酸性矿井水作用下砂岩冲击特性变化分析

龙 钰，韩文梅，关学锋，何天明，杜龙飞，葛彦鑫

(中北大学 理学院，山西 太原 030051)

0 引 言

一些煤层顶板为白砂岩顶板，多年的小窑开采导致采空区积水严重，呈酸性，为酸性矿井水.该顶板长时间与酸性矿井水接触后，其稳定性会发生变化，对矿井的采掘活动造成安全隐患[1].因此，基于酸性矿井水对巷道煤岩体动态冲击性能影响的研究具有重要的工程意义.

在酸性溶液作用下，许多学者对岩石的力学性能进行了大量的研究，发现水和岩石作用过程中，会促使岩石中部分活性矿物成分随分子迁移到溶液中，从而增加岩石的孔隙率，并且水的酸碱度不同，对岩石孔隙率的影响也不同[2-3].丁梧秀等[4]采用不同化学溶液对岩石进行腐蚀，发现矿物颗粒被溶蚀，颗粒间的联结被干扰，导致岩石结构损伤，强度降低.Zheng Liwei等[5]利用X射线衍射(XRD)技术和傅里叶变换红外(FTIR)测试技术研究了酸性矿井水对煤的影响，发现随着矿井水酸度和作用时间的增加，煤样微晶层厚度减小，层间距增加.王子娟等[6]将砂岩在不同pH值溶液下干湿循环处理后，进行了不同围压下的三轴压缩试验及电镜扫描(SEM)，发现pH=3的溶液作用后的砂岩分形维数比pH=7的大，且吸水率越高，分形维数也越高.姜立春等[7]研究了酸性矿井水对砂岩力学性能的影响，利用Weibull函数表示砂岩中微量元素强度的分布，得到了单轴压缩下砂岩的损伤本构模型.Miao Shengjun等[8]用酸性溶液对花岗岩进行侵蚀处理后，再对其进行压缩试验和劈裂试验，在化学动力学的理论基础上讨论了酸化后花岗岩的损伤机理.周斌等[9]对酸性溶液作用后长石砂岩的腐蚀劣化效应进行了研究，利用CT图像处理技术对其作用前后的砂岩组分及结构进行了分析，通过单轴压缩试验来观察其劣化情况，发现反映砂岩应变参数的劣化度相对于强度参数的劣化度较低.陈志城等[10]通过静态球压法对混凝土的接触损伤演变规律进行研究，发现了其弹性模量和抗压强度随酸性环境腐蚀时间的变化规律.然而，球压法加载速率比较缓慢，而岩石等材料常服役于动态过程，且短时间的接触具有较高的应变率，对于这种情况，不适合用静态球压法.落锤冲击实验、分离式霍普金森压杆(Split hopkinson pressure bar,SHPB)实验系统是现代常用于研究岩石高应变率下动态力学行为的实验方法.陈道龙等[11]利用落锤试验对比了节理砂岩和完整砂岩在冲击载荷下的动力特性，发现节理砂岩在冲击力达到峰值后会有短暂的蠕变现象，而完整砂岩没有.李增等[12]利用万能试验机和落锤冲击试验系统对红砂岩进行了准静态和动态单轴压缩试验，得到了低应变率下砂岩的全应力-应变曲线，得出应变率对砂岩单轴抗压强度具有显著的影响，且应变率越大，砂岩破坏更严重等结论.王青元等[13]基于时间滞后效应，对绿砂岩进行了循环冲击-蠕变试验，结果表明，蠕变状态相同，冲击次数增加，岩石吸收的能量增加，蠕变破坏速度也会加快.袁璞等[14]对不同含水率下的煤矿砂岩进行了SHPB试验研究，发现其动态单轴抗压强度及纵波波速均与含水率呈幂函数增长关系.邱鹏奇等[15]对不同锚固岩石进行分离式霍普金森压杆试验来研究其冲击破坏响应，结果表明围岩的抗冲时效与锚固界面的抗滑移性及协调变形能力正相关.除了考虑应变率外，还应该考虑岩石的具体受力情况.王东[16]和E.Hoek等[17-18]均指出，岩石在不同应力状态下具有不同的开裂破坏条件.M.Cai等[19]通过应用拉裂模型来代替传统的剪切模型，建立了工程开挖导致的裂缝.邓帅等[20]用侧向加压设备模拟了原岩应力，发现与裂纹面垂直的原岩应力对裂纹的起裂时间、扩展速度、扩展长度都起到阻碍作用.

