红庆梁煤矿软岩分级卸荷的蠕变特征

李景涛, 刘永立, 马浩天

(1.黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室, 哈尔滨 150022; 2.鄂尔多斯市昊华红庆梁矿业有限公司, 内蒙古 鄂尔多斯 014316)

0 引 言

软岩问题是20世纪60年代被提出来的世界性难题,特别是煤矿软岩问题,一直是困扰煤矿建设和生产的重要难题之一。东胜煤田是我国重要的环保型民用及动力用煤,煤炭储量丰富。但随着开采范围的不断增大,以及矿区地质条件的复杂化,越来越多的煤矿在矿井建设中碰到软岩问题。

国内外学者在岩石蠕变领域做了许多的研究。为了模拟岩石在实际工程中的应力环境,许多学者通过三轴试验来研究岩石的蠕变特征,通过岩石的轴向、环向和体积等蠕变曲线研究岩石蠕变机制,认为蠕变机制主要是低围压下岩石裂隙的扩展和高应力下岩石孔隙的塌陷,并且有些学者将其中的环向应变作为岩石损伤现象的一种重要判别标志[1-2]。随着对岩石蠕变机制理解的加深,越来越多的研究人员以不同的应力加载、卸载和循环加载等条件对各类岩石开展蠕变特性研究,分析了岩石在不同围压作用下岩石轴向应变及侧向应变随时间的变化规律[3-5],讨论了不同应力水平对轴向、侧向变形特性的影响规律[6-7],对比探讨了不同应力路径下同种岩石的流变特性[8]。基于上述规律分析,部分学者基于西原模型、Burgers模型、Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理等模型和理论,建立了对应的损伤蠕变模型,并应用在实际工程中[9-14]。

针对红庆梁煤矿软岩巷道蠕变问题,笔者以红庆梁煤矿11307工作面为工程背景,从巷道围岩中取样,通过三轴卸载蠕变试验,研究巷道软岩的蠕变规律,并确定对其蠕变影响较小的应力范围。该研究成果不仅能够丰富基础岩石力学学科相关内容,还可为相似地质条件下软岩巷道围岩控制提供重要的参考依据,为实现煤炭资源安全高效开采提供重要安全保障。

1 试 验

1.1 试样制备

试样选用的岩石试件取自红庆梁煤矿11307巷道围岩,岩性为砂质泥岩,样品现场采集后及时采用蜡封法密封以防止风化,运回实验室后制成直径50 mm、高100 mm的标准试件,直径误差控制在0.3 mm范围内,端面平行度控制在0.05 mm范围内[15]。试验加载装置采用法国岩石三轴试验仪(ROCK 600-50),该设备可加载的最大轴向应力为375 MPa,最大围压为60 MPa,压力控制精度达0.01 MPa,分别通过线性位移传感器和环向电子应变计测量试样的轴向应变和环向应变,其精度可达10-6m,如图1所示。

图1 岩石三轴试验仪

1.2 试验方案

开展偏应力(σ1-σ3)恒定的三轴卸载蠕变试验。软岩三轴抗压强度的试验结果显示,当围压σ3为15 MPa时,软岩的三轴压缩峰值强度σ1max为45.4 MPa,以此确定第一级载荷的大小及分级卸荷量的大小。因此,文中试验采取的围压σ3为15 MPa,初始轴压σ1为σ1max的70%(31.8 MPa)。试验过程中,先以0.05 MPa/s的加载速率加载至预设值,σ1=σ3(15 MPa),待围压σ3到达预设值稳定后,保持σ3不变,继续以0.05 MPa/s的速率加载σ1至预设值(31.8 MPa)。观察试样轴向变形稳定后,采取Δσ3/Δσ1=1的比例进行逐级卸载,卸载速率为0.05 MPa/s,卸载层级设定为4级。试验围压每级均卸载2 MPa,轴压每级卸载为2 MPa,保持偏应力稳定(16.8 MPa),各级应力情况见表1。

