紅慶梁煤礦軟巖分級卸荷的蠕變特征

李景濤, 劉永立, 馬浩天

(1.黑龍江科技大學 黑龍江省普通高等學校采礦工程重點實驗室, 哈爾濱 150022; 2.鄂爾多斯市昊華紅慶梁礦業有限公司, 內蒙古 鄂爾多斯 014316)

0 引 言

軟巖問題是20世紀60年代被提出來的世界性難題,特別是煤礦軟巖問題,一直是困擾煤礦建設和生產的重要難題之一。東勝煤田是我國重要的環保型民用及動力用煤,煤炭儲量豐富。但隨著開采范圍的不斷增大,以及礦區地質條件的復雜化,越來越多的煤礦在礦井建設中碰到軟巖問題。

國內外學者在巖石蠕變領域做了許多的研究。為了模擬巖石在實際工程中的應力環境,許多學者通過三軸試驗來研究巖石的蠕變特征,通過巖石的軸向、環向和體積等蠕變曲線研究巖石蠕變機制,認為蠕變機制主要是低圍壓下巖石裂隙的擴展和高應力下巖石孔隙的塌陷,并且有些學者將其中的環向應變作為巖石損傷現象的一種重要判別標志[1-2]。隨著對巖石蠕變機制理解的加深,越來越多的研究人員以不同的應力加載、卸載和循環加載等條件對各類巖石開展蠕變特性研究,分析了巖石在不同圍壓作用下巖石軸向應變及側向應變隨時間的變化規律[3-5],討論了不同應力水平對軸向、側向變形特性的影響規律[6-7],對比探討了不同應力路徑下同種巖石的流變特性[8]?；谏鲜鲆幝煞治?部分學者基于西原模型、Burgers模型、Lemaitre應變等效原理和Sidoroff能量等價原理等模型和理論,建立了對應的損傷蠕變模型,并應用在實際工程中[9-14]。

針對紅慶梁煤礦軟巖巷道蠕變問題,筆者以紅慶梁煤礦11307工作面為工程背景,從巷道圍巖中取樣,通過三軸卸載蠕變試驗,研究巷道軟巖的蠕變規律,并確定對其蠕變影響較小的應力范圍。該研究成果不僅能夠豐富基礎巖石力學學科相關內容,還可為相似地質條件下軟巖巷道圍巖控制提供重要的參考依據,為實現煤炭資源安全高效開采提供重要安全保障。

1 試 驗

1.1 試樣制備

試樣選用的巖石試件取自紅慶梁煤礦11307巷道圍巖,巖性為砂質泥巖,樣品現場采集后及時采用蠟封法密封以防止風化,運回實驗室后制成直徑50 mm、高100 mm的標準試件,直徑誤差控制在0.3 mm范圍內,端面平行度控制在0.05 mm范圍內[15]。試驗加載裝置采用法國巖石三軸試驗儀(ROCK 600-50),該設備可加載的最大軸向應力為375 MPa,最大圍壓為60 MPa,壓力控制精度達0.01 MPa,分別通過線性位移傳感器和環向電子應變計測量試樣的軸向應變和環向應變,其精度可達10-6m,如圖1所示。

圖1 巖石三軸試驗儀

1.2 試驗方案

開展偏應力(σ1-σ3)恒定的三軸卸載蠕變試驗。軟巖三軸抗壓強度的試驗結果顯示,當圍壓σ3為15 MPa時,軟巖的三軸壓縮峰值強度σ1max為45.4 MPa,以此確定第一級載荷的大小及分級卸荷量的大小。因此,文中試驗采取的圍壓σ3為15 MPa,初始軸壓σ1為σ1max的70%(31.8 MPa)。試驗過程中,先以0.05 MPa/s的加載速率加載至預設值,σ1=σ3(15 MPa),待圍壓σ3到達預設值穩定后,保持σ3不變,繼續以0.05 MPa/s的速率加載σ1至預設值(31.8 MPa)。觀察試樣軸向變形穩定后,采取Δσ3/Δσ1=1的比例進行逐級卸載,卸載速率為0.05 MPa/s,卸載層級設定為4級。試驗圍壓每級均卸載2 MPa,軸壓每級卸載為2 MPa,保持偏應力穩定(16.8 MPa),各級應力情況見表1。