上述研究成果大多是在酸性环境下，对岩石材料宏细观结构上的变化进行分析，或者脱离酸性环境从其他方面对岩石动力学行为进行研究.本文以采集自矿井顶板的白砂岩作为研究对象，在pH值分别为2和4的溶液中分别作用10 d和20 d，采用SHPB实验系统对作用前后的试验岩样进行相同应变率下的动态加载试验，并用高速摄像机记录整个冲击过程，得到不同试验条件下试验岩样动态冲击应力-应变曲线，分析pH值、作用时间对试验岩样峰值应力、环向应变及破坏模式的影响规律.

1 试验方案

1.1 试验岩样

本次试验所用白砂岩采自某煤矿运输顺槽540 m处掘进工作面，取自同一块岩芯，表1 为其矿物成分分析结果.

表1 试验岩样矿物成分Tab.1 Mineral composition of sample

将试样制备成高度为50 mm，直径为30 mm的圆柱体.用c(H2SO4)=1 mol/L的硫酸标准滴定溶液配制出pH=2及pH=4的酸性溶液，模拟矿井中的酸性环境.将白砂岩分别置于pH=2和pH=4的酸性环境中分别浸泡10 d和20 d，试验方案如表2 所示.然后，再对试样端面进行打磨、抛光、涂抹凡士林润滑处理，使其能够与杆件端面接触完整.

表2 试验方案Tab.2 Experimental scheme

1.2 SHPB试验装置

采用SHPB实验系统对作用后的试验岩样进行冲击试验，在试验岩样侧面贴上环向应变片，监测环向张拉应变.图1 为SHPB实验系统，该系统由子弹、入射杆、透射杆、吸能杆、实验试件和超动态应变仪组成.

图1 SHPB试验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of SHPB test system

表3 为SHPB杆件参数.在45 s-1应变率下，用高速摄像机以10 000 FPS记录试验岩样的冲击过程.

表3 SHPB杆件参数Tab.3 Parameters of SHPB

2 试验结果分析

2.1 应力应变曲线分析

(1)

(2)

(3)

为了在评价中体现专家的主观经验，同时又以数据为本体现出客观性，本文对上述主、客观权重确定方法进行了最优化组合。

(4)

式中：C0为杆的传播波速，m/s；L为杆的长度，m；E为杆的弹性模量，GPa；A为杆的横截面积，m2；A0为试件的横截面积，m2；ρ为杆的密度，kg/m3.

将试验方案中的试验结果取平均值，图2 为在45 s-1应变率条件下，试验岩样的应力-应变曲线.

图2 试验岩样应力-应变曲线Fig.2 Stress-strain curves of samples

一般在静载荷作用下，应力-应变会经历压密阶段、线弹性阶段、微裂纹生长阶段和破坏阶段.从图2可看出，与静压不同，试验岩样的应力-应变曲线没有明显的压密阶段，线弹性阶段也不明显，故无法确定弹性阶段起始点及塑性阶段屈服点，只能看出应力随着应变的增大而逐渐增大至峰值，在峰值前后阶段形成一个塑性平台，之后又随其下降.不同试验条件下，试验岩样峰值应力依次为σH7-0>σH4-10>σH4-20>σH2-10>σH2-20.

图3 为试验岩样的峰值应力及其对应应变随试验条件的变化曲线.可以看出，试验原岩样即H7-0岩样，峰值应力最大，为68.77 MPa，其对应应变为3.49×10-3；在pH值为2的酸性溶液中作用10 d后，试验岩样H2-10的峰值应力为50.59 MPa，其对应应变为3.49×10-3，比原岩样应力及对应应变分别降低了26.4%和41.6%；在pH值为2的酸性溶液中作用20 d后，试验岩样H2-20的峰值应力为 47.15 MPa，其对应应变为3.33×10-3，比原岩样峰值应力及对应应变分别降低了34.44%和44.31%；在pH值为4的酸性溶液中作用10 d后，试验岩样H4-10的峰值应力为59.45 MPa，其对应应变为4.60×10-3，比原岩样峰值应力及对应应变分别降低了13.55%和23.08%；在pH值为4的酸性溶液中作用20 d后，试验岩样H4-20峰值应力为54.07 MPa，其对应应变为4.08×10-3，比原岩样峰值应力及对应应变分别降低了21.38%和31.77%.随着pH值的减小和作用时间的增加，试验岩样的峰值应力和对应应变呈减小趋势.