表1 软岩蠕变试验应力水平

2 结果与分析

2.1 三轴卸载蠕变试验全过程分析

图2显示的是巷道软岩试样全过程蠕变曲线。由图2可知,在保持偏应力恒定的条件下,围压逐级卸载,每一级应力保持在720 h左右。随着对试样应力的逐级卸载,软岩试样在第1级应力阶段(轴压为31.8 MPa,围压为15 MPa)的轴向应变ε1增长最大,同时,试样在各级应力作用下的轴向应变均呈增长趋势,最终在第5应力阶段(轴压为23.8 MPa,围压为7 MPa)试样破坏。在各级应力阶段,软岩的轴向应变由瞬时应变和蠕变应变组成。第1级应力阶段中,当给试样施加31.8 MPa轴压和15 MPa围压后,试样瞬间产生了极大的轴向应变,ε1的值从0急速上升至5.09%,此时试样的轴向应变主要为瞬时应变。随后,在第1级应力阶段内,试样的轴向变形速率逐渐减缓,最终近似为0并保持不变,这段时间内试样的轴向应变主要受蠕变应变的影响。当蠕变稳定后,对试样的轴压与围压同时进行卸载,保持偏应力为16.8 MPa不变,进入下一应力阶段。后续各阶段的轴向应变变化过程均与第1应力阶段轴向应变相似,试样的轴向应变稳定增加,但其增长幅度大幅减小。但是在进入第5应力阶段718 h左右后,软岩试样进入了加速蠕变阶段,岩石的轴向应变短时间内从6.44%猛增至7.34%,最终导致岩石破坏。

图2 软岩试样全过程蠕变曲线

为了更好地分析软岩试样在各级应力阶段的轴向应变,对图2中的应变曲线用分级增量加载蠕变试验数据处理方法[16](即陈氏加载法)处理得到图3,其显示的是不同应力水平下的蠕变曲线。

图3 软岩试样不同应力水平蠕变曲线

由图3a可以看出,在偏应力恒定的条件下,随着应力的逐级卸载,软岩试样的轴向应变逐级增大,但在各级应力阶段内,轴向应变的变化较小。而各级应力之间的轴向应变量Δε1较小,不能很好地反映各级应力间的蠕变差异。因此,将图3a中A、B两区域的图像放大,得图3b和图3c。分析可知,试样在第2、第5应力阶段试样的轴向应变量远大于第3、第4应力阶段的轴向应变量,并且对应的蠕变应变量也与前者相同。分析图2和3可知,在对试样卸荷后,软岩的轴向应变量主要受蠕变应变量的影响。

2.2 卸荷对蠕变速率的影响

对软岩试样的全过程蠕变分析可知,在偏应力恒定的各级卸荷条件下,试样的各级轴向应变较小。因此,为了更清楚地描述试样各级蠕变情况,本节通过对各级卸荷阶段的蠕变速率v进行进一步描述。图4和表2详细地描述了巷道软岩在卸荷蠕变试验过程中,各应力阶段试样蠕变速率的变化情况。由于在试验过程中,在每一级卸荷完成后,并不能确定瞬时应变在何时结束,因此,文中定义在每一级卸荷后,70 h之后的轴向应变为蠕变应变。(保持偏应力恒定,将第2级应力阶段定义为第1级卸荷、第3级应力阶段为第2级卸荷,第4级应力阶段为第3级卸荷,第5级应力阶段为第4级卸荷)。

表2 不同应力水平下试样的蠕变速率

图4 试样蠕变速率曲线

由图4可知,在每一级卸荷后,软岩试样的轴向蠕变速率整体均呈衰减趋势,但其值均未小于0,这表明软岩试样的轴向应变量在整个试验过程中均在增长。因此,可将软岩的蠕变阶段细分为衰减蠕变和稳态蠕变两个阶段。但在第4卸荷阶段后期,试样的轴向蠕变速率猛增,在宏观上表现为软岩试样破坏,因此在该阶段中,软岩的蠕变阶段分为衰减蠕变、稳态蠕变和加速蠕变阶段。结合2.1节中对各级应力阶段中轴向应变速率的描述,由于每一级应力均保持在720 h左右,在对试样卸荷后,其轴向应变量主要受到瞬时应变的影响,这正与图4中各级卸荷曲线在720 h处有明显的上升相符。随着试验的进行,试样的轴向应变速率逐渐减缓,试样进入衰减蠕变阶段,随后蠕变速率趋于0,进入稳态蠕变阶段。

