灰?guī)r強(qiáng)載荷單軸壓縮變形破壞及聲發(fā)射特性研究

康 超,劉曉寧,2

(1.山西煤礦安全培訓(xùn)中心,太原 030001;2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,江蘇 徐州 221116)

隨著我國礦井開采深度、開采強(qiáng)度(以下簡稱“兩度”)的不斷增加,強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)、沖擊地壓等災(zāi)害隨之增加,嚴(yán)重威脅生產(chǎn)工人的生命安全,也給礦井的安全生產(chǎn)埋下隱患。想要逐步緩解并解決“兩度”增加帶來的礦壓顯現(xiàn)問題,就必須弄清楚井下采掘空間圍巖在強(qiáng)載荷下的變形和破壞特征。謝和平等[1-3]提出深部資源開采已成為常態(tài),但是深部資源開發(fā)中常伴隨著重大災(zāi)害事故,難以有效預(yù)測與防治。

巖石受力變形直至破壞過程的研究是力學(xué)中的一個重要領(lǐng)域。研究者提出巖石在載荷作用下,首先發(fā)生的物理現(xiàn)象是變形,隨著載荷的不斷增加,或在恒定載荷作用下,隨時間的增長,巖石變形逐漸增大,最終導(dǎo)致巖石破壞[4-5]。山邦久[6]提出聲發(fā)射(Acoustic Emission,AE)是研究脆性材料失穩(wěn)破裂演化過程的有效手段,其能量是材料變形、破壞時釋放的一種彈性變形能,可以實時、連續(xù)地監(jiān)測在外力作用下脆性材料內(nèi)部微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展,并能對其破壞位置進(jìn)行定位。灰?guī)r是深部礦井開采常見的煤系巖層,本文對灰?guī)r試樣進(jìn)行單軸壓縮實驗[7-12],監(jiān)測其應(yīng)力應(yīng)變及聲發(fā)射信號,分析灰?guī)r在單軸強(qiáng)載荷條件下的變形破壞及聲發(fā)射特性,實驗結(jié)果可較好地對深部礦井煤系巖層破斷及沖擊礦壓等災(zāi)害預(yù)測提供數(shù)據(jù)。

1 實驗方案設(shè)計

1.1 實驗系統(tǒng)

實驗巖樣取自河南神火集團(tuán)一采深800 m礦井,為煤層老頂,取至實驗室后,經(jīng)切割機(jī)取出巖芯,巖芯試樣加工成直徑5 cm,高10 cm的圓柱體,實驗共加工2個圓柱體試樣。采用MTS815.02電液伺服巖石力學(xué)實驗系統(tǒng)進(jìn)行加載,使用TS2890型靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集應(yīng)變,使用DISP-24型聲發(fā)射系統(tǒng)監(jiān)測聲發(fā)射事件,實驗系統(tǒng)概況如圖1(a)所示。實驗過程中每個圓柱形試樣上都安裝4個應(yīng)變片和一個聲發(fā)射探頭,用來采集數(shù)據(jù),如圖1(b)所示。應(yīng)變片均勻貼在試件軸向中心位置,單個應(yīng)變片電阻值為120.5 Ω,兩組相對位置的應(yīng)變片分別測量軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變,并采用半橋接線方式,分別與相對應(yīng)補(bǔ)償試件的應(yīng)變片一起連接至靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。

(a)實驗系統(tǒng)全貌

(b)應(yīng)變片及聲發(fā)射探頭布置圖1 MTS實驗系統(tǒng)Fig.1 MTS experimental system

1.2 實驗參數(shù)設(shè)置

為準(zhǔn)確記錄灰?guī)r試樣受單軸強(qiáng)載荷過程中的破壞形態(tài)及特性,將MTS815.02實驗系統(tǒng)設(shè)置如下:加載方式設(shè)置為軸向位移控制方式,加載速率設(shè)置為0.24 mm/min,初始力設(shè)為5 N。DISP-24型聲發(fā)射系統(tǒng)設(shè)置如下:系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為5 MHz,系統(tǒng)探頭閾值設(shè)置為35 dB,系統(tǒng)前置放大器增益設(shè)置為60 dB,系統(tǒng)探頭高通設(shè)置為1 kHz,低通設(shè)置為800 kHz,探頭涂抹黃油,緊貼實驗機(jī)。實驗時,同時開啟加載系統(tǒng)、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀及聲發(fā)射儀進(jìn)行實驗,實驗結(jié)束后同時停止。

