件中原有張開性結構面或微裂隙逐漸閉合,砂巖被壓密,形成早期的非線性變形,四種布置形態應力-應變曲線都呈上凹形狀,而斜三孔布置形態凹陷率遠小于其他三種形態;當進入彈性變形至微彈性裂隙穩定發展階段時,曲線以不同斜率線性增長;在非穩定破裂發展階段,除斜三孔外,均呈現了局部波動特征,應力-應變曲線的變化表征局部發生了裂紋的衍生、擴展,從最終破裂形態可知,斜三孔處于優勢破裂路徑上,故其具有完整砂巖應力-應變屬性,而非優勢破裂路徑的孔洞在塑性變形階段,與原生裂紋“爭奪”優先擴展路徑,故呈現了應力-應變曲線的微波動特征;當曲線達到破裂后階段,斜三孔的下降趨勢明顯大于其他三種形態,呈現出尖角上突式“^”形,而另三種形態曲線變化均以波浪式均勻降低。

圖3 不同孔洞空間布置形態砂巖應力-應變曲線

圖4 不同孔洞空間布置形態巖樣彈性模量變化趨勢

四種不同空間布置形態應力-應變曲線每一典型階段區間都呈半遞減趨勢,對比分析其他三孔孔洞布置形式,斜三孔應力-應變曲線除了在孔隙裂隙壓密階段延長外其曲線特征相對于完整巖樣應力-應變特征幾乎保持一致,原因在于其優勢裂紋與孔洞形成較完整體系,所以偏載對其影響要弱于孔洞布置形式對其造成的影響。

2.2 單軸壓縮破壞特征

掌握偏載作用下不同三孔洞形態砂巖的破裂特征,對圍巖穩定性控制及災害防治具有重要的意義,故對偏載作用下三孔洞形態裂紋的衍生及破裂特征、裂紋類型進行分析。不同孔洞空間布置形態巖樣破裂圖,如圖5所示。

圖5 不同孔洞空間布置形態巖樣破裂狀態

由圖5a可知,在橫向三孔洞布置(水平方向布置)時,縱向受壓,砂巖發生破壞主因素為偏心加載,即偏應力為主導作用,壓力沿著左側接觸邊緣產生大裂紋,但是中間局部由于受到了橫向三鉆孔的影響,從而形成貫通式裂紋的主裂面,如圖中紅色曲線所描繪出。在加載接觸邊緣處,裂隙尖端初始萌生裂紋均以拉伸性質的雙翼型裂紋或反抗拉裂紋為主,但初始萌生的拉伸裂紋并非是巖樣最終破壞的裂紋類型,在砂巖中部,裂紋在尋找弱面行走路徑時,通過三孔洞的“牽引”而產生了微小的次級裂紋,如圖中藍色曲線所繪出,孔洞周圍具有釋放能量的作用,以至于在三孔洞周圍形成了剝落區。

由圖5b可知,在豎向三孔布置(垂直方向布置)時,破壞主因素為豎向偏心荷載,砂巖在達到峰值載荷瞬間產生巨大張拉裂紋,而在裂紋尋找卸荷釋放能量的最優路徑時,由于豎向空間布置狀態下與壓力機接觸的正下方并沒有孔洞缺陷,左右兩側應力在到達最近的上部孔洞便釋放能量,左右兩側順勢產生巨大主裂面,從而產生類三角形裂紋,且在大張拉裂紋終端萌生出次級微裂紋,如圖中藍色曲線所示,在巖樣右端接觸部分也沿軸向出現了拉伸裂紋,產生大面積剝落區導致整體失穩破壞。

