灰岩强载荷单轴压缩变形破坏及声发射特性研究

康 超,刘晓宁,2

(1.山西煤矿安全培训中心,太原 030001;2.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116)

随着我国矿井开采深度、开采强度(以下简称“两度”)的不断增加,强矿压显现、冲击地压等灾害随之增加,严重威胁生产工人的生命安全,也给矿井的安全生产埋下隐患。想要逐步缓解并解决“两度”增加带来的矿压显现问题,就必须弄清楚井下采掘空间围岩在强载荷下的变形和破坏特征。谢和平等[1-3]提出深部资源开采已成为常态,但是深部资源开发中常伴随着重大灾害事故,难以有效预测与防治。

岩石受力变形直至破坏过程的研究是力学中的一个重要领域。研究者提出岩石在载荷作用下,首先发生的物理现象是变形,随着载荷的不断增加,或在恒定载荷作用下,随时间的增长,岩石变形逐渐增大,最终导致岩石破坏[4-5]。山邦久[6]提出声发射(Acoustic Emission,AE)是研究脆性材料失稳破裂演化过程的有效手段,其能量是材料变形、破坏时释放的一种弹性变形能,可以实时、连续地监测在外力作用下脆性材料内部微裂纹的产生和扩展,并能对其破坏位置进行定位。灰岩是深部矿井开采常见的煤系岩层,本文对灰岩试样进行单轴压缩实验[7-12],监测其应力应变及声发射信号,分析灰岩在单轴强载荷条件下的变形破坏及声发射特性,实验结果可较好地对深部矿井煤系岩层破断及冲击矿压等灾害预测提供数据。

1 实验方案设计

1.1 实验系统

实验岩样取自河南神火集团一采深800 m矿井,为煤层老顶,取至实验室后,经切割机取出岩芯,岩芯试样加工成直径5 cm,高10 cm的圆柱体,实验共加工2个圆柱体试样。采用MTS815.02电液伺服岩石力学实验系统进行加载,使用TS2890型静态电阻应变仪采集应变,使用DISP-24型声发射系统监测声发射事件,实验系统概况如图1(a)所示。实验过程中每个圆柱形试样上都安装4个应变片和一个声发射探头,用来采集数据,如图1(b)所示。应变片均匀贴在试件轴向中心位置,单个应变片电阻值为120.5 Ω,两组相对位置的应变片分别测量轴向应变和横向应变,并采用半桥接线方式,分别与相对应补偿试件的应变片一起连接至静态电阻应变仪。

(a)实验系统全貌

(b)应变片及声发射探头布置图1 MTS实验系统Fig.1 MTS experimental system

1.2 实验参数设置

为准确记录灰岩试样受单轴强载荷过程中的破坏形态及特性,将MTS815.02实验系统设置如下:加载方式设置为轴向位移控制方式,加载速率设置为0.24 mm/min,初始力设为5 N。DISP-24型声发射系统设置如下:系统采样频率设置为5 MHz,系统探头阈值设置为35 dB,系统前置放大器增益设置为60 dB,系统探头高通设置为1 kHz,低通设置为800 kHz,探头涂抹黄油,紧贴实验机。实验时,同时开启加载系统、静态电阻应变仪及声发射仪进行实验,实验结束后同时停止。

2 实验结果分析

实验过程中进行了实时监测,绘制了灰岩单轴强载荷压缩的全应力应变曲线及声发射能量率图(图2),影像记录得到了变形破坏过程图(图3、图4),通过分析可得出如下规律:

2.1 试件声发射特征

图2中,实验开始到A点阶段中,试件在刚开始的压密阶段和线弹性变形阶段的初期,系统采集到的声发射活动较少。当实验系统加载至应力峰值的45%左右时,声发射能量率趋于活跃(图2(b),2#试件较明显),表明此时试件内部开始出现微破裂,由于微破裂的出现,岩石由原有的压密阶段之后的似连续介质又重新转化为不连续介质,微破裂面之间的聚合、交错以及扩展,同时释放一部分弹性应变能,采集到的声发射能量率趋于活跃。

图2 单轴强载荷压缩的全应力应变曲线及声发射能量率Fig.2 Total stress-strain curves and acoustic emission energy rate of uniaxial strong load compression

图2(a)中,1#试件在应力峰值之前,声发射能量率较小,在峰值位置时声发射能量率突然升高至18.462 V,试件内部产生宏观破裂,试件失去承载能力。图2(b)中,2#试件在达到应力峰值之前,声发射能量率有3次较高的峰值,并且其中有2次伴随应力的瞬间降低。这是由于试件原有的裂隙、弱面等的聚合、交错以及扩展而使试件内部产生破裂而释放的弹性能。可当系统加载达到应力峰值时,声发射能量率升高幅度并不大,仅为4.199 V。由此可以看出,岩石中原有裂隙的闭合、交错以及扩展会释放一定的弹性应变能,从而减弱岩石破坏时的弹性能的释放。

