粒径对非完整破碎岩体力学性质影响试验研究.pdf

*基金项目:国家自然科学基金项目(5 2 2 7 4 0 8 0);湖南省自然科学基金项目(2 0 2 1 J J 4 0 2 1 1);湖南省教育厅优秀青年基金项目(2 1 B 0 4 8 6).粒径对非完整破碎岩体力学性质影响试验研究*徐越洋1,袁超1,郭豫宁1,朱金文2,郭建强1,吴俊杰1,杜荣杰1,李连欣1(1.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院,湖南 湘潭市 4 1 1 2 0 1;2.长沙湘锰安全工程技术有限公司,湖南 长沙 4 1 0 0 0 7)摘 要:开挖后的地下硐室周边围岩存在一定范围的破碎区,破碎区内部的粒径大小直接影响着破碎区与弹性区交界面附近区域岩体的力学性质。因此,为了探究粒径对非完整破碎岩体的影响规律,制备了4种不同粒径的非完整破碎岩体试件,开展了单轴压缩条件下粒径对非完整破碎岩体力学试验,分析了粒径对非完整破碎岩体强度、声发射以及破坏特征的影响规律。试验结果表明:随着粒径的增大,试件的峰值强度随之减小;当试件粒径较小时,在应力峰值后的残余承载阶段,应力下降较为迅速,粒径较大时,在应力峰值后的残余阶段应力下降较为平缓。粒径越大的试件,破碎区孔隙越大,加载过程中的裂隙发育扩张越快,应力峰值前的声发射响应越强烈,计数频率和能量累计数越大;随着试件粒径的增大,试件的承载力逐渐降低,其表面由一开始出现的细微拉伸裂纹逐渐演化成宏观剪切裂纹。关键词:单轴压缩试验;粒径;声发射;应力 应变;非完整破碎岩体0 引言开挖后的地下硐室由临空面向围岩深部相继出现破碎区和弹性区,并且破碎区范围会随时间和应力变化而逐渐扩展,其中粒径对破碎区的扩展具有重要的影响,直接决定着破碎区与弹性区交界面附近区域岩体的力学性能。因此,开展粒径对非完整破碎岩体力学试验研究,对控制地下硐室围岩的稳定性具有重要的指导意义。目前,国内外学者主要侧重于对完全破碎岩体的力学试验研究。郭禹希等1利用自主设计的岩石压实仪对破碎岩石进行了压缩试验,分析了块径、压实应力对碎石压实力学特性的影响。张俊文等2研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,开展了轴向分级加载试验以分析不同粒径岩石承压后的力学性质与变形特征。赵奎等3探讨了粒径组成对类岩石三点弯曲受拉破坏的影响规律。张天军等4揭示了三轴应力下不同粒径破碎砂岩的有效应力与渗流速度的内在机理。张村等5通过室内试验与数值模拟,发现破碎煤岩体尺寸越大,破碎煤岩体之间的接触应力越小。冯梅梅等6研究了满足连续级配的饱和破碎岩石压实特性,建立了一种反映颗粒粒径分布变化的破碎岩石应力 应变关系。潘锐等7为了获得巷道浅层破碎围岩锚注加固承载特性,开展了不同粒径岩体在无锚情况下的承载力学试验研究。邓朝福等8利用MT S 8 1 5F l e xT e s tG T岩石力学试验系统及声发射(A E)三维定位实时监测系统,对4种不同粒径北山花岗岩进行断裂韧度试验,系统研究了不同粒度北山花岗岩的断裂力学行为及声发射特征。综上所述,学者们对破碎岩石进行了大量试验来研究不同粒径对岩体力学性质的影响,较少考虑粒径对破碎区和完整区交界处岩体力学性质的影响。因此,本文基于现场实际情况制作了非完整破碎岩石试件来模拟完整区与破碎区交界处的岩体,开展了单轴压缩条件下粒径对非完整破碎岩体力学试验,分析了粒径对非完整破碎岩体强度、声发射以及破坏特征的影响规律。1 试验准备及试验过程1.1 试验步骤(1)制备不同粒径的规格为1 5 0mm 1 5 0mm1 5 0mm正方立体的非完整破碎岩石试件(见图1)。(2)将制作好的试件进行单轴压缩试验,对试件I S S N1 6 7 1 2 9 0 0C N4 3 1 3 4 7/T D采矿技术 第2 3卷 第3期M i n i n gT e c h n o l o g y,V o l.2 3,N o.32 0 2 3年5月M a y.2 0 2 3图1 非完整破碎岩石试件剖面图施加轴向应力,加载方式设定为位移加载方式,加载速率设定为0.0 5mm/s,直至试件失稳破坏。