表1 軟巖蠕變試驗應力水平

2 結果與分析

2.1 三軸卸載蠕變試驗全過程分析

圖2顯示的是巷道軟巖試樣全過程蠕變曲線。由圖2可知,在保持偏應力恒定的條件下,圍壓逐級卸載,每一級應力保持在720 h左右。隨著對試樣應力的逐級卸載,軟巖試樣在第1級應力階段(軸壓為31.8 MPa,圍壓為15 MPa)的軸向應變ε1增長最大,同時,試樣在各級應力作用下的軸向應變均呈增長趨勢,最終在第5應力階段(軸壓為23.8 MPa,圍壓為7 MPa)試樣破壞。在各級應力階段,軟巖的軸向應變由瞬時應變和蠕變應變組成。第1級應力階段中,當給試樣施加31.8 MPa軸壓和15 MPa圍壓后,試樣瞬間產生了極大的軸向應變,ε1的值從0急速上升至5.09%,此時試樣的軸向應變主要為瞬時應變。隨后,在第1級應力階段內,試樣的軸向變形速率逐漸減緩,最終近似為0并保持不變,這段時間內試樣的軸向應變主要受蠕變應變的影響。當蠕變穩定后,對試樣的軸壓與圍壓同時進行卸載,保持偏應力為16.8 MPa不變,進入下一應力階段。后續各階段的軸向應變變化過程均與第1應力階段軸向應變相似,試樣的軸向應變穩定增加,但其增長幅度大幅減小。但是在進入第5應力階段718 h左右后,軟巖試樣進入了加速蠕變階段,巖石的軸向應變短時間內從6.44%猛增至7.34%,最終導致巖石破壞。

圖2 軟巖試樣全過程蠕變曲線

為了更好地分析軟巖試樣在各級應力階段的軸向應變,對圖2中的應變曲線用分級增量加載蠕變試驗數據處理方法[16](即陳氏加載法)處理得到圖3,其顯示的是不同應力水平下的蠕變曲線。

圖3 軟巖試樣不同應力水平蠕變曲線

由圖3a可以看出,在偏應力恒定的條件下,隨著應力的逐級卸載,軟巖試樣的軸向應變逐級增大,但在各級應力階段內,軸向應變的變化較小。而各級應力之間的軸向應變量Δε1較小,不能很好地反映各級應力間的蠕變差異。因此,將圖3a中A、B兩區域的圖像放大,得圖3b和圖3c。分析可知,試樣在第2、第5應力階段試樣的軸向應變量遠大于第3、第4應力階段的軸向應變量,并且對應的蠕變應變量也與前者相同。分析圖2和3可知,在對試樣卸荷后,軟巖的軸向應變量主要受蠕變應變量的影響。

2.2 卸荷對蠕變速率的影響

對軟巖試樣的全過程蠕變分析可知,在偏應力恒定的各級卸荷條件下,試樣的各級軸向應變較小。因此,為了更清楚地描述試樣各級蠕變情況,本節通過對各級卸荷階段的蠕變速率v進行進一步描述。圖4和表2詳細地描述了巷道軟巖在卸荷蠕變試驗過程中,各應力階段試樣蠕變速率的變化情況。由于在試驗過程中,在每一級卸荷完成后,并不能確定瞬時應變在何時結束,因此,文中定義在每一級卸荷后,70 h之后的軸向應變為蠕變應變。(保持偏應力恒定,將第2級應力階段定義為第1級卸荷、第3級應力階段為第2級卸荷,第4級應力階段為第3級卸荷,第5級應力階段為第4級卸荷)。

表2 不同應力水平下試樣的蠕變速率

圖4 試樣蠕變速率曲線

由圖4可知,在每一級卸荷后,軟巖試樣的軸向蠕變速率整體均呈衰減趨勢,但其值均未小于0,這表明軟巖試樣的軸向應變量在整個試驗過程中均在增長。因此,可將軟巖的蠕變階段細分為衰減蠕變和穩態蠕變兩個階段。但在第4卸荷階段后期,試樣的軸向蠕變速率猛增,在宏觀上表現為軟巖試樣破壞,因此在該階段中,軟巖的蠕變階段分為衰減蠕變、穩態蠕變和加速蠕變階段。結合2.1節中對各級應力階段中軸向應變速率的描述,由于每一級應力均保持在720 h左右,在對試樣卸荷后,其軸向應變量主要受到瞬時應變的影響,這正與圖4中各級卸荷曲線在720 h處有明顯的上升相符。隨著試驗的進行,試樣的軸向應變速率逐漸減緩,試樣進入衰減蠕變階段,隨后蠕變速率趨于0,進入穩態蠕變階段。

