文摘

岩体是地下工程的主要载体。许多岩石工程涉及到岩体开挖和深部岩体的温度随深度增加。研究环形煤矿砂岩的动态力学性能在不同温度下具有重要指导意义为矿山开挖和岩石工程设计和施工。研究的影响身体和动态力学特性的高温环形煤矿砂岩样品,样品的物理参数后,加热温度从25°C到500°C进行了测试,和动态分割测试在相同的加载条件下利用SHPB试验设备进行。研究结果表明,随着温度的上升,样本的数量增加,质量和密度降低,和物理参数的变化率的环形样品有点大于完整的样品;随着温度升高,动态抗拉强度先增加然后减少,有一个二次多项式与温度的关系;动态应变和平均应变速率降低,然后增加随着温度的增加,显示出与温度的二次多项式关系;环形的损伤程度和完整的样本变得更糟随着温度的提高,以及标本的片段增加显然在200°C。

1。介绍

目前,地下空间不断扩大和发展。浅矿产资源已经无法满足人类的需求,和深部开采已成为矿业发展的必然趋势。地下高温和强干扰加剧灾害频发的可能性深工程和预测的难度,和许多岩石的地质环境工程涉及高温后岩石的力学性能。岩体开挖常常需要在隧道、矿井隧道和地下洞室。开采深度的增加,深部岩体的温度也会增加,这可以达到几十甚至几百摄氏度。当岩石工程受到火灾、爆炸、和复杂的地热地质条件、岩石的力学特性后应考虑不同的温度。因此,环形的动态力学性能研究煤矿砂岩在不同温度下具有重要指导意义的岩石工程的安全生产和防灾。

国内外学者进行了大量的实验研究研究岩石在高温下的力学性能。在静态力学,你1]使用大理石样品用不同的内部直径进行常规三轴压缩试验时,内部孔隙压力是0和分析非均匀应力分布的影响在样品试样的承载能力和变形特征。肖et al。2)对岩石试件进行了单轴声发射实验有洞和分析岩石样品的力学性能之间的关系和孔的位置和直径。杨(3]分析了裂纹扩展过程的大理石在不同压力下进行单轴压缩试验样品与一个洞。丽安(4]对花岗岩进行了单轴和三轴压缩实验测试用不同孔径分析强度、变形和破坏特征,花岗岩块不同围压条件下进行测试。吴et al。5]对厚壁圆筒形石灰岩进行装卸测试样品在不同内部压力和破坏机理进行了分析样品在减压条件下的洞。朱et al。6]研究了孔隙核心距离和倾角对砂岩强度、变形特性和断裂演化过程进行单轴压缩实验与预制双圆孔板试验件。杜et al。7)实现单轴压缩实验与预制椭圆孔板砂岩样品,发现砂岩试件的强度和变形参数与漏洞减少而完整的砂岩。裂纹扩展过程描述从宏观的角度来看,没有从微观角度深入分析。Zhang et al。8]对大理石进行单轴压缩试验不同数量和直径的洞,发现样品的峰强度逐渐降低孔的数量和直径增加。苏et al。9)研究的力学特性和温度之间的关系进行细砂岩单轴压缩实验后样品高温从400°C到1000°C。杜et al。10]研究了花岗岩的力学性能随温度的变化规律,花岗岩圆柱形试件进行单轴压缩实验在室温和高温处理后从200°C到800°C。实验中使用的测试片不相同的岩石,岩石中的矿物成分不同,这可能会导致结果的偏差和色散。张(11]5级进行单轴压缩试验在不同加载速率下石灰石样品在200°C。朱et al。12)进行了单轴压缩实验测试块从室温到800°C和分析了变形、强度和断裂损伤性质的砂岩。赵(13]对脆性岩石进行单轴压缩实验与圆孔和研究脆性岩石的破裂演化过程与预制圆孔。陈(14)实现单轴压缩实验干燥和饱和岩石样本,分别研究了饱和水的影响完全盘的力学参数和岩石样本。

用动态力学,沙(15)模拟岩石的破坏过程环样品分析的影响内外直径之比和加载速率的岩石环样品在样品的失效形式。你(16)进行了巴西测试完整的分裂和环形标本不同内部直径的四个岩石,探讨水饱和度对岩石强度的影响。黄(17]巴西进行分割测试完好无损,多孔花岗岩圆盘试件在常温和高温处理后从150°C到900°C,研究机械性能和温度之间的关系。Zhang et al。18,19]巴西分割测试执行完整的盘和环形砂岩样品用不同的孔隙大小,内部和外部的比率的影响孔隙大小对岩石样品的力学性能和破坏特征进行了研究。温度变化对岩石力学性质的影响并没有参与进来。王等人。20.)进行了径向压缩试验的环形花岗岩温湿度循环条件下冷却环花岗岩在高温处理后从100°C到700°C和沉浸在水温从10°C到70°C进行维护。萍et al。21]利用SHPB试验设备进行冲击压缩实验石灰岩标本温度处理后从25°C到800°C在相同的加载条件下,和温度对动态力学参数的影响规律进行了分析。陈(22巴西)进行分割实验不同高温后砂岩样品,分析了砂岩在不同温度下的损伤演化机制。徐和刘23)研究动态力学参数的变化规律对大理石进行冲击压缩测试不同温度处理后25°C到1000°C。萍et al。24)进行冲击压缩实验煤矿巷道砂岩在不同温度和水浴处理分析水浴的影响在不同的温度下的身体和岩石的动态力学特性。杜et al。25)运营的红色砂岩样品和冲击压缩实验研究了干湿循环和样品的力学特性之间的关系。李等人。26)进行了静态和动态分割实验大理石环形样品不同的内部直径和分析之间的关系强度和内部直径外径的比值在不同加载率。

