单轴循环加卸载下磷块岩能量演化特征试验研究*

吝曼卿,陈 烨,金胜利,彭 庚,张小琴,岑兰爱,孙郡阳

(1.武汉工程大学 资源与安全工程学院,湖北 武汉 430074;2.武汉工程大学 磷资源开发利用教育部工程研究中心,湖北 武汉 430074;3.湖北兴发化工集团股份有限公司,湖北 宜昌 443700)

0 引言

随着矿山开采不断向深部延伸,岩爆灾害问题愈发凸显,对矿山安全生产造成了严重影响。由于岩体在破裂瞬间其内部裂隙摩擦生热,导致破裂区域热力学温度上升,产生红外辐射,而能量的瞬间释放会产生声发射信号,因此从能量的角度研究岩石在受力过程中的声发射与红外辐射的联系具有重要意义。

有研究[1]表明,岩石的失稳破坏是能量耗散与释放的过程,能量是造成岩石破坏的内在原因。声发射(AE)是岩石变形或破裂过程中以弹性波的形式释放出应变能的一种现象,可以揭示岩石变形过程中内部损伤的发展过程。张磊等[2]通过对煤样进行单轴加载过程声发射响应特征测试,发现声发射参数及损伤响应呈阶段性特征。朱权洁等[3]通过对岩石破坏全过程的声发射特征参数进行分析,建立了声发射累积振铃计数和应力、应变及损伤变量的耦合关系。唐巨鹏等[4]研究了煤与瓦斯突出的能量演化过程,发现不同时期声发射能量信号的差异性可以作为岩石破裂前兆信息,建立了声发射参数特征与前兆信息关系指标。红外辐射是由岩石受力破坏过程中电子跃迁以及能量转换产生的,可以表现出岩石破坏的外在特征。徐秀登等[5]通过分析卫星热红外图像,总结了多次发生地震时卫星红外的异常特征,从而可以更好地预测地震,发现临震大气静电异常对大气的极化作用是产生热红外异常的主要原因。为了研究煤岩体破裂前红外异常前兆,马立强等[6-7]利用红外测温仪监测煤岩体内部温度,发现内部温度与时间、荷载呈正相关,煤样中出现的红外破裂前兆为突然升温型。刘善军等[8-9]通过实验对岩石破裂的热红外前兆进行了分析,得出岩石破裂热红外前兆的机理是岩石热弹效应和岩石颗粒摩擦效应的综合。因此,从能量的角度研究红外辐射与声发射之间的联系能提高岩石破裂前兆识别的可靠度。

以上研究对声发射和红外辐射在各自领域对岩石破裂过程的响应特征进行了分析,重点研究了单一岩石破裂过程中的热红外或声发射信号,而对热红外辐射和声发射两种手段的耦合研究较少。本文拟通过磷块岩试件单轴循环加卸载试验,利用红外热像仪和声发射等监测手段对试件加卸载过程临空面红外辐射值和内部声学信号进行同步监测,计算磷块岩受力过程中各部分能量的大小,从能量演化及红外辐射与声发射之间的内在关联,实现对岩石破裂前兆信息的准确识别。

1 受载岩石试件中的能量计算

岩石的变形破坏实质上是一个非平衡态热力学过程,包括能量输入、积累、耗散和破坏时的能量释放,涉及较多种类的能量,通过试验手段监测到每一种能量的演化几无可能[6]。鉴于不可逆性的耗散能和可逆性的弹性能及岩石所产生的约束作用,从能量守恒定律角度得出二者的关系,即

U=Ue+Ud,

(1)

式中:U为外力对岩石所做的功;Ue为岩石内部的弹性能,主要用于抵抗变形;Ud为岩石内部的耗散能,主要用于裂隙的萌生、扩展、发育。

由于弹性能具有可逆性,因此运用岩石加卸载应力-应变曲线计算弹性能与耗散能[10-11],即将卸载后释放出的能视为卸载过程中在应力水平上累积而来的弹性能,与加载总能量相比降低的数值便是该应力水平上的耗散能。i方向岩石试件加卸载应力水平σ′的应力-应变曲线见图1。

图1 i方向岩石在应力水平σ′处的能量演化示意图

当加载到应力水平σ′时,此方向积聚的弹性应变能密度为Uie,由卸载曲线(虚线部分)与横坐标围成的面积表示;而耗散能密度Uid由该应力水平处加卸载曲线之间的面积(阴影部分)表示[12-15],即

(2)

(3)