图3 不同试验条件下试验岩样峰值应力及对应应变变化曲线Fig.3 Peak stress and corresponding strain of samples under experimental conditions

2.2 环向应变分析

不同围压下的岩石具有不同的破坏机制，所以在建立岩石压缩破坏的应力-应变本构关系时，应该考虑具体的应力条件.将岩石的压缩破坏以受单轴压缩、高围压及过渡阶段的受力情况，分别归纳为张拉破坏、剪切破坏及张剪组合破坏.本文所进行的SHPB冲击试验属于单轴压缩，无围压，岩石微元以张拉破坏为主，环向应变ε3与损伤因子D的关系为[23]

(5)

损伤本构模型为

(6)

式(6)可变形为

(7)

为了验证该模型的合理性，将试件H7-0的试验结果和式(6)、式(7)结合后求解出分布参数m、F0，得到试件H7-0的本构关系为

σ1=Eε1(1-D)=

(8)

图4 为试件H7-0的试验结果和计算结果对比图.在弹性阶段，试验结果出现第一个极值点，应力峰值为68.77 MPa，在塑性平台阶段前，两条曲线吻合得较好，当即将达到塑性变形时，试验结果出现了第二个极值点，究其原因为试验岩样属脆性材料，模型计算得到的曲线为光滑曲线，导致两条曲线存在一定的差异.然而，两条曲线塑性平台相似，并且应力峰值均为 68.77 MPa.

图4 试验岩样H7-0本构模型计算结果Fig.4 Calculation results of constitutive model of sample H7-0

图5 为不同试验条件下试验岩样环向应变实测结果.可以看出，试验岩样实测环向峰值应变依次为εH7-0>εH4-10>εH4-20>εH2-10>εH2-20，与同一试验条件下试验岩样峰值应力排序相一致，再结合本构模型得到的结论，即单轴压缩破坏的情况下试验岩样主要以环向张拉的形式破坏，随着pH值的降低和作用时间的增加，试验岩样被作用的程度增加，抗张拉能力降低.

图5 试验岩样环向应变Fig.5 Circumferential strains of all types of samples

2.3 破坏模式

图6 所示为高速摄影仪以10 000 FPS获取的试验岩样冲击过程.选出酸性最强及浸泡时间最长的试件H2-20，将其与原样H7-0进行对比.从图6可看出，试验岩样的裂纹最开始在两端的侧面产生，然后逐渐向中间扩展，直到两端裂纹互相贯通，形成裂缝，随着劈裂面的产生改变为径向膨胀，破坏形式为带有径向膨胀的劈裂破坏.

(a) H7-0破坏过程

从图5 中的应变极值可看出，试验岩样H2-20破坏时的环向应变远小于试验岩样H7-0的，说明试验岩样H2-20更加容易被破坏.对比图6中试验岩样H7-0和H2-20的破坏过程，发现试样H2-20比H7-0先产生裂纹，且破坏得更为严重.

孔隙率是煤岩体力学性能的重要参数，孔隙率越高，煤岩体力学性能越差.水-岩作用后煤岩体的次生孔隙率与水化学作用相关，而溶液的离子浓度、酸碱度等又会影响到试验岩样的水化学损伤.pH值越低及浸泡时间越长，酸性环境对试验岩样的侵蚀程度及水化作用随之增强，导致试验岩样内部次生孔隙增多，粘聚力和摩擦力下降，从而降低了试验岩样的抗冲击能力.

3 结 论

1) 在动态冲击下，经pH=2的酸性溶液浸泡10 d和20 d的白砂岩峰值应力分别比原样低26.40%、34.44%；经pH=4的酸性溶液浸泡10 d 和20 d的白砂岩峰值应力分别比原样低13.55%、21.38%.故随着pH值降低及浸泡时间增加，酸性环境对白砂岩的侵蚀程度及水化作用随之增强，导致白砂岩内部次生孔隙增多，从而降低了白砂岩的抗冲击能力.

2) 利用试验结果得到了单轴压缩破坏条件下白砂岩的损伤本构方程，且计算结果与试验结果吻合较好；在弹性阶段，峰值应力相一致，均为68.77 MPa，且两曲线的塑性平台相似.

3) 在45 s-1应变率下，白砂岩的破坏模型为带有径向膨胀的劈裂破坏，且溶液酸性越强、浸泡时间越长，破坏程度越高.