(3)使用RMT试验机的计算机收集试件的基础力学参数及应力 应变曲线,使用A E声发射检测仪检测试件的声发射响应特征,通过实验室高速摄像机记录试件从开始加载到变形破坏的过程。(4)对得到的数据进行处理,研究不同粒径煤矸石对非完整破碎岩石试件力学性质的影响。1.2 试件制备基于岩石力学相似模拟试验91 0,该试验以水泥、石英砂、水为相似模拟材料,配以煤矿现场取样的煤矸石,模型材料配比为:水泥石英砂水=2 6 1(质量比)。将煤矿现场带回的煤矸石破碎,用8 2 0mm四个范围的网筛将煤矸石分别筛选出4种不同粒径范围的煤矸石块。(1)按照水泥石英砂水=261(质量比)的相似模拟比例完成胶结材料的制作,再将一半的胶结材料加入预定质量和粒径的煤矸石。(2)在模具内壁均匀地刷一层润滑油,推动中间移动板移动到模具正中间位置,将不加煤矸石的胶结材料灌注一边,用锤子压实砸平。再将加了煤矸石的胶结材料灌注到另一边,用锤子压实,用小抹刀将表面抹平。(3)试件制作完成后,在2 0、9 5%的相对湿度和大气环境静置2 4h,待试件定型后进行脱模处理,如图2所示,脱模完成后对合格的试件养护2 8d。1.3 试验方法及过程(1)调试试验系统。打开液压源,启动计算机,液压源用手动控制器上的按键操作启动液压源后,先在低压状态下运行5m i n。(2)安装应变片及连接应变仪。将试件端部表图2 试件脱模面擦拭干净,涂抹黄油,防止端部效应。将试件贴上应变片。应变片规格为1 2 0-2 0 A A,灵敏度为2.01%,基底尺寸为2 4.5mm5.0mm,丝栅尺寸为2 0.0mm 4.0mm,电阻为1 2 0。将试件以完整区朝上,破碎区朝下的姿态放置于加载平台上,将应变片与应变仪连接。在笔记本电脑上观察应变片连接通道是否正常,确认正常后,点击平衡清零,准备横向应变的测量。(3)安装并调试声发射设备。用砂纸将试样打磨光滑平整,将A B胶涂抹在声发射探头表面,将探头紧贴试样表面,在探头底部周围滴入少量的5 0 2胶水使探头更加牢固地贴紧试样。在另外一台笔记本电脑上打开A E声发射测量软件,用扳手轻轻敲击试件表面,观察显示屏中声发射信号是否及时响应,若A E信号及时响应,则完成A E设备的调试工作。(4)开始试验。进入RMT试验机操作系统,选择加载方式为行程(大)加载,设定加载速率为0.0 1mm/s,最大位移量设定为2 0mm,最大轴向压力为1 0 0 0k N,设定试样的尺寸,点击预加载按钮,使加载压头下降至与试件表面垫板完全紧密贴合。再次在应变仪连接的P C端点击平衡清零,同时点击操作系统的运行按钮、应变仪和声发射的测量按钮,进行加载试验。(5)结束试验。轴向加载至试样破坏,同时停止操作系统、应变仪和声发射系统的测量,将高压模式调至低压模式,储存数据,使用高清摄像机对试件变形破坏的样貌进行拍摄记录。2 粒径对岩体力学性质的影响2.1 应力 应变曲线分析试验结束后,将RMT 1 5 0 C试验机所采集的数93徐越洋,等:粒径对非完整破碎岩体力学性质影响试验研究据进行整理分析,得出8 1 1mm、1 1 1 4mm、1 4 1 7mm、1 7 2 0mm粒径试件的应力 应变曲线如图3所示。图3 不同粒径试件应力 应变曲线通过分析图8试件单轴压缩应力 应变的变化趋势可以发现,试件的应力峰值随着粒径的增大而减小。粒径为8 1 1mm、1 1 1 4mm、1 4 1 7mm、1 72 0 mm试件的应力峰值分别对应A点的1 3.6 6M P a、B点 的1 2.9 1 M P a、C点 的1 2.9 0M P a、D点的9.7 9M P a。试件的应力值下降速度随着粒径的增大而减缓。当试件粒径较小(8 1 1mm)时,在应力峰值A点后的残余承载阶段,应变从1.6 91 0-2增大为6.8 3 1 0-2时,应力值迅速下降为1.9 0M P a;粒径较大(1 72 0mm)时,应变从3.0 81 0-2增大至6.5 3 7 1 0-2的过程中,应力值由9.7 9M P a下降为2.3 4M P a。