温度与荷载对砂岩动态力学性能及裂纹的影响

徐 颖，王 崑，邵彬彬

(安徽理工大学土木建筑学院，安徽 淮南 232001)

社会发展进步给人类造福的同时，能源消耗量也逐渐加剧，而煤炭又作为主要能源在各行各业中有很大的需求量。根据有关数据表明[1]，中国煤炭消耗量占世界消耗总量的50%以上，但目前人均煤炭资源占有量极为匮乏。从我国煤炭资源总体分布情况来看，由于其分布不均匀，因此开采呈现“东深西浅”的状况，且置于地下深层超千米的煤矿量约占总量的53%。为了满足我国对煤矿开挖产量的需求，开采深部煤矿是大势所趋，但随着开采的不断深入，众多问题也随之出现。深层地下的岩石受干扰程度与浅层有很大差异，可归纳为“三高一扰动”(高温度、高应力、高渗透压及强烈的开采扰动)[2]，在此类干扰作用下岩石本身所表现出来的各种力学性能、破坏规律都将异于浅层，其弹性模量，泊松比等[3]众多参数也会有所不同。由于我国煤炭需求量巨大，即便是困难重重，也应进一步研究深部开采所遇到的温度、岩石力学问题，其研究意义重大并具有重要的实用价值。为此国内外众多学者就此课题进行了各种探究与实验，也得出了许多创新性成果。Alm O等[4]利用温度加热设备将岩体加热，探究了其各种静态力学性能。Atkinson等[5]将岩体加热至20～500 ℃范围内，观察了岩体的断裂形态，并采用声发射技术研究了岩体的损伤破坏过程。寇绍全[6]研究了经20～600 ℃加热过的花岗岩的力学性能及破坏形式，发现二者皆产生了较为明显的变化。罗生银等[7]对高温自然冷却后和实时高温下岩样的力学性能进行了对比分析。许锡昌等[8]把岩体从常温加热至600 ℃，得知在75 ℃和200 ℃时岩体弹性模量和单轴压缩强度会发生相应改变。王德荣等[9]对比分析了砂岩和花岗岩在一定应变率条件下的动态力学特性。而本文介绍的是将砂岩进行常温～高温(25～700 ℃)处理之后，利用变截面SHPB实验装置进行3 种冲击气压下岩石的动态压缩实验过程和实验结果。该实验得到了不同高温条件下砂岩的应力-应变曲线，并结合实验结果分析高温条件下岩体的破碎情况及其特征。

1 实验装置和材料

1.1 高温SHPB实验装置

本实验采用了实时高温变截面SHPB实验装置。装置中的撞击子弹、入射杆及透射杆采用φ50 mm的高强度合金钢杆，其中撞击子弹、入射杆及透射杆长度分别为800、2 400、1 200 mm。合金钢杆的弹性模量、密度、泊松比分别为210 GPa、7 800 kg/m3，0.25。弹性纵波波速为5 190 m/s，SHPB实验装置如图1所示。

图1 SHPB实验装置Fig.1 Experimental equipment of SHPB

对于砂岩加热与控制，本实验运用了与实验系统相匹配的温度加热装置与控制装置。加热装置能将试件从常温加热至1 000 ℃。温控装置能调节其温度并保证稳定在一定的范围，不会发生较大的改变，其误差可保持在±10 ℃内。

1.2 实验材料

实验用的砂岩岩体均取于淮南矿业集团顾北矿-848 m处。外观呈灰白色，均匀且完整性较好。根据要求[10]，把其加工打磨成φ50 mm×25 mm的圆柱体试件。通过实验测定，该批试样平均密度达2.559 g/cm3,单轴抗压强度为119.274 MPa，劈裂抗拉强度为6.127 MPa，纵波平均波速为3 833 m/s。

1.3 实验设计

实验中分别加压至0.3、0.5、0.7 MPa，并在25 ℃(常温)和100、200、300、400、500、600、700 ℃的温度下对砂岩进行动态压缩实验。实验的典型加载波如图2所示。

图2 加载波波形Fig.2 Loading waveform

把φ50 mm×25 mm的砂岩试件按照对径加载方式，左右分别用入射杆与透射杆夹紧，使三者共轴(见图3)。实验中可在接触面涂抹凡士林以降低摩擦以及砂岩表面均匀度对实验数据的影响。

图3 试件安装Fig.3 Specimen mounting

2 实验与分析

2.1 不同冲击气压下相同温度的压缩实验

25～700 ℃环境中，试件在0.3、0.5、0.7 MPa气压下进行动态压缩实验时，通过相应数据处理后，试件典型的动态应力应变如图4所示。

注：1～3表示冲击气压依次为0.3、0.5、0.7 MPa图4 25～700 ℃中3种气压下的应力应变Fig.4 Stress-strain under 3 kinds of air pressure between 25 and 700 ℃