表2显示的是各级卸荷70 h后的蠕变速率,更加直观地表现出试样在卸荷进入蠕变阶段后,各级卸荷阶段的蠕变速率均在减小并趋于0。但是在蠕变过程中,各级卸荷中的蠕变速率均出现了小范围波动,这可能是试样中的微破裂引起的。结合2.1节中的分析,试样在第2、第5应力阶段试样的轴向应变量远大于第3、第4应力阶段的轴向应变量,并且对应的蠕变应变量也与前者相同,对比各列数据可知,在同一时间段内,第1、第4级卸荷阶段的试样蠕变速率大于第2、第3级卸荷阶段,如第1、第4级卸荷阶段卸荷96 h后的蠕变速率分别为0.113、0.113 μm/h,而第2、第3级对应的蠕变速率分别为0.056、0.056 μm/h。结合图4和表2分析可知,软岩试样在第4级卸荷720 h的蠕变速率达到5.798 μm/h,远远大于其他蠕变速率,这主要是因为该试样处于加速蠕变阶段,并且试样已经达到了其屈服极限,试样即将破坏。

综上,由图2和图3可以看出,在偏应力恒定的整个蠕变过程中,试样在蠕变应变阶段轴向变形量较小,但在第5应力阶段中的加速蠕变阶段,试样轴向变形量大幅增加,直至岩石破坏。由图4和表2的进一步阐述可以得出,当试样破坏前,其蠕变速率大幅增加,因此在生产实践中应避免使软岩受力超过其屈服极限而导致其破坏。

2.3 卸荷对轴向蠕变量的影响

上述各级蠕变速率是对各级卸荷阶段的试样蠕变程度的间接描述,不能较为直观地显示出试样在各阶段的轴向应变的区别,因此本文根据图3,统计出各应力水平下试样对应的瞬时应变和蠕变应变见表3,对比分析各阶段轴向应变的区别。其中,将轴压与围压的比值定义为k,即k=σ1/σ3。

表3 软岩不同应力水平下应变统计

试样的瞬时应变和蠕变应变随k值的变化情况,如图5所示。在偏应力恒定条件下,进行三轴卸荷蠕变实验,而由于第2、3、4、5应力水平下其轴向应变量远小于在第1应力水平下的应变量,因此,图5只取第2、3、4、5级应力水平的数据进行绘制。

图5 试样应变变化曲线

由图5可以看出,试样瞬时应变和蠕变应变的变化趋势基本一致。随k值的逐渐增大,两者均先减小,后趋于稳定,最后再大幅增加,如第2、3、4、5级应力阶段k值所对应的瞬时应变分别为0.002 93%、0.000 72%、0.000 73%、0.008 79%,对应的蠕变应变分别为0.050 54%、0.021 97%、0.024 17%、0.109 13%,每一级瞬时应变的增量分别为-0.002 21%、0.000 01%、0.008 06%,对应的蠕变应变增量分别为-0.028 57%、0.002 2%、0.084 96%,其中,当k值在2.545 5～2.888 9范围内时,试样的蠕变应变较小。结合上述分析,在实际工程中,当k值超过2.888 9时,软岩试样受加速蠕变阶段的影响,其蠕变应变大幅增加,这时需要及时采取措施保持岩石的稳定性,否则岩石内部由于不稳定的扩展大量增加,使得岩石力学性能劣化,最终导致岩石破坏。这表明红庆梁煤矿区11307巷道软岩蠕变特性与k值的大小存在密切联系,因此,在实际工程中需要考虑到k值对巷道软岩蠕变的影响。

3 结 论

本文对红庆梁煤矿11307巷道软岩进行了室内三轴卸载蠕变试验,对软岩的卸载蠕变试验结果逐步细化分析,得到如下结论。

(1)对同时卸载轴压和围压的蠕变试验,软岩的轴向应变主要分为瞬时应变和蠕变应变,其中根据试验蠕变速率变化情况,一般可以将蠕变应变阶段分为衰减蠕变和稳态蠕变两阶段。但在岩石破坏之前,岩石的蠕变应变阶段还包括加速蠕变阶段。

(2)在三轴卸载蠕变试验中,随着轴压和围压的逐级卸载,软岩的轴向应变逐级增大。第1应力阶段的轴向应变对试样应变的影响最大,第2、第5应力阶段的蠕变应变和蠕变速率均大于第3、第4阶段的蠕变应变和蠕变速率。

(3)当σ1/σ3值在2.545 5～2.888 9范围内时,软岩试样较为稳定,其蠕变应变现象微弱。但当σ1/σ3值超过2.888 9时,岩石内部极可能出现不稳定扩展导致岩石破坏。