式中,ε′对应σ′应变值,ε″对应应力从σ′卸载到0时的残余应变值。

2 试验设计及方法

2.1 试验设备及试样制备

试验采用RMT-301岩石与混凝土力学试验系统,试验机量程为1 500 kN,可实现岩爆可视化感知与智能预警。使用红外热像仪对岩石试件全程红外热成像以及临空面红外辐射值进行捕捉。采用PXDAQ24260B声发射系统对岩样进行全程声发射信号监测,以获取其计数率及累积能量。试验设备见图2、图3。

图2 试验设备示意图

图3 试验现场设备

选取3个磷块岩试件为1组开展试验。按照工程岩体试验方法的有关要求加工制备成φ50 mm×100 mm的标准圆柱体试件,并将试件加载两端进行抛光处理,使其平行度小于0.02 mm(见图4)。岩样呈黑灰色,结构均匀,外观完整。

图4 磷块岩试件尺寸及声发射探头布置

红外热像仪探测器分辨率为384像素×288像素,光谱范围为8～14 μm,温度灵敏度在0.05 ℃以下。声发射采集频率为1 MHz,前置放大器增益40 dB,声发射传感器频率为75～750 kHz,采集阈值设为40 dB。

2.2 试验方法

单轴循环加卸载试验加载速率为0.000 5 mm/s,循环加载压力为20 kN,加载至试件破裂失稳为止,即遵循0→20→0→40→0→60 kN→…依次分别加载、卸载,直至试件发生破坏。在相同条件下重复进行一组试验,共3个试件,试件编号分别为A1、A2、A3。

试验开始前,将磷块岩试件置于试验台下压头圆心处,并在试件上部放置上压头使试件处于中心位置。在试件正前方1.0 m处安设红外热像仪并进行调试,由于热像图与岩石表面的热分布场相对应,在热红外监测系统界面选取红外热像图中试件的有效范围,以消除边界效应的影响。加载之前将适当尺寸的聚四氟乙烯垫片置于试件顶部,以消除应力集中的影响。施加1 kN轴向应力进行预加载,试件趋于稳定后通过位移控制方式采集整个过程的应力-应变曲线。在试验中,利用红外热像仪与声发射仪对温度变化、红外热像以及声发射特征参数进行同步采集。

为消除初始温度的影响,试验前将温度速降喷雾均匀喷洒在试件表面。试验时试件表面温度变化不大,为了避免室内变温影响红外监测,在试验机外安装支架和遮光罩。在加载系统和监测系统中覆盖黑色遮光布,可避免因人员走动、测试现场空气流动等因素对测试结果的影响。鉴于红外热像仪响应比较灵敏,试验台四周粘贴黑色隔热材料,以降低环境因素对红外热像仪的影响。

3 试验结果分析

3.1 宏细观观测结果

利用监控摄像头记录试件在循环加卸载下的红外热辐射(见图5)。

图5 试件加载不同阶段可见光与对应红外热像图

从破坏后的试件宏观剪断面及拉裂鼓出部分取出一些碎片,对其进行电镜扫描,结果见图6。

图6 试件破裂面端口FSEM扫描形貌图

通过对宏细观结果的观测,发现磷块岩试件碎片内部含有大量微裂纹,在外力作用下,微裂纹相互贯通最后形成宏观破裂,且破裂瞬间大量弹性能转化为辐射能,破裂面红外辐射急剧增加。

3.2 试件受力过程的应力-应变曲线

为便于描述岩石试件的试验结果,选取最具代表性的试件A2的试验数据[7]。试件单轴循环加卸载时的应力-应变曲线见图7。由图7可知,加载曲线与卸载曲线并未重叠,且卸载曲线比原加载曲线的位置要低。因此,可将压力荷载作用在试件上的功转化为两个方面:一方面是作为试件的损伤能与塑性变形能耗散;另一方面则作为弹性应变能聚集于试件内,在卸载过程中释放出来。加载曲线围成的面积表示试件吸收的能量密度[16-18],卸载曲线围成的面积表示试件释放的弹性能密度差,加卸载曲线间的区域即为试件吸收的能量密度与试件释放的弹性能密度差。通过对比循环加卸载试验和单轴加载试验的应力-应变曲线,可以发现两者的变化阶段基本相同,均可划分为初始压密、线弹性、塑性、峰后削弱以及破坏阶段。

图7 试件A2在单轴循环加卸载过程中的应力-应变曲线

4 磷块岩受力过程中的能量演化规律

4.1 试件受力过程中的能量演化

利用式(1)-式(3)所示的能量计算方法,结合试件在受力过程中的应力-应变曲线[19],计算不同荷载作用下单轴加载试验时试件的弹性能密度及耗散能密度,进而得出随着轴向应力的增大试件内弹性应变能与耗散能的演化关系(见图8)。

