万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究_孙晓明.pdf
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1、第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期:2022-04-18 录用日期:2022-08-03 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.51874311,No.52174096);中央高校基本科研业务(No.2022YJSSB03)。This work was supported by the National Natural Science Foundation of China(51874311,52174096)and the Fundamental Research
2、 Funds for the Central Universities(2022YJSSB03).第一作者简介:孙晓明,男,1970 年生,博士,教授,博士生导师,主要从事岩土工程与软岩巷道支护方面教学与研究工作。E-mail: 通讯作者:缪澄宇,男,1992 年生,博士,在站博士后,主要从事岩土工程与软岩巷道支护方面研究工作。E-mail: DOI:10.16285/j.rsm.2022.0544 万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究 万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究 孙晓明1,2,姜 铭1,2,王新波3,臧金诚4,高 祥4,缪澄宇1,2(1.中国矿业大学(北京)深部岩土力学
3、与地下工程国家重点实验室,北京 100083;2.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;3.北京特种工程设计研究院,北京 100028;4.兖煤万福能源有限公司,山东 菏泽 274922)摘 要:摘 要:为研究深部巷道围岩在地下水作用下的长期蠕变力学特性,采用自主研制的深部软岩五联流变试验系统,开展不同含水率(0%、0.8%、1.6%、2.4%、3.3%)下砂岩吸水软化单轴压缩试验及单轴蠕变试验。通过试验结果研究表明:砂岩的单轴抗压强度、弹性模量和蠕变破坏应力与含水率呈指数下降关系,蠕变破坏应力与单轴抗压强度的比值在 0.760.84 之间;砂岩衰减蠕变阶段时间随着含水率
4、的增加而减少,随应力水平的增加而增加。径向应变比轴向应变先进入稳态蠕变阶段,破坏应力下径向应变的加速蠕变阶段开始时间要先于轴向应变;基于稳态蠕变速率曲线确定了砂岩的长期强度,径向稳态蠕变速率确定的值略小于轴向,长期强度与含水率之间满足负指数关系;将蠕变试验中径向应变与轴向应变之比定义为c,提出了基于c值的岩石长期强度确定方法且c值与含水率无关,对于本次砂岩样品可以认为c值大于 0.3 时样品会在一定时间内发生加速蠕变破坏;随着含水率的增加,样品破坏形态由单斜面剪切破坏逐渐演变至 X 状共轭斜面剪切破坏。研究结果为地下水作用下巷道长期稳定性分析及巷道蠕变破坏的提前预报提供可靠的理论依据。关 键
5、词:关 键 词:砂岩蠕变;单轴压缩蠕变;含水率;径向应变;长期强度 中图分类号:中图分类号:TU451 文献标识码:文献标识码:A 文章编号:文章编号:10007598(2023)03062413 Experimental study on creep mechanical properties of sandstone with different water contents in Wanfu coal mine SUN Xiao-ming1,2,JIANG Ming1,2,WANG Xin-bo3,ZANG Jin-cheng4,GAO Xiang4,MIAO Cheng-yu1,2(1
6、.State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;2.School of Mechanics and Civil Engineering,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China;3.Beijing Special Engineering Design and
7、 Research Institute,Beijing 100028,China;4.Wanfu Energy Company Limitied of Yanzhou Coal,Heze,Shandong 274922,China)Abstract:To study the long-term creep mechanical properties of surrounding rock in the deep roadway under the action of groundwater,a self-developed five-joint rheological experimental
8、 system was used to carry out uniaxial compression tests and uniaxial creep tests on sandstone with different water contents(0%,0.8%,1.6%,2.4%,and 3.3%)under water absorption and softening conditions.Some experimental findings were revealed.The uniaxial compressive strength,elastic modulus,and creep
9、 failure stress of sandstone decrease exponentially with water content,and the ratio of creep failure stress to uniaxial compressive strength ranges from 0.76 to 0.84.The attenuation creep time of sandstone decreases with the increase of water content and increases with the increase of stress level.
