火灾等极端高温下岩石高温破坏机理探讨

余传斌　向恩永　陈波　马夕瑞　张永科

【摘要】煤矿发生火灾和瓦斯爆炸或隧道中发生火灾这样的事件时有发生，一旦发生后，火灾影响范围内煤矿巷道围岩受到高温作用而发生松动破裂等现象，随时都有坍塌或塌方的危险，严重影响到矿井内人员的安全以及财产的安全。

【关键词】岩石强度；温度应力；膨胀变形；强度退化；裂隙特征

1引言

处理高温环境下或高温后的岩石工程问题是岩石力学的新课题。高温对岩石介质的影响已在地质、能源、土木等许多领域中被提出来。例如，地下煤的开采与瓦斯爆炸，煤炭开采过程中煤炭的自燃，各种硐室及地下工程在经受火灾等事故后的重建，其周围岩体均可经历一定的高温作用，导致岩体工程结构的安全性降低，为此需要对岩石高温后的物理力学性质进行深入系统的研究。

2地下煤炭开采研究现状

因本课题源于煤炭地下开采问题的提出，下面先介绍煤炭地下开采的研究现状。煤炭是21世纪的主要能源，煤炭开采方法一直是国内外专家研究的重要内容，现在煤炭开采的主要方法还是以地下采煤为主，这种采煤方法最大的弊端是工人要在地下作业，危险系数非常高。我国产煤量占世界总产煤量的35%，稳居世界原煤产量先进行列，但是死亡人数却占80%，为了降低人员伤亡和财产损失，人们也在不断研究新的煤炭开采方法。

3岩石的物理性质

岩石是一种复杂的天然介质，是地球上最普通、最常见的一种脆性地质材料。岩石是颗粒或各种矿物晶体相互胶结在一起的聚集体，其内部存在大量的地质缺陷，如断层、节理、层理、裂纹、断裂面、孔洞等，岩石中形成了各种微裂隙和微孔洞，因而岩石材料本身的结构特点就是存在大量的缺陷。岩石内含各种矿物结晶成分，如果将矿物结晶的方向看作随机分布，则岩的石性质仍可认为是各向同性的多相体。因为组成岩石的各种矿物结晶颗粒各自具有不同的热膨胀系数，岩石受热后，各种矿物颗粒的变形也不同。但是岩石是一种固体结构性连续体，在温度作用下，为了保持其变形的连续性，其内部各种矿物颗粒无法按各自固有的热膨胀系数随温度而自由变形，从而导致矿物颗粒之间产生约束，变形大的受到压缩，变形小的受到拉伸，这就是热应力。由于它们热膨胀或冷收缩的相互牵制会产生热应力，同时，由于热膨胀失配机制线胀系数不同而导致样品内部变形不协调使原生微裂纹变得更大，在冲击载荷作用下表现为与常温状态下不一样的破碎特性。

4高温对岩石工程的影响

研究高温作用或高温后的岩石工程问题是岩石力学的重要课题。在能源、地质、土木等众多工程领域中，地热的开发与利用、地下矿山和瓦斯爆炸、岩石地下工程灾后重建，周围岩体均可能经历一定的高温，这就需要考虑岩石在高温作用下或高温后的物理力学性质。岩石工程结构在高温后的强度与变形特性成为工程界关注的焦点。由于高温后岩石的力学性能劣化，导致岩石工程结构的安全性降低，因此需要对这类结构进行高温后的损伤评估，以制定合理的鉴定、修复、加固及评价方案。为了进行鉴定和修复，首先需要明确岩石在遭受不同温度作用后的力学性能，这对于火灾损伤结构的全过程分析和提高岩体结构的安全性具有重要意义。

岩体的破坏，通常是由于内部的微裂隙和微孔洞开裂、发展并最终相互贯通，弄清岩体破坏失稳的机理，无疑是能否正确评价岩体稳定性的关键。近年来，随着损伤力学、断裂力学、渗流力学的引入和应用，加快了裂隙岩体的研究进展。

