偏载作用下三孔洞砂岩的力学特性及声发射特征

2024-01-08王冬伟杨志涛

黑龙江科技大学学报 2023年6期

刘刚, 王冬伟, 杨志涛

(1.黑龙江科技大学黑龙江省煤矿深部开采地压控制与瓦斯治理重点实验室, 哈尔滨 150022; 2.黑龙江科技大学矿业工程学院, 哈尔滨 150022; 3. 宝泰隆新材料股份有限公司, 黑龙江七台河 154604)

0 引言

由于井工开采复杂的空间布局,导致应力分布不均,在煤柱区域、工作面前方、采空区边界及大倾角煤层中煤岩体均处于偏心载荷作用,每个区域所受到的偏载及偏心程度不同。孔洞是煤岩体一种典型的缺陷形式,不仅影响着砂岩的强度、刚度等,还能导致局部应力集中,从而诱发煤岩的损伤破坏。偏心载荷及缺陷共同作用容易导致砂岩的力学特性及破裂形态发生变化,加剧煤岩体损伤劣化的程度,进而加速煤岩体空间结构失稳。因此开展偏心载荷作用下含孔洞煤岩损伤破坏研究具有重要意义。

在均布荷载方面,肖福坤等[1]探究了单轴压缩条件下不同孔径、孔深、孔数及孔位的砂岩破裂演化规律及力学特征。段进超等[2]利用数值模拟的手段分析了不同孔数及孔的分布情况对煤岩破坏程度的影响。Wang等[3]对具有中心孔和孔边缺陷的花岗岩试样进行了单轴压缩试验,得到中心孔和孔边缺陷大大弱化了试件的强度等力学性质。Wei等[4]探讨了单轴压缩荷载下含不同孔洞形状试件的力学性质和开裂行为,得到裂纹的萌生和扩展受到力场分布的影响。Xiao等[5]分析了不同孔位置和直径对岩石试样力学性能的影响。刘刚等[6-8]探究了组合煤岩体破裂过程的声发射规律和花岗岩损伤破裂过程。

在偏心荷载方面许江等[9]开展了非均布荷载对煤与瓦斯突出特性的影响。王晓等[10]开展了非均布荷载对大尺寸长方体类岩石试件声发射参数的影响研究。葛丽娜[11]开展了偏心荷载下含孔洞缺陷煤岩力学特性研究。王涛[12]研究了非对称荷载下煤岩力学行为。

综上,笔者以多形态三孔洞砂岩为研究对象,借助声发射监测技术,研究了偏载作用下不同空间分布形态三孔洞砂岩力学特性和破裂损伤演化规律。

1 试验

1.1 试验设备及孔洞岩样制备

试验选取均质性较高的黄砂岩作为研究对象。该砂岩为细晶结构,颗粒粒径相对比较均匀。压力机以0.02 mm/s速度进行加载,直至试样完全破坏,同步采集试件从受载至破坏全过程的声发射信号,试验测试系统如图1所示。砂岩块体尺寸为100 mm×100 mm×30 mm的长方体板状试样。其中横三孔中三孔洞圆孔中心均位于试样中部水平方向且圆孔中心与边界、圆孔与圆孔之间的距离均为25 cm;竖三孔中三孔洞圆孔中心均位于试样中部垂直方向且圆孔中心与边界、圆孔与圆孔之间的距离均为25 cm;斜三孔中三孔洞圆孔中心均位于试样对角线方向且圆孔中心与边界、圆孔与圆孔之间的距离均为35.36 cm;而面置三孔左侧两圆孔中心连线沿垂直方向且与左侧边界的距离为35 cm,两孔洞与两侧边界的距离为35 cm,且两孔洞之间的距离为30 cm,右侧一孔洞圆心位于试样中部中线上且与右侧边界的距离为30 cm,三孔洞形成底角为66.8°、顶角为46.4°的等腰三角形面。试样表面分别进行打磨以保证其平整。砂岩三孔洞空间布置形态如图2所示。为保证试验数据准确和方便比较,需要保持3个孔洞面积相等。

图1 试验测试系统

图2 砂岩试样

1.2 荷载偏心系数计算

为了便于表示荷载偏心程度,定义了荷载偏心系数,为非加载区面积与加载区面积的比值[11]。

(1)