2 實驗結(jié)果分析

實驗過程中進(jìn)行了實時監(jiān)測,繪制了灰?guī)r單軸強(qiáng)載荷壓縮的全應(yīng)力應(yīng)變曲線及聲發(fā)射能量率圖(圖2),影像記錄得到了變形破壞過程圖(圖3、圖4),通過分析可得出如下規(guī)律:

2.1 試件聲發(fā)射特征

圖2中,實驗開始到A點階段中,試件在剛開始的壓密階段和線彈性變形階段的初期,系統(tǒng)采集到的聲發(fā)射活動較少。當(dāng)實驗系統(tǒng)加載至應(yīng)力峰值的45%左右時,聲發(fā)射能量率趨于活躍(圖2(b),2#試件較明顯),表明此時試件內(nèi)部開始出現(xiàn)微破裂,由于微破裂的出現(xiàn),巖石由原有的壓密階段之后的似連續(xù)介質(zhì)又重新轉(zhuǎn)化為不連續(xù)介質(zhì),微破裂面之間的聚合、交錯以及擴(kuò)展,同時釋放一部分彈性應(yīng)變能,采集到的聲發(fā)射能量率趨于活躍。

圖2 單軸強(qiáng)載荷壓縮的全應(yīng)力應(yīng)變曲線及聲發(fā)射能量率Fig.2 Total stress-strain curves and acoustic emission energy rate of uniaxial strong load compression

圖2(a)中,1#試件在應(yīng)力峰值之前,聲發(fā)射能量率較小,在峰值位置時聲發(fā)射能量率突然升高至18.462 V,試件內(nèi)部產(chǎn)生宏觀破裂,試件失去承載能力。圖2(b)中,2#試件在達(dá)到應(yīng)力峰值之前,聲發(fā)射能量率有3次較高的峰值,并且其中有2次伴隨應(yīng)力的瞬間降低。這是由于試件原有的裂隙、弱面等的聚合、交錯以及擴(kuò)展而使試件內(nèi)部產(chǎn)生破裂而釋放的彈性能。可當(dāng)系統(tǒng)加載達(dá)到應(yīng)力峰值時,聲發(fā)射能量率升高幅度并不大,僅為4.199 V。由此可以看出,巖石中原有裂隙的閉合、交錯以及擴(kuò)展會釋放一定的彈性應(yīng)變能,從而減弱巖石破壞時的彈性能的釋放。

圖2(a)、(b)中,試件在達(dá)到應(yīng)力峰值后,應(yīng)力降低速度均經(jīng)歷了“迅速—緩慢—迅速—緩慢”的過程,兩次應(yīng)力的迅速降低都伴隨著聲發(fā)射能量率的突然升高。達(dá)到應(yīng)力峰值A(chǔ)點時,應(yīng)力迅速降低,降幅分別9.1 MPa和6.5 MPa,聲發(fā)射能量率突然出現(xiàn)1個高峰值,說明灰?guī)r在達(dá)到極限承載能力時突然失穩(wěn)而形成沖擊,釋放較大的彈性應(yīng)變能。但此時觀察試件表面并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的宏觀裂紋(圖3(a)、圖4(a))。

2.2 試件變形破壞過程

在應(yīng)力達(dá)到峰值之前,試件沒有明顯的宏觀破壞,如圖3(a)、圖4(a)所示(對應(yīng)圖2(a)(b)中A點),應(yīng)力過了峰值之后,試件破裂進(jìn)入不穩(wěn)定發(fā)展階段,應(yīng)力降低速度緩慢,1#試件應(yīng)力有上升趨勢,此期間有少量的聲發(fā)射信號。這是由于破裂過程中所造成的應(yīng)力集中效應(yīng)顯著[10-11],即使應(yīng)力降低緩慢或保持不變,破裂仍會不斷地發(fā)展,通常某些最薄弱環(huán)節(jié)首先被破壞,應(yīng)力重分布的結(jié)果又引起次薄弱環(huán)節(jié)被破壞,就這樣依次進(jìn)行下去直至整體破壞。

到達(dá)圖2中B點時,試件發(fā)生明顯的宏觀破壞,如圖3(b)、圖4(b),試件上部邊緣由于應(yīng)力集中效應(yīng)而首先開裂,累進(jìn)破裂過程中累積的能量突然釋放,聲發(fā)射能量率出現(xiàn)1個高峰值。在BC階段,試件承載能力急劇下降,應(yīng)力迅速降低,造成應(yīng)力的重新分布,并逐步沿原有起裂位置發(fā)展為貫通性破壞面,形成主要剪切面,如圖3(c)、圖4(c)所示,剪切破壞面的破裂角分別為75°和83°。