10、The radial strain enters the steady-state creep stage earlier than the axial strain,and the accelerated creep stage of the radial strain under the damage stress starts earlier than the axial strain.The long-term strength of the sandstone is determined based on the steady-state creep rate curve,and t
11、he value of steady creep rate in the radial direction is slightly less than the axial one,and the long-term strength satisfies a negative exponential relationship with the water content.The ratio of radial strain to axial strain in the creep test is defined as c,c value is independent of water conte
12、nt,and a method for determining the long-term strength of rock based on c value is proposed.For the sandstone samples used in this study,it can be considered that accelerated creep failure will occur in a particular period of time when the ratio surpasses 0.3.As the water content increases,failure p
13、attern of samples gradually change from single inclined plane shear failure to X-shaped conjugate inclined plane shear failure.The research 第 3 期 孙晓明等:万福煤矿不同含水率砂岩蠕变力学特性试验研究 625 results provide a reliable theoretical basis for long-term stability analysis and early prediction of roadway creep failure
14、 under groundwater.Keywords:sandstone creep;uniaxial compression creep;water content;radial strain;long-term strength 1 引 言 在与岩石相关的采矿、水电及石油等工程中,围岩变形表现出明显的时间效应,这些岩体工程的长期稳定性都与岩石蠕变有着密切联系1-3。水是诱发工程地质灾害最活跃的因素之一,岩体工程多赋存于水环境中,而岩石在干燥及饱和条件下力学行为有显著差异。万福煤矿泵房顶底板存在直接充水含水层,围岩与地下水作用呈现明显非线性大变形特征。泵房担负着所在区域正常生产所需的排水功
15、能,服务周期可达几十年,其稳定性也直接影响着煤矿生产的安全。因此,研究不同含水状态下岩石蠕变力学性质,对于万福煤矿安全高效开采具有重要意义。研究表明,水是影响岩石力学性质的一个重要因素,它会劣化岩石的力学性质4-6,对此国内外学者进行了广泛的研究。谢和平等7通过软化系数反映岩石强度变化,发现岩石强度与含水率之间存在线性关系。朱珍德等8对不同含水率的泥板岩进行单轴压缩试验,发现抗压强度的软化不仅与吸水率密切相关,而且还与吸水时间有关。Erguler 等9发现黏土质软岩在饱和状态下强度指标相比于干燥时减小了 90%以上。Roy 等10研究了不同饱水时间对砂岩力学参数的影响,发现砂岩的抗拉强度、杨氏
16、模量和断裂刚度均随含水率的增加而降低。研究岩石的蠕变力学特性方面,目前主要是采用单轴压缩蠕变和三轴蠕变试验11-13。Mansouri 等14对盐岩进行单轴压缩蠕变试验,结果表明蠕变应变和蠕变速率随轴向应力的增大而增大。Mishra15、刘新喜16等对岩石进行单轴压缩蠕变试验和三轴蠕变试验,发现岩石的长期强度大约为单轴抗压强度的 80%。考虑到含水率对岩石强度的劣化影响17-18,Deng19、姚强岭20等开展不同含水率蠕变试验,研究发现随含水率的增大岩石的长期强度呈指数降低,且轴向压力相同时饱和状态下的最大蠕变变形大于自然状态下的最大蠕变变形21。Yu22、Tang23等对不同含水率红砂岩开
17、展了单轴压缩蠕变试验,发现瞬时应变和稳态应变率随含水率的增加呈指数形式增大,蠕变应变和破坏时间随含水率增加而减小。在万福煤矿820 水平泵房(埋深为 865 m),长期荷载作用下帮部出现收缩、钢筋弯曲和混凝土开裂等破坏特征。大量工程案例表明,研究岩体径向变形特征,对于控制巷道帮部径向变形具有一定的指导意义24。以上蠕变试验研究主要针对蠕变破坏强度及轴向应变规律,未对径向和体积应变进行分析。为此学者们开展了一系列针对径向和体积应变规律的研究25-27,Fujii 等28对多种岩石进行蠕变试验,得到轴向、径向和体积应变的蠕变曲线,指出径向应变可以作为判断岩石损伤的一项重要指标。Chu 等29对饱和