式中:Ic——偏心系数;

Sf——荷载直接作用面积;

S——试样表面积。

由试验整体情况可算得,荷载直接作用面积为2 188.24 mm2,而试样上表面积为100 mm×30 mm=3 000 mm2,由两者比值可得出本次荷载偏心系数为0.27。试件基本参数如表1所示,其中,D为孔洞直径。

表1 试件编号及基本参数

1.3 试验步骤

首先,进行TYJ-500电液伺服岩石剪切流变试验机调试,SH-Ⅱ声发射仪连接测试以及高速摄像机安装调焦,再进行声发射数据断铅测试。使用凡士林作为耦合剂将声发射探头与Nano30探头耦合,防止煤岩裂纹扩展弹性波信号的损失。声发射门槛设定为40 dB,前置放大器增益为40 dB。

2 结果与分析

2.1 应力-应变分析

通过分析应力-应变曲线,获得偏心载荷下不同孔洞布置形态砂岩的抗压强度、峰值应变及弹性模量,数据如表2所示。斜三孔空间布置形态较其他三个孔洞空间布置形态峰值应力和峰值应变低,分别为64.43 MPa和3.01%,与其相近的是三角面孔空间形态布置,其峰值应力及峰值应变分别为68.51 MPa和3.08%,横向布置孔洞次之,分别为76.80 MPa和3.14%,而竖向空间布置形态的岩样峰值应力及峰值应变最大,分别为96.07 MPa和3.37%。通过不同孔洞布置形态砂岩的弹性模量变换规律可知,对横三孔、竖三孔及三角面孔的弹性模量相差不大,但对斜三孔空间布置形态的弱化作用显著,说明孔洞空间布置形态对砂岩整体刚度具有影响,构成优势破裂面的孔洞空间形态对刚度影响较大,而非优势破裂面孔洞空间形态对刚度影响较小。

表2 不同空间布置形态岩样的力学参数

斜三孔空间布置形态砂岩弹性模量最小,所对应的强度也最低,竖三孔空间布置形态砂岩弹性模量最大,所对应的强度也最大。说明偏载作用下不同孔洞形态砂岩抗压强度与弹性模量正相关。

不同孔洞空间布置形态砂岩应力-应变曲线,如图3所示,四种不同孔洞空间布置形态岩样应力-应变曲线均存在孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段、非稳定破裂发展阶段、峰后阶段,满足煤岩试样典型的曲线特征。结合图4来看,四种布置形态在各个阶段的表现形式有所不同。在孔隙裂隙压密阶段,试件中原有张开性结构面或微裂隙逐渐闭合,砂岩被压密,形成早期的非线性变形,四种布置形态应力-应变曲线都呈上凹形状,而斜三孔布置形态凹陷率远小于其他三种形态;当进入弹性变形至微弹性裂隙稳定发展阶段时,曲线以不同斜率线性增长;在非稳定破裂发展阶段,除斜三孔外,均呈现了局部波动特征,应力-应变曲线的变化表征局部发生了裂纹的衍生、扩展,从最终破裂形态可知,斜三孔处于优势破裂路径上,故其具有完整砂岩应力-应变属性,而非优势破裂路径的孔洞在塑性变形阶段,与原生裂纹“争夺”优先扩展路径,故呈现了应力-应变曲线的微波动特征;当曲线达到破裂后阶段,斜三孔的下降趋势明显大于其他三种形态,呈现出尖角上突式“^”形,而另三种形态曲线变化均以波浪式均匀降低。

图3 不同孔洞空间布置形态砂岩应力-应变曲线

图4 不同孔洞空间布置形态岩样弹性模量变化趋势

四种不同空间布置形态应力-应变曲线每一典型阶段区间都呈半递减趋势,对比分析其他三孔孔洞布置形式,斜三孔应力-应变曲线除了在孔隙裂隙压密阶段延长外其曲线特征相对于完整岩样应力-应变特征几乎保持一致,原因在于其优势裂纹与孔洞形成较完整体系,所以偏载对其影响要弱于孔洞布置形式对其造成的影响。