5高温岩石热膨胀性质的研究

岩石在一定高温作用下，会膨胀并产生热膨胀应力。不同的岩石膨胀系数不同，所产生的热膨胀力存在很大差异。温度的变化导致热应力的生成，温度变化的周期性致使热应力具有交变性，在这种交变应力作用下，边坡浅部岩体的破坏表现出疲劳特征。有人采用随机非均匀介质热弹性力学模型和有限元分析方法，仅考虑热膨胀系数为随机介质，在平面应变模型下，以花岗岩为样本，进行了岩石热破裂的数值试验，对均匀分布、正态分布、韦泊分布等三种随机分布下弹性模量和泊松比引起的岩石破裂门槛温度值的变化作了详细研究，揭示了弹性模量和泊松比对岩石热破裂门槛温度值的变化规律。结果表明，两种岩石随着加热时间延长温态热膨胀力增大，最后趋于恒定，岩性对岩石温态热膨胀力有显著影响。

6岩石的热膨胀应力

岩石在外力作用下要发生变形，从而在内部产生应变和应力，但岩石的变形不仅仅由外力作用能够引起，温度的变化也能够引起变形，称为热变形。另外，仅有温度的变化在岩石内部也不一定产生应力，只有当温度变化所引起的膨胀或者收缩受到外界约束时，才会在岩石内产生应力，即热应力。还有一种情况是，在岩石内部，如果温度的分布是不均匀的，虽然岩石不受外界约束，但由于岩石内部各处温度不同，以及存在着温度差，每一部分因受到不同温度的相邻部分的影响，不能自由膨胀或者收缩，也会在岩石内部产生热应力。岩石的热膨胀性是指岩石受热膨胀的性质，岩石受热膨胀时，若受到周围岩体的约束，对岩石热膨胀变形的约束力的大小就是岩石对外表现出的宏观热膨胀力的大小。岩石所受约束条件不同，其相应的膨胀应力大小也不同。

7主要结论

在煤炭地下气化、矿下煤与瓦斯爆炸、地热资源开发等领域，周围巷道岩体都有可能承受一定的高温作用，工程围岩受高温后的力学性质和力学行为的变化规律对岩土工程设计、数值分析及长期安全性预测具有决定性作用，是急需要解决的力学问题。本文结合地下煤炭巷道围岩在火灾或极端高温过程中具有多个自由面处于高温环境下的事实，选取煤层顶板石灰岩和砂岩为研究对象，研究了单、双向约束和无约束及高温作用条件下石灰岩和砂岩的微观结构、膨胀应力和力学性质变化的规律，该研究可以为煤炭地下开采等工程提供高温岩石力学基础，其研究成果也对经历高温的其他工程结构及部分火灾损伤结构的全过程分析和提高岩体安全性具有参考价值，主要研究成果与结论如下：

通过高温单向约束试验研究了石灰岩和砂岩膨胀应力的变化规律，分析了膨胀应力变化的原因，升温过程中，随着温度升高，石灰岩和砂岩试件的膨胀应力逐渐增大，膨胀应力与温度的关系曲线呈分段线性变化，整体上呈二次抛物线变化，砂岩膨胀应力与温度的曲线斜率比石灰岩的大，说明砂岩温度敏感性比石灰岩明显。恒温过程中，根据实验研究表明石灰岩和砂岩膨胀应力的变化呈现各向异性特征，垂直层理方向的膨胀应力大于平行层理方向的膨胀应力，导热系数、导温系数和膨胀系数是影响岩石各向异性膨胀的主要因素，另外还与石灰岩和砂岩的层理结构特征、矿物颗粒本身各向异性及其微观结构变化密切相关。在经受高温作用过程中，石灰巖和砂岩试件膨胀应力变化经历了3个阶段：升温膨胀应力增加阶段、恒温膨胀应力增大阶段、膨胀应力稳定阶段。

8结束语

通过实验研究了高温后岩石的内部应力变化，比较了砂岩、石灰岩等高温后的应力变化趋势。研究表明，高温会导致岩石强度退化，不同的岩石类型强度变化不同。由此可知，地下煤矿巷道在经受火灾等极端高温后，很容易发生垮塌等事故。本实验研究结果为地下煤矿巷道的应急保护措施以及巷道维护做出了理论指导。

参考文献：

[1]徐小丽，高峰，沈晓明，金春花.高温后花岗岩力学性质及微孔隙结构特征研究[J].岩土力学.2010（06）

[2]赵忠魁，孙清洲，张普庆，荆海鸥，孙益民.高温焙烧对石英砂加热时的相变与膨胀性的影响[J].铸造.2006（09）

[资助项目：北方民族大学大学生创新训练计划项目（项目批准号：2015-YJ-HG-051）

作者简介：余传斌（1992～），男，汉族，北方民族大学2012级本科生。

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