表2顯示的是各級卸荷70 h后的蠕變速率,更加直觀地表現出試樣在卸荷進入蠕變階段后,各級卸荷階段的蠕變速率均在減小并趨于0。但是在蠕變過程中,各級卸荷中的蠕變速率均出現了小范圍波動,這可能是試樣中的微破裂引起的。結合2.1節中的分析,試樣在第2、第5應力階段試樣的軸向應變量遠大于第3、第4應力階段的軸向應變量,并且對應的蠕變應變量也與前者相同,對比各列數據可知,在同一時間段內,第1、第4級卸荷階段的試樣蠕變速率大于第2、第3級卸荷階段,如第1、第4級卸荷階段卸荷96 h后的蠕變速率分別為0.113、0.113 μm/h,而第2、第3級對應的蠕變速率分別為0.056、0.056 μm/h。結合圖4和表2分析可知,軟巖試樣在第4級卸荷720 h的蠕變速率達到5.798 μm/h,遠遠大于其他蠕變速率,這主要是因為該試樣處于加速蠕變階段,并且試樣已經達到了其屈服極限,試樣即將破壞。

綜上,由圖2和圖3可以看出,在偏應力恒定的整個蠕變過程中,試樣在蠕變應變階段軸向變形量較小,但在第5應力階段中的加速蠕變階段,試樣軸向變形量大幅增加,直至巖石破壞。由圖4和表2的進一步闡述可以得出,當試樣破壞前,其蠕變速率大幅增加,因此在生產實踐中應避免使軟巖受力超過其屈服極限而導致其破壞。

2.3 卸荷對軸向蠕變量的影響

上述各級蠕變速率是對各級卸荷階段的試樣蠕變程度的間接描述,不能較為直觀地顯示出試樣在各階段的軸向應變的區別,因此本文根據圖3,統計出各應力水平下試樣對應的瞬時應變和蠕變應變見表3,對比分析各階段軸向應變的區別。其中,將軸壓與圍壓的比值定義為k,即k=σ1/σ3。

表3 軟巖不同應力水平下應變統計

試樣的瞬時應變和蠕變應變隨k值的變化情況,如圖5所示。在偏應力恒定條件下,進行三軸卸荷蠕變實驗,而由于第2、3、4、5應力水平下其軸向應變量遠小于在第1應力水平下的應變量,因此,圖5只取第2、3、4、5級應力水平的數據進行繪制。

圖5 試樣應變變化曲線

由圖5可以看出,試樣瞬時應變和蠕變應變的變化趨勢基本一致。隨k值的逐漸增大,兩者均先減小,后趨于穩定,最后再大幅增加,如第2、3、4、5級應力階段k值所對應的瞬時應變分別為0.002 93%、0.000 72%、0.000 73%、0.008 79%,對應的蠕變應變分別為0.050 54%、0.021 97%、0.024 17%、0.109 13%,每一級瞬時應變的增量分別為-0.002 21%、0.000 01%、0.008 06%,對應的蠕變應變增量分別為-0.028 57%、0.002 2%、0.084 96%,其中,當k值在2.545 5～2.888 9范圍內時,試樣的蠕變應變較小。結合上述分析,在實際工程中,當k值超過2.888 9時,軟巖試樣受加速蠕變階段的影響,其蠕變應變大幅增加,這時需要及時采取措施保持巖石的穩定性,否則巖石內部由于不穩定的擴展大量增加,使得巖石力學性能劣化,最終導致巖石破壞。這表明紅慶梁煤礦區11307巷道軟巖蠕變特性與k值的大小存在密切聯系,因此,在實際工程中需要考慮到k值對巷道軟巖蠕變的影響。

3 結 論

本文對紅慶梁煤礦11307巷道軟巖進行了室內三軸卸載蠕變試驗,對軟巖的卸載蠕變試驗結果逐步細化分析,得到如下結論。

(1)對同時卸載軸壓和圍壓的蠕變試驗,軟巖的軸向應變主要分為瞬時應變和蠕變應變,其中根據試驗蠕變速率變化情況,一般可以將蠕變應變階段分為衰減蠕變和穩態蠕變兩階段。但在巖石破壞之前,巖石的蠕變應變階段還包括加速蠕變階段。

(2)在三軸卸載蠕變試驗中,隨著軸壓和圍壓的逐級卸載,軟巖的軸向應變逐級增大。第1應力階段的軸向應變對試樣應變的影響最大,第2、第5應力階段的蠕變應變和蠕變速率均大于第3、第4階段的蠕變應變和蠕變速率。

(3)當σ1/σ3值在2.545 5～2.888 9范圍內時,軟巖試樣較為穩定,其蠕變應變現象微弱。但當σ1/σ3值超過2.888 9時,巖石內部極可能出現不穩定擴展導致巖石破壞。