高温单向约束对煤系砂岩物理力学特性的影响

王珍珍

(河南理工大学土木工程学院，河南 焦作 454003)

1 概述

高温对岩石力学行为的影响已成为目前国内外学者研究的热点。由于高温作用岩石物理力学性能会发生变化，对地下工程领域的安全性及稳定性产生重大影响。因此，研究高温作用下岩石材料物理力学性能变化具有重要意义。

近年来，很多学者针对石灰岩、花岗岩、大理岩、闪长岩等进行了深入的研究。如，Zhang等[1]研究了高温对石灰岩细观结构和力学性能的影响；朱合华等[2]对熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾岩3种岩石的力学性质进行了研究；Zhang等[3，4]等分析比较了高温下大理石、石灰岩和砂岩的应力—应变曲线、峰值强度、峰值应变及弹性模量之间的区别；杜守继[5]、陈有亮等[6]对经历不同高温后花岗岩的力学性能进行试验研究；陈国飞、杨圣奇等[7]基于力学试验结果，对高温作用后大理岩的力学性能、热损伤特性演化规律及破坏规律进行了探讨。

上述学者对经历高温作用后及高温下岩石的力学性能及破坏规律进行了详细研究，但对于高温单向约束煤层顶板砂岩的物理力学特性研究相对较少。基于此，本文选择合适的煤层顶板砂岩作为实验材料，对经历25 ℃～700 ℃不同高温单向约束后砂岩试样进行电镜扫描及单轴压缩试验，分析不同温度后砂岩试样的物理性质(如微观结构、质量损失率、体积膨胀率和密度降低率)、应力应变曲线、强度及变形参数，研究成果可为煤炭气化等类似工程开采方案设计、高温后围岩巷道破裂失稳的预测防治提供理论及技术支持。

2 试验概况

2.1 岩性特征和试样准备

本研究选用的岩石材料为砂岩，采自中国河南省焦作市方庄煤矿地下550 m深处煤层顶板，为二叠纪砂岩。该岩样的主要成分为长石、石英，含有少量云母，平均密度为2.654×103kg/m3，平均纵波波速为4 410 m/s，弹性模量为16.764 GPa，抗压强度为205.109 MPa。为了避免各向异性对力学结果的影响，将砂岩试样切割打磨成50 mm×50 mm×50 mm的标准立方体试样，为了保证岩样两端平行度和平整度，试件的平行度控制在要求范围以内。

结合试验目的将砂岩共加工成18个试样，将试样共分为6个温度等级，分别为25 ℃(室温)，300 ℃，400 ℃，500 ℃，600 ℃，700 ℃，每组3个试样，如表1所示。

表1 各温度组砂岩岩样数量

2.2 试验设备

为达到本试验目的，选用自行研制高温加热炉对试样进行加温，其最高施加温度可达到1 200 ℃，炉体外部温度稍高于室温。其中可提供单向约束的约束框架可与高温加热炉配套使用。此外，所有单轴压缩试验均在中国科学院武汉岩土力学研究所研制的RMT-150C(如图1所示)型伺服试验机上进行，伺服控制系统最大垂直静荷载为1 000 kN，最大垂直动荷载为500 kN，最大压缩变形量为20 mm。

2.3 试验程序

首先，加温前测量各砂岩试样的尺寸、质量。然后，将试样放置在高温加热炉中以10 ℃/min的升温速率分别升温至预定温度，达到预定温度后再恒温2 h。然后将其自然冷却至室温。将试样取出，再次测量高温处理后的质量、尺寸。最后，对砂岩试样进行单轴压缩试验，以2 kN/s的速度施加轴力，直至发生破坏。

3 试验结果和分析

3.1 体积、质量及密度变化

为了了解温度对砂岩试样质量、体积及密度的影响，分别测试了高温前后砂岩试样的质量、体积。并且通过分析高温前后砂岩试样质量、体积和密度的变化，可以得出质量、体积和密度变化率的计算公式如下：

(1)

(2)

(3)

其中，V1,V2,m1,m2,ρ1,ρ2分别为试样热处理前后的体积、质量、密度。质量变化率、体积变化率、密度变化率和纵波波速随测试温度的变化规律如图2所示。图2中所有试验数据均取自高温前后的完整砂岩试件。

从图2中可以看出，随着温度升高，质量损失率不断增加，且损失速率先缓慢增加再快速增加。在500 ℃之前，质量损失率为2.368%；而当温度超过500 ℃时，质量损失率快速增加，温度达到700 ℃时质量损失率为5.215%。在温度500 ℃之前，砂岩中矿物吸附水脱出，且部分有机质发生热解反应，造成砂岩质量减少，但质量损失率下降幅度缓慢；当温度高于500 ℃时，砂岩中矿物晶格中结构水脱出，且有机物发生热分解反应；同时，矿物晶型发生相变(α-β转变)、熔融，甚至是部分矿物成分消失，综合作用使得砂岩质量减少，且质量损失幅度增大。