由圖5c可知,在斜向三孔洞布置時,孔洞布置形態因素為砂巖破壞的主要因素,砂巖沿著斜向45°產生了剪切破壞主裂面,萌生了貫穿孔洞的剪切裂紋和剪切破碎帶。如圖中的紅色曲線所描繪出的,孔洞影響了宏觀裂紋的起始點和裂紋擴展的路徑?？锥粗車膽泻蛻︸詈闲龠M了次生裂紋的迅速擴展,如圖中藍色曲線所畫,進一步導致巖樣的破碎產生了剝落區。由于剪應力貫穿于孔洞布置方向,巖石的彈性性質在孔洞周圍發生了變化,從而引起不均勻應變。在加載過程中,孔洞周圍的區域和周圍巖石之間可能存在不同的應變響應,從而導致了巖石的剪切和拉伸等不均勻變形,從而促進裂紋的形成和擴展導致巖樣的失穩破壞。

由圖5d可知,在砂巖中部布置面三孔時,由于砂巖左側布置的是兩孔洞較右側單孔洞來說,應力在尋找最優路徑時更加偏向弱側,砂巖的左端產生較大的裂紋,在裂隙尖端初始萌生裂紋均以拉伸性質的翼型裂紋或反抗拉裂紋為主,隨后受到左側兩孔洞的“吸引”而形成大面積的拉伸裂隙破壞帶,孔洞附近的應力集中區域首先達到了臨界值,裂紋由此處開始向右擴展。由于面三孔洞布置成封閉結構,其內部的應力集中導致了裂紋沿著三角形內部的邊界擴展,形成三角形狀的破裂區域,砂巖失穩破壞將引起早期裂紋寬度增加和右側孔洞下方遠場裂紋的萌生。

加載過程中,砂巖會發生彈性變形,而孔洞會導致巖石的彈性特性不均勻。存在孔洞的區域和周圍的巖石在面對加載時會有不同的應變響應。橫向三孔與縱向三孔布置形態,兩者破壞主因素均為豎向偏心載荷作用,而橫向三孔和面向三孔布置由于受到孔洞影響,左位孔洞與右位孔洞在未接近試件中部50%區域就已經發生破壞,左側形成主裂面,且中位孔引導卸壓作用不顯著。在左側兩孔洞周圍產生了小面積的剝落區,三面孔的破壞形態能很好地佐證這種現象,左側兩孔洞比右側單孔洞對巖樣的破壞作用更加明顯。而在豎向三孔布置時,可以很明顯地觀察到只有上位第一個孔洞起主導作用,而下位孔與中位孔洞影響薄弱。在整個斜向三孔布置時,缺陷區域由鉆孔孔洞主控制,應力集中現象被弱化了,以孔洞之間的裂紋貫通與主體聯系,從而形成了一個線性的45°貫通體,綜上在三孔洞不同布置方式時,斜向三孔布置破裂效果最為顯著。這與應力-應變規律及抗壓強度所表現的特征是一致的。

2.3 損傷演化特性

圖6給出了不同布置形態孔洞砂巖受偏載作用下的應力-時間-振鈴計數曲線。在前期的裂隙壓密階段,四種空間布置形態的孔洞砂巖幾乎都沒有持續且較大的聲發射信號。斜三孔在其壓密階段后期和裂隙發育初期,聲發射信號較少,在裂隙貫通破壞前期,出現破壞的前兆信息,此時聲發射信號迅速增加,隨著剪切破壞的完成,在峰后裂隙穩定發育的階段聲發射信號較少。橫向三孔空間布置與三角面孔空間布置聲發射計數演化規律類似,都是在裂隙破壞即砂巖達到峰值應力時出現最大的振鈴計數,峰值約34 000次。豎向三孔布置一直持續加載到塑性階段的130 s時聲發射振鈴計數才開始快速增長,且聲發射計數達到了33 000次,隨后聲發射信號逐漸減少,二次峰值聲發射計數達到18 000次左右,在砂巖裂隙穩定發育后期也有少量聲發射信號出現。通過四種不同孔洞布置形態聲發射計數-時間曲線可以發現,其峰值聲發射計數均在30 000次左右,說明四種空間布置形態巖樣破裂劇烈程度在破裂時刻相近,但是整體所表現出來的屬性特征卻有差異,尤其在前期孔隙裂隙壓密階段,豎三孔聲發射信號較少,橫三孔與三角面孔有較為微弱的聲發射信號,而斜三角孔在前期聲發射信號較為劇烈,如圖6c中A點的初峰值計數信號,分析其原因受左側上方優勢孔洞的作用造成微裂紋的延展所出現的較劇烈聲發射信號。四種不同形態的聲發射信號活躍程度不同,三角面孔布置方式活躍程度較為劇烈,原因在于面三角孔受偏載作用時微裂紋在早期便開始衍生,表現在巖樣碎裂素描圖中破碎形式較為復雜。而豎三孔空間布置下聲發射信號活躍程度較為平緩,其原因在于豎向加偏載時巖樣沿豎直孔洞形成主控裂紋,孔洞作用較小,沒有造成更多次生裂紋的產生,前期微裂紋的貫通效果不顯著,所表現出來的聲發射計數和聲發射的活躍程度也較其他三種弱。