2.2 单轴压缩破坏特征

掌握偏载作用下不同三孔洞形态砂岩的破裂特征,对围岩稳定性控制及灾害防治具有重要的意义,故对偏载作用下三孔洞形态裂纹的衍生及破裂特征、裂纹类型进行分析。不同孔洞空间布置形态岩样破裂图,如图5所示。

图5 不同孔洞空间布置形态岩样破裂状态

由图5a可知,在横向三孔洞布置(水平方向布置)时,纵向受压,砂岩发生破坏主因素为偏心加载,即偏应力为主导作用,压力沿着左侧接触边缘产生大裂纹,但是中间局部由于受到了横向三钻孔的影响,从而形成贯通式裂纹的主裂面,如图中红色曲线所描绘出。在加载接触边缘处,裂隙尖端初始萌生裂纹均以拉伸性质的双翼型裂纹或反抗拉裂纹为主,但初始萌生的拉伸裂纹并非是岩样最终破坏的裂纹类型,在砂岩中部,裂纹在寻找弱面行走路径时,通过三孔洞的“牵引”而产生了微小的次级裂纹,如图中蓝色曲线所绘出,孔洞周围具有释放能量的作用,以至于在三孔洞周围形成了剥落区。

由图5b可知,在竖向三孔布置(垂直方向布置)时,破坏主因素为竖向偏心荷载,砂岩在达到峰值载荷瞬间产生巨大张拉裂纹,而在裂纹寻找卸荷释放能量的最优路径时,由于竖向空间布置状态下与压力机接触的正下方并没有孔洞缺陷,左右两侧应力在到达最近的上部孔洞便释放能量,左右两侧顺势产生巨大主裂面,从而产生类三角形裂纹,且在大张拉裂纹终端萌生出次级微裂纹,如图中蓝色曲线所示,在岩样右端接触部分也沿轴向出现了拉伸裂纹,产生大面积剥落区导致整体失稳破坏。

由图5c可知,在斜向三孔洞布置时,孔洞布置形态因素为砂岩破坏的主要因素,砂岩沿着斜向45°产生了剪切破坏主裂面,萌生了贯穿孔洞的剪切裂纹和剪切破碎带。如图中的红色曲线所描绘出的,孔洞影响了宏观裂纹的起始点和裂纹扩展的路径。孔洞周围的应力集中和应力耦合效应促进了次生裂纹的迅速扩展,如图中蓝色曲线所画,进一步导致岩样的破碎产生了剥落区。由于剪应力贯穿于孔洞布置方向,岩石的弹性性质在孔洞周围发生了变化,从而引起不均匀应变。在加载过程中,孔洞周围的区域和周围岩石之间可能存在不同的应变响应,从而导致了岩石的剪切和拉伸等不均匀变形,从而促进裂纹的形成和扩展导致岩样的失稳破坏。

由图5d可知,在砂岩中部布置面三孔时,由于砂岩左侧布置的是两孔洞较右侧单孔洞来说,应力在寻找最优路径时更加偏向弱侧,砂岩的左端产生较大的裂纹,在裂隙尖端初始萌生裂纹均以拉伸性质的翼型裂纹或反抗拉裂纹为主,随后受到左侧两孔洞的“吸引”而形成大面积的拉伸裂隙破坏带,孔洞附近的应力集中区域首先达到了临界值,裂纹由此处开始向右扩展。由于面三孔洞布置成封闭结构,其内部的应力集中导致了裂纹沿着三角形内部的边界扩展,形成三角形状的破裂区域,砂岩失稳破坏将引起早期裂纹宽度增加和右侧孔洞下方远场裂纹的萌生。

加载过程中,砂岩会发生弹性变形,而孔洞会导致岩石的弹性特性不均匀。存在孔洞的区域和周围的岩石在面对加载时会有不同的应变响应。横向三孔与纵向三孔布置形态,两者破坏主因素均为竖向偏心载荷作用,而横向三孔和面向三孔布置由于受到孔洞影响,左位孔洞与右位孔洞在未接近试件中部50%区域就已经发生破坏,左侧形成主裂面,且中位孔引导卸压作用不显著。在左侧两孔洞周围产生了小面积的剥落区,三面孔的破坏形态能很好地佐证这种现象,左侧两孔洞比右侧单孔洞对岩样的破坏作用更加明显。而在竖向三孔布置时,可以很明显地观察到只有上位第一个孔洞起主导作用,而下位孔与中位孔洞影响薄弱。在整个斜向三孔布置时,缺陷区域由钻孔孔洞主控制,应力集中现象被弱化了,以孔洞之间的裂纹贯通与主体联系,从而形成了一个线性的45°贯通体,综上在三孔洞不同布置方式时,斜向三孔布置破裂效果最为显著。这与应力-应变规律及抗压强度所表现的特征是一致的。