热处理不仅使得砂岩的质量减少，而且对砂岩的体积、密度和纵波波速也有影响，砂岩体积随温度也表现出明显的变化规律。从图2可以看出，随着温度的升高，砂岩试样的体积增长率逐渐增大，可能是由于岩样不同矿物的热膨胀特性差异会导致沿矿物边界产生巨大的热损伤。此外，岩样内部矿物颗粒由于热膨胀特性差异产生的热应力使得岩石内部产生微裂隙，当热应力超过试样的承载力极限，微裂纹不断扩展、贯通，导致岩样体积膨胀。在300 ℃～400 ℃温度范围内，体积增长率最大，在400 ℃～500 ℃温度范围内，体积增长率趋于稳定。

密度变化率是质量和体积变化共同作用的结果，通过测试高温前后砂岩岩样的质量和体积，得到了密度随温度的变化曲线。从图2中可以看出，砂岩试样密度变化率值始终小于0，说明经历热损伤的砂岩试样密度值始终小于常温。在温度500 ℃，600 ℃时，砂岩密度降幅分别为5.781%，8.136%；在温度700 ℃时，与室温相比，砂岩密度降幅为10.554%。

3.2 应力应变曲线的变化特征

由于每组试样单轴压缩过程的全程曲线变化形式大致相同，大体经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段。本文列出具有代表性试样的应力—应变曲线，如图3所示。

从图3可以看出，热损伤砂岩的全应力应变过程具有明显的阶段性特征。经历的温度不同，各曲线阶段表现的程度也不尽相同。在应力应变曲线的初始阶段，呈向上凹的形状，随着热处理温度的升高，初始阶段变化略加明显，这是由于高温使得岩样内部产生热应力，当热应力超过岩石颗粒之间的抗张应力屈服强度时，骨架颗粒之间发生位错，内部结构破坏产生微裂隙，在压缩荷载作用下压密阶段的裂缝变形随温度的升高而增大；此外，温度低于600 ℃时，当应力达到峰值后迅速下降，岩样迅速破裂，表现出明显的脆性破坏特征；当温度超过600 ℃时，应力达到峰值后应变仍缓慢增加，岩样具有一定的延性，破坏也表现出塑性剪切破坏。该试验结果表明，随着温度升高砂岩由脆性过渡到延性，破坏也由脆性破坏过渡到塑性剪切破坏，600 ℃为砂岩试样塑性—延性转变的阈值温度。

3.3 强度和变形特征

砂岩试样经热处理后的强度和变形参数如表2所示。

表2 不同高温条件下煤层砂岩的力学参数

从表2中可以看出，砂岩的单轴抗压强度随温度升高逐渐降低，400 ℃之前砂岩的峰值强度(单轴抗压强度)变化不大，与常温相比，仅降低了6.81%，但在500 ℃时，峰值强度(单轴抗压强度)出现了下凹，600 ℃时应力降至164.786 MPa,比常温下降了19.66%，700 ℃时比常温下降了28.56%；砂岩峰值应变与温度的关系大致呈正相关，温度升高，峰值应变增大。在400 ℃之前，峰值应变增加趋于平稳，主要由于结晶水的损失和矿物颗粒的膨胀。当温度高于400 ℃时，峰值应变随温度的升高迅速增大，由于高温使得砂岩内部产生更多微裂纹，使得岩石试样软化，颗粒间产生滑移。在500 ℃时，峰值应变增加了约16.37%，600 ℃时，增加了51.04%，700 ℃时增加了91.46%；弹性模量是岩石材料的主要力学性能之一。本研究中弹性模量为应力应变曲线上近似直线部分的平均斜率。图2显示了弹性模量随温度的变化规律。随着温度升高，弹性模量逐渐减少。从室温到400 ℃，弹性模量从16.764 GPa下降到13.364 GPa,降幅为20.282%。从400 ℃到600 ℃，弹性模量从13.364 GPa下降到8.204 GPa,下降了38.611%。在700 ℃时，弹性模量下降到7.89 GPa。造成这种现象的原因可能是由于岩样内部热应力随温度升高逐渐增大的缘故，热应力使得岩石裂纹扩展延伸并产生新裂纹，裂纹的存在和微裂纹的不可逆扩展导致了组织的变化和结构的明显断裂，从而导致弹性模量急剧下降。

上述分析表明，岩石受高温单向约束作用的力学性能不断弱化。

4 结论

本研究对高温处理后的煤层砂岩试件的物理力学性能进行了试验研究。试验结果对认识核废料处置、煤地下气化等地下岩石工程中岩石的损伤破坏机理具有重要的参考价值。基于本试验研究，得出以下结论：

1)在测试温度范围内，体积变化率、质量变化率和密度变化率的绝对值随着温度的升高而增大；

2)单轴压缩过程的全应力应变曲线具有明显的阶段性特征，随着温度升高，应力应变曲线表现出明显的脆—塑性转变，600 ℃为砂岩试样脆—塑性转变的阈值温度；

3)砂岩峰值应力和弹性模量随温度升高不断降低，峰值应变随着温度升高不断增加。说明高温作用使得砂岩力学性能劣化。