圖6 不同布置形態巖樣應力-應變-聲發射特征關系曲線

由整體聲發射振鈴計數演化圖6可以發現,三角面孔聲發射計數具有持續性且高計數性,說明在三角面孔加載過程中前期表現為靜態,但達到一定的載荷后,由于孔的聚集性而導致持續破壞的發生。

巖樣聲發射累計總能量,如圖7所示。通過圖7可以發現,不同孔洞布置形態砂巖破壞釋放的能量由強到弱的順序依次是豎三孔、橫三孔、面三孔、斜三孔,在偏心荷載加載下,豎三孔由于垂直處于巖樣中部偏載對其影響較小,橫三孔在偏載兩端僅僅只有單個孔受到荷載影響,面三孔在偏載一側側向方向受到兩孔洞影響較大,而斜三孔主要受到剪切作用影響導致斜向45°主裂紋貫通破壞,此現象與砂巖的彈性模量變化規律具有較好的對應關系。由于孔的聚集性、裂紋持續貫通、孔與孔之間的相互作用進而導致大量能量的釋放。而三種線性布置三孔來看,聲發射的持續時間相對于面三孔較短,但其內部又存在相對差異,首先,伴隨著微裂紋的產生,斜三孔與橫三孔在初始壓密及破壞前期已經逐步有聲發射信號的出現,并且斜三孔出現高計數信號具持續增長,而橫三孔布置在高計數階段具有間斷密集性。豎三孔布置方式,在達到聲發射高計數階段后出現短暫的信號空白期及低谷期。不同空間布置形態巖樣破壞聲發射前兆信息不同。

圖7 不同孔洞空間布置形態巖樣聲發射累計總能量

綜上可知,豎向三孔洞布置聲發射信號較其他最少而三角面孔布置聲發射振鈴計數最多,不同孔洞布置形態的砂巖在破壞全過程中監測到的聲發射振鈴計數趨勢大體一致,同時聲發射振鈴計數與巖石損傷演化過程中的應力-應變曲線變化規律有著很好的對應關系。

3 結 論

(1)理論計算的偏載系數為0.27。偏載狀態下孔洞的不同空間布置對抗壓強度產生了一定的影響。斜三孔砂巖的峰值應力最小,豎三孔峰值應力最大,其他形態處于二者之間,說明傾向45°孔洞內含裂紋延伸優勢路徑。偏載作用下不同孔洞空間布置的彈性模量與抗壓強度呈現正相關關系。

(2)通過偏載作用下不同布置形態孔洞砂巖的破裂形態可知,橫三孔及豎三孔偏載效應顯著,砂巖上部破裂線沿加載線延伸,斜三孔及面三孔孔洞形態效應顯著,斜三孔沿著孔洞布置方向破壞,面三孔形成中部聚集性破壞。

(3)聲發射振鈴計數能夠較好地表征不同孔洞砂巖損傷演化階段的特征,三角面砂巖的聲發射振鈴計數與遠大于其他空間形態布置的孔洞巖樣。不同孔洞布置形態巖樣砂巖內部蘊含破壞釋放的能量由強到弱的順序依次是豎三孔、橫三孔、面三孔、斜三孔。