CE階段,試件的應(yīng)力降低速度減緩,變形繼續(xù)發(fā)展,主要剪切面逐步張開,并在逐漸形成新的宏觀裂紋,如圖3(d)、圖4(d)所示。由于破壞傾角較大,為了實現(xiàn)破裂面覆蓋試件斷面,試件出現(xiàn)了多個與主要剪切破壞面傾角大致相同的剪切破壞面[10],如圖3(e)、圖4(e)所示,試件被分成相互脫離的塊體而完全破壞。

2.3 試件應(yīng)力、應(yīng)變特點

應(yīng)力、應(yīng)變與試件關(guān)系曲線如圖5表示。在彈性階段,試件的軸向應(yīng)變與橫向應(yīng)變均近似呈一條直線,可以計算出,試件的彈性模量為13.61 GPa,泊松比為0.168 4。體積應(yīng)變與軸向應(yīng)變的變化趨勢基本一致,沒有出現(xiàn)擴(kuò)容現(xiàn)象,橫向應(yīng)變較小,體積應(yīng)變中軸向應(yīng)變起主要作用。

圖3 1#試件變形破壞過程Fig.3 Deformation and failure process of No.1 specimen

圖4 2#試件變形破壞過程Fig.4 Deformation and failure process No.2 specimen

圖5 應(yīng)力、應(yīng)變與時間關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of stress, strain, and time

使用粘貼應(yīng)變片的方法測量應(yīng)變時,當(dāng)試件失去承載能力后試件內(nèi)部的微破裂逐步發(fā)展為宏觀裂紋,試件內(nèi)部的變形具有非均勻性,而應(yīng)變片測量的是試件表面的局部應(yīng)變,不能反應(yīng)整個試件的應(yīng)變。因此,當(dāng)加載至應(yīng)力峰值時,軸向應(yīng)變突然增大,應(yīng)變值由0.002 13變?yōu)?.004 87,橫向應(yīng)變瞬間減小,出現(xiàn)臺階狀變化,由此可判斷雖然此時試件表面沒有產(chǎn)生明顯的裂紋；但試件內(nèi)部已經(jīng)形成了沿主要剪切破壞面的宏觀裂紋,并且由于其中一個軸向應(yīng)變片位于試件主要剪切破壞面的一側(cè),該側(cè)相對整個試件而言體積較小,試件達(dá)到峰值應(yīng)力后的突然失穩(wěn)使該側(cè)不足以承載試件的峰值應(yīng)力,軸向應(yīng)變出現(xiàn)突變,繼而伴隨試件上部邊緣逐漸起裂,軸向應(yīng)變逐漸恢復(fù)。

3 結(jié)論

1)灰?guī)r的單軸強(qiáng)載荷壓縮過程中基本經(jīng)歷了2次大的變形破壞,第1次為應(yīng)力峰值時,使試件進(jìn)入塑性階段；第2次為應(yīng)力峰值后,使試件表面產(chǎn)生明顯的宏觀裂紋。每次都伴隨應(yīng)力的迅速降低與彈性應(yīng)變能的釋放,監(jiān)測到明顯的聲發(fā)射活動。破壞形式為剪切破壞,有一個主要剪切面和多個傾角大致相同的剪切破壞面,破壞角為79°。

2)由于灰?guī)r脆性較強(qiáng),在單軸強(qiáng)載荷壓縮條件下,當(dāng)加載至應(yīng)力峰值的45%時,巖石內(nèi)的裂隙發(fā)生閉合、交錯及擴(kuò)展，使巖石產(chǎn)生一定的破壞,首次監(jiān)測到明顯的聲發(fā)射活動。利用這一特征,可在深部礦井采掘空間圍巖破斷失穩(wěn)或發(fā)生沖擊地壓前進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。

3)采用粘貼應(yīng)變片的方法測量試件的應(yīng)變,可以通過應(yīng)變的瞬間變化判斷試件的失穩(wěn)破壞。

4)深部礦井的煤層頂?shù)装鍘r層,在受力環(huán)境以垂直方向應(yīng)力為主的情況下,建議以預(yù)防煤層頂?shù)装寮羟衅茐臑橹?使用聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測,可在頂?shù)装迨軓?qiáng)載荷破壞前進(jìn)行預(yù)測預(yù)報。