图8 磷块岩受力过程中能量演化关系曲线

由图8可知:磷块岩试件的弹性能密度与轴向应力演化曲线是非线性的,在受力初始阶段弹性能密度增长速率很小,这与压密阶段相对应;随后缓慢增加,弹性能密度为28.57 mJ/mm3时,其增长速率基本保持不变且表现为线性增长,与线弹性阶段相对应;之后增长速率逐步降低,与塑性阶段及弱化阶段相对应;弹性能密度在应力峰值阶段达到最大值,随之释放,之后弹性能密度骤减,导致岩石试件破坏。随着轴向应力的增大,耗散能密度起初增长较缓慢;加载到142.68 MPa时,耗散能密度为16.29 mJ/mm3;而加载到152.87 MPa时,耗散能密度突增至114.64 mJ/mm3,表明试件在即将破坏时,其内部裂纹失稳扩展、连通以及摩擦滑移需耗费巨大的能量。

4.2 试件受力过程中红外辐射与声发射变化特征

图9显示了试件在整个加卸载过程中的应力、岩石表面红外辐射最高温度、声发射幅度随时间变化的关系曲线[20-23]。

图9 磷块岩受力过程中声发射幅度和红外辐射最高温度变化曲线

由图9可知:在压密阶段及弹性变形阶段,裂纹闭合产生低能量声发射信号且红外辐射最高温度呈现缓慢降低的趋势;当荷载继续增大时,岩石内部裂纹继续扩展,其最高红外辐射温度呈现一定程度的波动,裂纹萌生、扩展使声发射信号变得更加活跃;在荷载接近峰值时,微裂纹相互贯通产生宏观裂纹,且摩擦作用随着裂纹的增加和贯通而愈发显著。由此可见,红外辐射最高温度与声发射幅度受荷载的影响呈现阶段性的变化特点,加载试件温度场和应力场有较好的对应关系。

通过将磷块岩试件受力过程中红外辐射、声发射各阶段变化特征与相应时间岩石试件能量演化关系曲线进行比较得出:应力接近峰值阶段,岩石弹性应变能聚集速率进一步减缓,耗散能明显增大,此时红外辐射温度及声发射振幅有急剧上升趋势;峰后阶段,岩石内的弹性能被大量转化为岩石碎块动能、红外辐射以及声发射等辐射能。因此,从能量演化的角度来看,加载过程中能量的累积-耗散-释放是声发射、红外辐射产生变化的内在原因。

4.3 试件受力过程中红外辐射-声发射相关性规律

对比加载岩石试件在受力过程中的宏观破坏过程,及其对应时刻的红外辐射最高温度与声发射幅度变化特征,发现试件所产生的声发射与红外辐射在受力过程中存在同一阶段内波动方向相反而整体变化趋势相近的关系。将红外辐射最高温度与声发射变化的整体趋势大致分为稳定阶段、发展阶段和爆发阶段。

a.稳定阶段:岩石试件表面红外辐射温度没有产生明显波动,内部声发射呈缓慢上升趋势,此时两者变化趋势稳定。

b.发展阶段:试件内部微裂纹逐渐扩展,此时表面红外辐射温度呈缓慢降低的趋势,而内部声发射信号变得更加活跃,在这一阶段后期,试件监测面红外辐射最高温度呈现上升到下降再上升的异常变化,而这一时期声发射呈急剧增加的趋势,监测的红外辐射温度与声发射先后出现异常,将两者的变化耦合可以作为岩石破坏的前兆。红外辐射最高温度由上升到下降的转折点与声发射幅度值出现急剧增加的转折点可作为岩石试件破裂前兆的预测点。

c.爆发阶段:岩石内部微裂纹相互贯通形成宏观破坏,此时岩石内部消耗大量能量,红外辐射与声发射均急剧上升。

5 结论

为探究岩石在受力环境下的能量演化特征,开展了磷块岩试件单轴循环加卸载试验,得到如下主要结论:

a.磷块岩在受力和破坏过程中释放的红外辐射、声发射信号与其所在的应力环境具有良好的对应关系。红外辐射最高温度与声发射变化趋势受荷载的影响具有阶段性变化特征,大致可以分为稳定阶段、发展阶段和爆发阶段。在发展阶段后期,试件监测面红外辐射最高温度呈现上升到下降再上升的异常变化,而这一时期声发射呈急剧增加趋势,监测的红外辐射温度与声发射先后出现异常,将两者的变化耦合可以作为岩石破坏的前兆信息。

b.红外辐射与声发射是岩石内部储存的弹性应变能转化而成的两种辐射能,在磷块岩的受力过程中,红外辐射与声发射的变化趋势与耗散能的变化趋势相似,能量的累积-耗散-释放是声发射、红外辐射产生突变的内因。试件在受力过程中所产生的声发射与红外辐射存在同一阶段内波动方向相反、整体变化趋势相同的关系。