煤层顶板石灰岩和砂岩高温膨胀特性及力学特性的试验研究

摘要

在煤炭地下气化、矿下煤与瓦斯爆炸、地热资源开发等领域,周围岩体都可能经历一定的高温作用,工程围岩高温后的力学性质和力学行为的变化规律对岩土工程设计、数值分析及长期安全性预测具有决定性作用。本文结合煤炭地下气化炉围岩在气化过程中具有一个或两个自由面且处于高温环境下的事实,选取煤层顶板石灰岩和砂岩为研究对象,研究了单向约束、双向约束和无约束及高温作用条件下石灰岩和砂岩的纵波波速、微观结构、膨胀应力和力学性质的变化规律,建立了高温岩石的损伤统计本构关系模型,该研究可以为煤炭地下气化等工程提供高温岩石力学基础,其研究成果也对经历高温的其他工程结构及部分火灾损伤结构的全过程分析和提高岩体安全性具有参考价值。主要研究成果与结论如下:
　　 (1)通过对高温后石灰岩和砂岩进行超声波试验、能谱分析和电镜扫描试验,研究了高温后岩石纵波波速降低的原因、岩石的元素组成和微观结构特征,分析了岩石组成元素高温后的变化过程及岩石内裂隙的发展规律。
　　 (2)通过试验研究了高温单向约束条件下石灰岩和砂岩的膨胀应力变化规律,分析了膨胀应力变化的原因:升温过程中,随着温度升高,石灰岩和砂岩试件的膨胀应力逐渐增大。膨胀应力与温度的关系曲线呈分段线性变化,曲线整体呈二次抛物线变化；砂岩膨胀应力与温度的曲线斜率比石灰岩的大,说明砂岩温度敏感性比石灰岩明显。恒温过程中,600℃前的试验温度水平,石灰岩和砂岩的膨胀应力都随恒温时间的增加而增加。石灰岩和砂岩在600℃左右都达到了膨胀极限,但具体过程不同。岩石在高温下的膨胀应力变化是由于组成岩石的矿物在高温下发生膨胀、收缩、晶型转变、化学分解以及由这些因素形成空隙、裂隙等综合因素引起的。
　　 (3)通过试验研究了高温双向约束条件下石灰岩和砂岩的膨胀应力变化规律,并分析了膨胀应力各向异性变化的原因:升温过程中,随着温度的升高,600℃前石灰岩两个约束方向的膨胀应力逐渐增加,600℃后膨胀应力有减小趋势；700℃前砂岩两个约束方向的膨胀应力随着温度的升高逐渐增加,但600℃以后砂岩的膨胀应力增速减小；说明600℃～700℃是双向约束石灰岩和砂岩膨胀应力达到极限的温度区间。恒温一定时间后石灰岩和砂岩的膨胀应力都趋于该温度的一个稳定值。研究表明双向约束石灰岩和砂岩膨胀应力的变化呈现各向异性特征,垂直层理方向的膨胀应力大于平行层理方向的膨胀应力。高温过程中,石灰岩和砂岩试件的膨胀应力变化经历了3个阶段:升温膨胀应力增加阶段、恒温膨胀应力增大阶段、膨胀应力稳定阶段。
　　 (4)采用RMT-C岩石力学刚性试验机对高温后的石灰岩和砂岩进行了单轴压缩试验,研究总结了温度对岩石力学参数及破坏模式的影响,比较了三种试验条件下岩石力学参数的变化规律。分析认为,石灰岩和砂岩单轴压缩过程中应力应变曲线经历了压密、弹性、屈服、破坏四个阶段,温度越高,曲线右移趋势越明显,曲线斜率也明显减小。石灰岩和砂岩达到峰值强度后大多发生脆性破坏。在三种试验条件下石灰岩和砂岩的峰值应力、弹性模量、变形模量都随温度升高而降低,峰值应变随温度升高而增加,高温对岩石的强度有一定的弱化作用。
　　 (5)基于岩石的应变强度理论和岩石强度的随机统计分布假设,利用损伤力学理论,建立了考虑温度效应的岩石损伤统计本构关系模型,从而可以通过室温岩石的应力应变曲线来预测其它温度(600℃前)岩石的应力应变曲线。