2.2 声发射响应结果分析声发射计数及能量累计数可以反映岩石裂隙的发育情况,声发射计数反映声发射信号幅度的大小,能量累计数反映声发射能量的大小。单轴压缩加载下,4种不同粒径(81 1mm、1 11 4 mm、1 41 7 mm、1 72 0 mm对应的编号分别为L J-0 1、L J-0 2、L J-0 3、L J-0 4)试件的典型应力应变、声发射计数、能量累计数的综合曲线如图4所示。(a)L J-0 1(b)L J-0 2(c)L J-0 3(d)L J-0 4图4 应力 应变、声发射计数、能量累计数的综合曲线04采矿技术2 0 2 3,2 3(3)(1)应力峰值前,L G-0 3试件第一阶段声发射计数及能量均处于较低的水平,L G-0 1、L G-0 2、L G-0 4第一阶段则产生较多的声发射计数、能量。(2)L G-0 1、L G-0 3试件,在加载至应力峰值A点、C点附近时,出现声发射计数及能量累计数突增的现象,同样验证试样在应力峰值后裂隙快速扩张。由于试件一半为破碎区一半为非破碎区,当单轴加载至应力峰值时,某些试件不会完全处于裂隙扩张最快的阶段,因此,能量累计数会在应力峰值之后到达峰值。由于L G-0 2、L G-0 4试样在B点、D点前的第一阶段产生较多的声发射事件及能量响应,说明在峰值前裂隙发育丰富。(3)对比L G-0 1、L G-0 2、L G-0 3、L G-0 4试件的应力峰值前第一阶段的能量与峰值后第二阶段的能量可以发现:由于裂隙发育引起的声发射计数主要集中在应力峰值(1 0 1 5M P a)前第一阶段,随着粒径增大,应力峰值后第二阶段的声发射计数随一开始的1 1 04一直增加到3 6 0 1 04,说明在应力峰值后裂隙发育也比较丰富。2.3 变形破坏特征分析为研究不同粒径试件变形破坏特征及试件在轴向加载过程中裂隙扩张发展规律,在试验过程中把初始状态、加载完成后的裂隙扩展情况进行文字记录,并进行对比分析。(1)L J-0 1试件。加载至1 0 9s时试件初现裂隙,应力为1 1.2 3M P a。加载至2 5 7s时,轴向应力加载至最大,应力峰值为1 3.6 6M P a。加载至2 6 3s时,主要宏观裂隙形成。加载至8 4 0s,试件完全破坏,应力变化趋向于零,加载完成,试件中心部分出现由于加载作用导致的试件部分脱落,试件破坏主要表现为拉伸破坏。(2)L J-0 2试件。加载至2 3 9s时试件初现裂隙,应力为1 2.6 0M P a。加载至2 4 6s时,轴向应力加载至最大,应力峰值为1 2.9 1M P a。加载至2 7 7s时,主要宏观裂隙形成。加载至9 0 0s,试件完全破坏,应力变化趋向于零,加载完成,试件破坏主要表现为剪切破坏。(3)L J-0 3试件。加载至2 0 6s时试件初现裂隙,应力为1 1.2 3M P a。加载至1 8 0s时,轴向应力加载至最大,应力峰值为1 2.9 0M P a。加载至3 0 6s时,主要宏观裂隙形成。加载至8 4 0s,试件完全破坏,应力变化趋向于零,加载完成,试件破坏主要表现为剪切破坏。(4)L J-0 4试件。加载至2 1 0s时试件初现裂隙,应力为8.1 6M P a。加载至4 6 4s时,轴向应力加载至最大,应力峰值为9.7 9M P a。加载至4 9 0s时,主要宏观裂隙形成。加载至8 2 7s,试件完全破坏,应力变化趋向于零,加载完成,试件破坏主要表现为剪切破坏。对比分析4种不同粒径试件的变形破坏特征可知,随着载荷的增加,首先在完整区段与破碎区段的连接部分出现微细裂隙,逐渐发展为宏观裂隙,影响着试样的破坏,粒径较小时以拉伸裂纹(见图5(a)为主,粒径较大时以剪切裂纹(见图5(b)为主。随着粒径的增大,试件的承载能力逐渐降低,在相同时间内,试件表现出的破坏形态更加彻底。拉伸裂纹的分布规律表明,试件的破坏