18、状态砂岩进行短期和蠕变单轴压缩试验,发现蠕变试验轴向应变与短期试验基本一致,而径向应变大于短期试验。韩立军等30对泥质砂岩进行蠕变试验,发现径向应变较轴向应变的规律性更好、更明显。胡光辉等31发现在稳态蠕变阶段裂纹萌生导致的径向应变大于压缩引起的轴向应变,同样杨文东等32开展了辉绿岩蠕变试验,发现岩石临近破坏时径向蠕变速率均不同程度地大于轴向,并且都认为是导致岩石体积缩小、扩容破坏的主要原因。Zhou 等33进行了单、三轴蠕变试验,发现三轴蠕变试验的轴向和径向的蠕变应变率都明显低于单轴压缩蠕变试验。同样 Zhang26、李亚 丽34、Huang35等进行了蠕变试验,结果表明径向变形表现出比轴向
19、更为突出的蠕变特性。可以发现,目前针对岩石蠕变径向变形特征的研究主要集中于自然状态和饱和状态,对于不同含水率岩石的径向变形的规律研究有待进一步深入。因此,本文以万福煤矿砂岩为研究对象,在吸水软化试验基础上36-37,进一步开展不同含水率砂岩单轴压缩蠕变试验,获取了蠕变全过程轴向应变、径向应变和体积应变的变化规律,分析了不同含水率砂岩轴向和径向蠕变量、蠕变速率的差异,研究了含水率对砂岩应变、蠕变速率和长期强度的影响,提出了一种基于径向应变与轴向应变比值的岩石长期强度确定方法。其研究结果可为深部巷道围岩在地下水作用下长期稳定性分析提供一定的理论指导。2 试验仪器及方案 2.1 试验设备及试验样品试
20、验设备及试验样品 试验样品取自山东省菏泽市万福煤矿,取样处位于950 水平泵房通道,埋深约为 1 040 m,泵房 626 岩 土 力 学 2023 年 通道位于中砂岩层位,底板为砂泥互层,顶板为细砂岩、泥岩、煤和砂质泥岩等。采用保鲜膜对现场砂岩样品进行及时封存,通过对现场取回砂岩样品烘干获得泵房通道围岩含水率稳定在 0.62%1.78%。由地应力测试数据可知,在 8001 100 m的深度范围内,地应力主要以水平应力为主,最大水平主应力与垂直应力的比值平均为 1.96。泵房通道所处深度最大水平主应力为 42.74 MPa,最小水平主应力为 28.36 MPa。本文采用中国矿业大学(北京)深部
21、岩土力学与地下工程国家重点实验室自主研制的深部软岩五联流变试验系统(见图 1),系统轴向最大压力为 600 kN,配置轴向位移传感器、环向引伸计对岩石的轴向和径向应变进行测量。将取自万福煤矿现场的砂岩运至实验室后,按照国际岩石力学学会(International Society of Rock Mechanics,简称ISRM)建议标准加工成直径为 50 mm、高为 100 mm的样品。样品呈灰白色,结构致密,肉眼观察无层理、条纹及裂纹,表观完整性及均匀性良好。测量样品天然状态下的平均纵波波速为 3.52 km/s,选取波速相近且外观无缺损的样品作为试验样品。(a)试验系统 (b)轴向位移传感
22、器 (c)环向引伸计 图图 1 深部软岩五联流变试验系统深部软岩五联流变试验系统 Fig.1 Five-joint rheological experimental system 将样品放入 105 的烘干箱内烘 24 h,得到干燥状态样品。通过对干燥样品进行无压吸水试验36发现,样品吸水量在前 31 h 急速上升,113 h 后进入稳定的缓慢吸水阶段,含水率变化很小,经计算,自然饱和含水率约为 3.34%。无压吸水试验共进行432 h,此时样品质量几乎不发生变化,认为砂岩样品已经达到极限饱和状态,此时含水率为 3.43%。可以将吸水时间分别为 3.17、31.00、113.00 h 对应的
23、0.8%、2.4%、3.3%含水率作为临界含水率,为了更加连续、准确地获得含水率对砂岩强度的软化规律,在以上临界含水率的基础上增加 1.6%含水率及0%含水率(干燥状态),共计 5 种含水率进行吸水软化试验研究,部分试验样品参数见表 1。表表 1 蠕变试验部分样品参数蠕变试验部分样品参数 Table 1 Parameters of some specimens in creep test 样品 编号 干燥质量/g 含水质量/g 含水率/%长度/mm 直径/mm 密度/(gcm3)DR-10462.33 0.00 100.99 49.482.38 DR-11462.47465.710.72 10
24、0.46 49.382.41 DR-12472.10479.631.60 101.35 49.582.42 DR-13473.35485.072.48 101.56 49.562.42 DR-14459.55474.663.29 99.59 49.432.41 2.2 试验方案试验方案 本文采用单级加载方式进行试验,根据单轴试验结果进行应力等级的设计,考虑到饱和样品的单轴抗压强度较低,将初始蠕变应力设为 18 MPa,相邻两级荷载水平应力差为 4.5 MPa。在进行充分蠕变过程后进入下一级,设计每级蠕变时间为 24 h,直至样品发生蠕变破坏。考虑到高含水率对岩石强度的软化作用,将 3.3%含水
25、率的初始蠕变应力设为9 MPa,相邻两级荷载水平应力差为 2.25 MPa。同时为了获得蠕变加速破坏阶段曲线,在加载后期对应力增量梯度进行调整,缩小为最初设计值的一半,避免样品在施加过大的瞬时荷载过程中发生脆性破坏。3 试验结果及分析 3.1 单轴压缩试验结果单轴压缩试验结果 本次试验进行了多组含水率下砂岩吸水软化单轴压缩试验,获取了不同含水率下的单轴压缩试验曲线(见图 2),在加载初期随着含水率的增加,压密阶段越长。对比峰后应力应变曲线,在含水率较低的状态下,岩石样品表现出脆性,含水率较高时脆性下降表现为塑性。图 3 为单轴抗压强度与弹性模量的含水软化曲线,可以看出水对岩石力学第 3 期 孙
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