2.3 损伤演化特性

图6给出了不同布置形态孔洞砂岩受偏载作用下的应力-时间-振铃计数曲线。在前期的裂隙压密阶段,四种空间布置形态的孔洞砂岩几乎都没有持续且较大的声发射信号。斜三孔在其压密阶段后期和裂隙发育初期,声发射信号较少,在裂隙贯通破坏前期,出现破坏的前兆信息,此时声发射信号迅速增加,随着剪切破坏的完成,在峰后裂隙稳定发育的阶段声发射信号较少。横向三孔空间布置与三角面孔空间布置声发射计数演化规律类似,都是在裂隙破坏即砂岩达到峰值应力时出现最大的振铃计数,峰值约34 000次。竖向三孔布置一直持续加载到塑性阶段的130 s时声发射振铃计数才开始快速增长,且声发射计数达到了33 000次,随后声发射信号逐渐减少,二次峰值声发射计数达到18 000次左右,在砂岩裂隙稳定发育后期也有少量声发射信号出现。通过四种不同孔洞布置形态声发射计数-时间曲线可以发现,其峰值声发射计数均在30 000次左右,说明四种空间布置形态岩样破裂剧烈程度在破裂时刻相近,但是整体所表现出来的属性特征却有差异,尤其在前期孔隙裂隙压密阶段,竖三孔声发射信号较少,横三孔与三角面孔有较为微弱的声发射信号,而斜三角孔在前期声发射信号较为剧烈,如图6c中A点的初峰值计数信号,分析其原因受左侧上方优势孔洞的作用造成微裂纹的延展所出现的较剧烈声发射信号。四种不同形态的声发射信号活跃程度不同,三角面孔布置方式活跃程度较为剧烈,原因在于面三角孔受偏载作用时微裂纹在早期便开始衍生,表现在岩样碎裂素描图中破碎形式较为复杂。而竖三孔空间布置下声发射信号活跃程度较为平缓,其原因在于竖向加偏载时岩样沿竖直孔洞形成主控裂纹,孔洞作用较小,没有造成更多次生裂纹的产生,前期微裂纹的贯通效果不显著,所表现出来的声发射计数和声发射的活跃程度也较其他三种弱。

图6 不同布置形态岩样应力-应变-声发射特征关系曲线

由整体声发射振铃计数演化图6可以发现,三角面孔声发射计数具有持续性且高计数性,说明在三角面孔加载过程中前期表现为静态,但达到一定的载荷后,由于孔的聚集性而导致持续破坏的发生。

岩样声发射累计总能量,如图7所示。通过图7可以发现,不同孔洞布置形态砂岩破坏释放的能量由强到弱的顺序依次是竖三孔、横三孔、面三孔、斜三孔,在偏心荷载加载下,竖三孔由于垂直处于岩样中部偏载对其影响较小,横三孔在偏载两端仅仅只有单个孔受到荷载影响,面三孔在偏载一侧侧向方向受到两孔洞影响较大,而斜三孔主要受到剪切作用影响导致斜向45°主裂纹贯通破坏,此现象与砂岩的弹性模量变化规律具有较好的对应关系。由于孔的聚集性、裂纹持续贯通、孔与孔之间的相互作用进而导致大量能量的释放。而三种线性布置三孔来看,声发射的持续时间相对于面三孔较短,但其内部又存在相对差异,首先,伴随着微裂纹的产生,斜三孔与横三孔在初始压密及破坏前期已经逐步有声发射信号的出现,并且斜三孔出现高计数信号具持续增长,而横三孔布置在高计数阶段具有间断密集性。竖三孔布置方式,在达到声发射高计数阶段后出现短暂的信号空白期及低谷期。不同空间布置形态岩样破坏声发射前兆信息不同。