饱水状态下煤矿粉砂岩蠕变特性试验研究

2018-07-19郁培阳马芹永

安徽理工大学学报（自然科学版） 2018年3期

郁培阳，马芹永,2

(1．安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南 232001；2．安徽理工大学矿山地下工程教育部工程研究中心，安徽淮南 232001)

随着地下岩体工程往深部发展，地下水对地下工程结构的影响越来越突出。研究表明，水是影响岩石蠕变特性的重要因素，会弱化岩石的力学性能，造成地下工程结构长期稳定性降低。因此，研究水对地下岩体工程的蠕变特性的影响具有重大的工程意义。

目前，国内外众多学者针对水对岩石蠕变特性的影响开展了理论和试验研究。文献[1]对饱水状态下的多孔石灰岩开展三轴压缩蠕变试验，结果表明饱水石灰岩发生脆性破坏且变形极小；文献[2]提出了非饱和岩石热力学统一蠕变模型，并验证了其对不同含水状态下岩石蠕变曲线的适用性；文献[3]对巴东软弱夹层软岩开展三轴蠕变试验，并探究不同含水率对软岩蠕变特性的影响；文献[4]对红层软岩开展三轴蠕变试验探究了水岩作用对红层软岩蠕变特性的影响。文献[5]对干燥和饱水状态下的隧道围压开展蠕变试验，探究了水对隧道围岩蠕变特性的影响规律；文献[6]对风干和饱水状态下的花岗岩开展单轴压缩蠕变试验，得出饱水后的花岗岩长期强度降低，变形量和流变速率升高；文献[7]对饱水状态下的大理岩和绿片岩进行三轴压缩流变试验，得出在不同围压作用下硬岩轴向应变和侧向应变的变化规律；文献[8]对不同含水率砂岩开展剪切蠕变试验，探究了含水率对砂岩软弱结构面剪切蠕变的影响；文献[9]对干燥和饱水状态下的砂岩开展剪切蠕变试验，发现水增大砂岩的蠕变量和蠕变速率，并降低砂岩蠕变破坏强度值；文献[10]对自然和饱水状态下的深部斜长角闪岩开展分级加卸载蠕变试验，结果表明，饱水状态下试件的蠕变量、应变速率大于自然状态试件，瞬时强度、长期强度低于自然状态；文献[11]对炭质板岩开展干燥和饱水状态下的单轴压缩蠕变试验，探讨了水对炭质板岩蠕变特性的影响规律；文献[12]对重庆某地深部砂岩开展高围压和高孔隙水压下的蠕变试验，发现在加载初期孔隙水压力具有抑制岩石轴向变形的作用；文献[13]通过对不同含水状态下板岩开展单轴蠕变试验，得出岩石的瞬时弹性模量、黏性模量以及黏滞系数随饱和度的增大而减小；文献[14]对不同含水状态下油页岩进行三轴压缩蠕变试验，并建立了非线性损伤蠕变模型；文献[15]对不同含水条件下的红层泥岩开展三轴蠕变试验探究含水率的红层泥岩蠕变特性的影响；文献[16]对边坡岩石开展三轴蠕变试验探究水岩作用对边坡岩石蠕变特性的影响。但较少涉及对深部岩石的研究，尤其是饱水后煤矿围岩的蠕变特性研究。

为此，本文以朱集东矿粉砂岩为研究对象，采用分级加载方式，对饱水状态下砂岩试件开展单轴压缩蠕变试验，探究水对煤矿砂岩单轴压缩蠕变特性的影响。

1 饱水状态下粉砂岩蠕变试验设计

1.1 岩石特性

试验所用岩样为粉砂岩，呈浅灰色，密度为2.61g/cm3，取自淮南矿业集团朱集东矿西-13-1煤底板轨道大巷(南)-906m处。

1.2 蠕变试验设备

借助岩石高温高压蠕变仪(ZYSS2000，长春机械研究院)进行煤矿粉砂岩单轴压缩蠕变试验。该设备轴向载荷施加范围为40～2 000kN，围压施加范围为0～60MPa，温度调控范围为20～50℃，孔隙水压力施加范围为0～30MPa。

1.3 蠕变试验设计

饱水状态下煤矿粉砂岩单轴压缩蠕变试验，采用分级加载方式，轴向荷载施加7～9级。蠕变试验前对自然状态下的煤矿粉砂岩进行常规单轴压缩试验，得出其单轴抗压强度为115.88MPa，以此作为蠕变试验分级加载的依据，确定第一级荷载为煤矿粉砂岩单轴抗压强度的40%，分级荷载增量为20kN，每级荷载持续24h，试验过程中计算机自动采集数据，加载期间每隔0.1s采集一次，稳压期间每隔30min采集一次。为避免环境对试验结果的影响，试验在恒温恒湿的蠕变实验室内进行。