通过对图4分析后得知，砂岩试件在所处温度一定且气压在0.3～0.7 MPa范围内时，冲击气压越大，试件的动态抗压强度也会相应增加。同时可以看出，砂岩在8 个温度时不同冲击载荷下应力应变曲线可分为3 个阶段。①迅速上升阶段。试件的动态抗压强度在应变缓慢增加的状况下有明显增加，呈线性升高走势;②平缓上升阶段。砂岩动态抗压强度在此阶段中也逐渐增大，但增幅较之前阶段相比明显降低，应力上升也较为缓慢，直至应力峰值;③破坏阶段。到达应力峰值后，应力随应变增长有所减弱，最终砂岩被破坏(见图5)。

图5 砂岩试件破碎情况Fig.5 Fracture of sandstone specimen

从砂岩试件的破碎情况可看出，随着冲击气压的增大，试件破裂程度逐渐加剧，最终成碎块或粉末状。这是由于当试件受到较小的外部冲击荷载作用时，其内部微裂缝裂纹贯穿不够充分，因此无法形成明显的破环现象，只能出现微小裂纹。随着外界气压荷载的不断增大，此时作用于岩体内部的能量满足充分贯穿其内部微裂纹的条件，并不断延伸出宏观裂纹，使得砂岩试件损坏，破损程度进一步加剧。最终试件出现众多裂块，甚至在较大冲击气压下出现粉碎现象。

2.2 相同冲击气压下不同温度的压缩实验

为进一步研究同种气压下，温度差异对砂岩动态抗压强度所造成的影响，把0.3、0.5、0.7 MPa每种冲击气压下不同温度砂岩的应力应变曲线转化在同一个坐标平面内(见图6)。

注：1～8表示温度依次为25、100、200、300、400、500、600、700 ℃。图6 不同温度下砂岩的应力应变Fig.6 Stress-strain of sandstone at different temperatures

由图6分析可得知，当受到0.3 MPa冲击气压作用时，试件达到峰值应力其应变集中于0.01～0.02。而在0.5 MPa冲击气压下，试件达到应峰值应力时其应变集中在0.02～0.025。在0.7 MPa冲击气压下，试件达到峰值应力时其应变集中在0.025～0.035。根据上述情况可得知，当提升冲击气压时，满足试件达到峰值应力状态时所对应的应变也会有所增加。二者的关系可以从试件抗压强度峰值随温度变化趋势中直观的反映出来(见图7)。

图7 砂岩的抗压强度峰值与温度变化关系Fig.7 Relationship between peak stress and temperature variation of sandstone

由图7可见，随温度增加，试件峰值应力的总体趋势是先缓慢上升后迅速下降。在25(常温)～200 ℃时，试件的峰值应力变化不明显，200～600 ℃时，试件的峰值应力先增加后减小，在700 ℃时其峰值应力降到最小。

3 岩石SEM实验及分析

3.1 SEM设备介绍

SEM设备是用来研究材料组织结构，揭示材料基本性质与规律的重要仪器，其分辨率高，受干扰程度小，立体感较强，通过激发检测信号并将信号转化成试件表面形貌图像。本次实验采用日立S-3000N扫描电子显微镜。

3.2 岩石SEM实验结果与分析

由于岩石内部成分复杂，各种矿物组分的膨胀系数也有差异，因此在高温时，岩石整体就会发生开裂现象，即“热涨”现象。而在本实验过程中，高温因素与外荷载扰动共同作用于砂岩岩样，由此砂岩才出现了一系列的裂缝及破损现象。在冲击气压为0.5 MPa时，可从SEM电镜图中进一步了解在25(常温)～700 ℃环境中，温度—应力对砂岩裂缝形成的影响(见图8)。在25～300 ℃时，砂岩岩样上所出现的裂缝均表现为单裂纹。可能是由于作用在试件上的应力大于矿物之间的拉力，超出试件的抗拉强度而形成的，也有可能是由于受到高温作用，试件出现热开裂裂纹。单裂纹主要分布在砂岩试样的顶角、棱角、及边缘区域。当高于300 ℃，裂纹发生延伸、扩展并分叉，从原本单条一字形转化为多条人字形、甚至爪字形裂痕，形成二次开裂。因此可总结为，在应力与低温作用下，试件会先以应力作用影响为主出现单条裂纹；当温度升高至300 ℃以上，受温度作用影响，单条裂纹会有所延伸并形成多条裂纹，出现开裂。

图8 不同温度下砂岩SEM扫描结果Fig.8 SEM scan result of sandstone at different temperatures

4 结论

1) 25～700 ℃范围内，当温度一定时，砂岩动态抗压强度会随冲击气压的增加而增加，并且砂岩在不同冲击荷载下的应力应变可分为迅速上升、缓慢上升、破坏3个阶段。根据试件破碎情况可知， 随着冲击气压的增大，试件破裂面也随之变多，破裂程度逐渐加剧，试件最终破碎成碎块或粉末状。

2)动态单轴压缩实验中，当冲击气压一定时，随着温度不断升高，砂岩峰值应力总体趋势是先缓慢上升后再迅速下降。在环境处于25～200 ℃下，砂岩试件的峰值应力波动并不大，200 ～600 ℃试件峰值应力先增大后减小，在700 ℃时试件的峰值应力降到最低，此时强度也达到最小。

3)在应力与常温作用下，试件会先以应力作用影响为主出现单条裂纹。当温度升高至300 ℃以上，受温度作用影响，单条裂纹会有所延伸并形成多条裂纹，出现二次开裂。