图2(a)、(b)中,试件在达到应力峰值后,应力降低速度均经历了“迅速—缓慢—迅速—缓慢”的过程,两次应力的迅速降低都伴随着声发射能量率的突然升高。达到应力峰值A点时,应力迅速降低,降幅分别9.1 MPa和6.5 MPa,声发射能量率突然出现1个高峰值,说明灰岩在达到极限承载能力时突然失稳而形成冲击,释放较大的弹性应变能。但此时观察试件表面并没有发现明显的宏观裂纹(图3(a)、图4(a))。

2.2 试件变形破坏过程

在应力达到峰值之前,试件没有明显的宏观破坏,如图3(a)、图4(a)所示(对应图2(a)(b)中A点),应力过了峰值之后,试件破裂进入不稳定发展阶段,应力降低速度缓慢,1#试件应力有上升趋势,此期间有少量的声发射信号。这是由于破裂过程中所造成的应力集中效应显著[10-11],即使应力降低缓慢或保持不变,破裂仍会不断地发展,通常某些最薄弱环节首先被破坏,应力重分布的结果又引起次薄弱环节被破坏,就这样依次进行下去直至整体破坏。

到达图2中B点时,试件发生明显的宏观破坏,如图3(b)、图4(b),试件上部边缘由于应力集中效应而首先开裂,累进破裂过程中累积的能量突然释放,声发射能量率出现1个高峰值。在BC阶段,试件承载能力急剧下降,应力迅速降低,造成应力的重新分布,并逐步沿原有起裂位置发展为贯通性破坏面,形成主要剪切面,如图3(c)、图4(c)所示,剪切破坏面的破裂角分别为75°和83°。

CE阶段,试件的应力降低速度减缓,变形继续发展,主要剪切面逐步张开,并在逐渐形成新的宏观裂纹,如图3(d)、图4(d)所示。由于破坏倾角较大,为了实现破裂面覆盖试件断面,试件出现了多个与主要剪切破坏面倾角大致相同的剪切破坏面[10],如图3(e)、图4(e)所示,试件被分成相互脱离的块体而完全破坏。

2.3 试件应力、应变特点

应力、应变与试件关系曲线如图5表示。在弹性阶段,试件的轴向应变与横向应变均近似呈一条直线,可以计算出,试件的弹性模量为13.61 GPa,泊松比为0.168 4。体积应变与轴向应变的变化趋势基本一致,没有出现扩容现象,横向应变较小,体积应变中轴向应变起主要作用。

图3 1#试件变形破坏过程Fig.3 Deformation and failure process of No.1 specimen

图4 2#试件变形破坏过程Fig.4 Deformation and failure process No.2 specimen

图5 应力、应变与时间关系曲线Fig.5 Relation curves of stress, strain, and time

使用粘贴应变片的方法测量应变时,当试件失去承载能力后试件内部的微破裂逐步发展为宏观裂纹,试件内部的变形具有非均匀性,而应变片测量的是试件表面的局部应变,不能反应整个试件的应变。因此,当加载至应力峰值时,轴向应变突然增大,应变值由0.002 13变为0.004 87,横向应变瞬间减小,出现台阶状变化,由此可判断虽然此时试件表面没有产生明显的裂纹；但试件内部已经形成了沿主要剪切破坏面的宏观裂纹,并且由于其中一个轴向应变片位于试件主要剪切破坏面的一侧,该侧相对整个试件而言体积较小,试件达到峰值应力后的突然失稳使该侧不足以承载试件的峰值应力,轴向应变出现突变,继而伴随试件上部边缘逐渐起裂,轴向应变逐渐恢复。

3 结论

1)灰岩的单轴强载荷压缩过程中基本经历了2次大的变形破坏,第1次为应力峰值时,使试件进入塑性阶段；第2次为应力峰值后,使试件表面产生明显的宏观裂纹。每次都伴随应力的迅速降低与弹性应变能的释放,监测到明显的声发射活动。破坏形式为剪切破坏,有一个主要剪切面和多个倾角大致相同的剪切破坏面,破坏角为79°。

2)由于灰岩脆性较强,在单轴强载荷压缩条件下,当加载至应力峰值的45%时,岩石内的裂隙发生闭合、交错及扩展，使岩石产生一定的破坏,首次监测到明显的声发射活动。利用这一特征,可在深部矿井采掘空间围岩破断失稳或发生冲击地压前进行预测预报。

3)采用粘贴应变片的方法测量试件的应变,可以通过应变的瞬间变化判断试件的失稳破坏。

4)深部矿井的煤层顶底板岩层,在受力环境以垂直方向应力为主的情况下,建议以预防煤层顶底板剪切破坏为主,使用声发射系统进行监测,可在顶底板受强载荷破坏前进行预测预报。