2 饱水状态下粉砂岩蠕变试验结果

2.1 轴向及侧向蠕变变形分析

饱水状态下粉砂岩轴向及侧向蠕变曲线，如图1所示。

图1 饱水状态下粉砂岩单轴压缩蠕变试验曲线

从图1可以看出，粉砂岩试件在各级应力作用下均出现瞬时应变和蠕变应变，其总应变随应力的逐级增加不断增大。粉砂岩试件在各级荷载作用

下，轴向和侧向蠕变曲线较为相似，随应力的逐级增加，曲线的斜率逐渐增大，主要表现出减速蠕变和等速蠕变，减速蠕变段历时较短，应变随时间增大较快，应变速率随时间逐渐减小，等速蠕变段历时较长，曲线以一定的斜率增长。粉砂岩试件在最后一级应力作用下发生蠕变破坏，轴向和侧向均经历了减速蠕变段、等速蠕变段和加速蠕变段，并于加速蠕变段破坏。

2.2 加速蠕变阶段分析

在最后一级应力作用下，粉砂岩试件发生蠕变破坏，粉砂岩试件在该级应力水平下的应变及应变速率随时间的变化，如图2所示。

(a) 轴向 (b) 侧向图2 饱水状态下粉砂岩加速蠕变阶段应变及应变速率与时间的关系

粉砂岩试件在最后一级应力水平下轴向和侧向发生蠕变破坏的规律基本一致，均表现为由减速蠕变阶段经等速蠕变阶段发展到加速蠕变阶段，其中减速蠕变阶段和加速蠕变阶段历时较短，等速蠕变阶段历时相对较长。在此过程中侧向应变速率远远大于轴向应变速率。

2.3 体积蠕变试验结果

绘制粉砂岩试件蠕变过程中体积应变随时间的变化趋势，如图3所示，随应力水平的提高，粉砂岩的体积应变由正值向负值转化，表现出由压缩向扩容转化的过程，在前三级应力的作用下，粉砂岩处于压缩状态，当应力水平达75.76MPa时，粉砂岩开始扩容。随应力的不断增大，粉砂岩扩容越来越明显。

图3 饱水状态下粉砂岩体积应变与时间的关系

3 饱水状态下粉砂岩蠕变试验分析

3.1 瞬时应变与应力的关系

为探究粉砂岩试件在各级应力下轴向与侧向瞬时变形的关系，作出瞬时应变与应力的关系曲线，如图4所示。粉砂岩的轴向、侧向瞬时应变随应力的逐级增加呈现出不同的增长趋势，轴向瞬时应变呈近似线性增长，侧向瞬时应变呈增长速率逐渐增大的非线性增长。随应力的增大，轴向与侧向之间的应变差值不断减小，侧向变形增长趋势随应力的增大越来越明显，表明在试验过程中侧向瞬时变形较轴向发展更快。

图4 饱水状态下粉砂岩瞬时应变与应力的关系

3.2 蠕变应变与应力的关系

绘制粉砂岩蠕变应变与应力的关系曲线，如图5所示。随应力的增大，轴向蠕变应变前期变化平缓后期变化剧烈，侧向蠕变应变呈增长速率逐渐增大的非线性增长。在前几级应力水平作用下，相邻应力水平下轴向蠕变应变变化不大而侧向蠕变应变增长较为明显，加载至最后一级时，均出现较大的蠕变变形，0.065 0×10-2和0.145 5×10-2，分别为各自蠕变应变的最小值的9.83倍和21.03倍，由此可见，应力的逐级增加对粉砂岩侧向蠕变的影响比轴向蠕变要大。

图5 饱水状态下粉砂岩蠕变应变与应力的关系

3.3 稳态蠕变速率与应力的关系

为探究粉砂岩破坏之前轴向和侧向蠕变速率随应力的变化趋势，绘制粉砂岩稳态蠕变速率与应力的关系曲线，如图6所示。随应力的增大，轴向稳态蠕变速率变化并不显著，侧向稳态蠕变速率前期增长较快后期趋于稳定。在此过程中，侧向稳态蠕变速率远远大于轴向稳态蠕变速率，表明粉砂岩侧向蠕变发展速度较轴向更快。

图6 饱水状态下粉砂岩稳态蠕变速率

3.4 等时应力-应变关系

根据试验结果作出粉砂岩蠕变过程中的等时应力-应变曲线，如图7所示，轴向等时曲线的间距随应力的逐渐增加变化较小，侧向等时曲线的间距增加较为明显；随应力水平和时间的增大，轴向、侧向等时曲线呈现出凹向应变轴的趋势，轴向等时曲线由近似直线转为折线，侧向等时曲线呈斜率逐渐减小的曲线，表明在蠕变过程中粉砂岩侧向的时效变形及非线性特性较轴向更明显。