上述学者已经做了大量的实验研究探索岩石的静态力学特性与孔和后完整岩石的静态和动态力学特性的高温,但岩石的动态特性与孔在不同加热温度需要进一步研究。分析不同加热温度的影响在环形砂岩的物理和动态属性,环形的物理参数和完整的样品在正常温度和温度处理后从100°C到500°C测量之前和之后不同的温度。在相同的加载条件下,砂岩的动态分割测试样品后进行了不同加热温度采用SHPB试验设备。

2。样品制备和SHPB试验装置

2.1。标本处理

这个测试中使用的砂岩来自淮南城市Dingji煤矿。加强的对比实验中,所有样本都来自相同的石头。基于实验过程(27,28),完整的样品直径50毫米和25毫米的高度和环形样品与外部直径50毫米,高度为25毫米,内径10毫米的加工从同一块岩石。

2.2。试样加热

砂岩标本在箱式电阻炉中高温加热。首先,测试块之间有一定的差距,环形和完整的砂岩测试块均匀放置在炉。关闭炉门和热,直到达到指定的温度。温度设置点是100°C, 200°C, 300°C, 400°C,和500°C,分别和一群正常体温标本被添加为一个比较测试,一个完全6种温度梯度。为了加热标本均匀和有相同的内外温度场,标本被加热到设定温度,保持在一个恒定的温度为3 h。最后,关闭加热系统,让激烈的砂岩样品自然冷却炉正常温度,打开炉门,取出样品,并记录质量,直径,高度,和光圈的样本。

2.3。SHPB试验设备

国家重点实验室的SHPB试验设备采矿的响应和灾难预防和控制煤矿深处是用来进行动态分割测试环形和完整的砂岩样品在经历不同的温度。

这个实验设备包含一个入射杆、传动杆、控制棒,示波器记录器,超动态应变仪。在测试期间,使用回转式的子弹,子弹被推到相同的位置发射室管每次,每次和影响压力调整到0.3 Mpa,砂岩样品进行动态分割测试在相同的加载条件下,示例如图1。

3所示。样品在不同加热温度的基本物理特性

3.1。样品颜色的变化

环形砂岩样品的颜色变化后不同治疗温度如图2。

图2显示的颜色样品如果加热温度变化不明显低于200°C。当温度达到300°C时,砂岩表面的颜色开始变化,从gray-black红褐色。随着温度升高,颜色逐渐变化到深红褐色,利用标本轻轻脆的声音。

3.2。样本的基本物理参数

环的大小和质量和完整的砂岩标本后在正常温度和不同的温度测量。基本物理参数如表所示1和2。

3.3。试样体积、质量和密度的变化

试样的体积膨胀率的变化与温度图所示3。

图3显示两个标本的体积膨胀率随着温度提高。两个样本的体积并不显著受温度的影响,和体积膨胀率相对较小的100°C∼200°C,这可能是由于膨胀砂岩的矿物颗粒被加热时,占领初始微孔隙和微裂隙内的样本,因此,体积膨胀率相对较小。两个标本体积增加率的增长相对较快,如果温度超过200°C。随着温度的升高,样品的原始微孔隙和裂缝超过结构的热应力极限,和新微孔隙和微裂隙砂岩开始出现,导致相对较大的体积增加的样本。此外,环形试样的体积增加率略高于完整的试样。

体积膨胀率和温度之间的关系是一个二次多项式的形式,如以下公式所示: 在哪里V_T1和V_T2是环形的体积膨胀率和完整的标本,分别和T是治疗温度。

样品的质量损失率的变化与温度如图4。

图4显示两个标本的质量损失率上升的温度上升,以及标本的质量损失率大大增加,当温度上升从常温到300°C。当温度超过300°C,质量损失速率的增加相对较小。分析原因:当温度很低时,试样中的自由水和束缚水蒸发和逃避,当温度继续上升,试样的裂纹增长,结构恶化,和颗粒的分离碎片,导致样品的质量损失。

试样的质量损失率有二次多项式与加热温度的关系,如以下公式所示: 在哪里米_T1和米_T2是环形的质量损失率和完整的标本,分别和T加热温度。

标本的密度减速率的变化与温度图所示5。

图5表明,环形试样的密度减速率略大于完整的标本,和两个标本的密度减速率随着温度增加。两种标本的密度减速率大大增加,当温度变化从室温到300°C,如果温度超过300°C,两种标本的密度减速率增加相对较小。标本密度的减少是由于样品的质量和体积变化的影响下的温度。随着温度升高,样品的质量和体积增加,减少导致标本的密度下降。

标本密度下降率的增加作为温度的二次函数,如以下公式所示: 在哪里和是环形的密度下降率和完整的标本,分别和T是治疗温度。

3.4。样品的矿物组成和微观结构

x射线衍射和扫描电子显微镜实验进行SHPB冲击试验高温后砂岩在正常温度和碎片。典型的x射线衍射模式和SEM砂岩在不同温度下的照片所示的数字6和7。

图6表明,砂岩主要Quartz-SiO的组件₂,Kaolinite-Al₄(哦)₈(如果₄O₁₀),Albite-Na(硅铝合金₃O₈)和illite-K (₄如果₂O₉(哦)₃)在正常温度下,占29.5%,31.2%,14.0%,和25.3%,分别。Microcline-K(硅铝合金₃O₈)时形成的温度上升到200°C。砂岩的成分在500°C基本上是一样的,在正常的温度,但是内容是不同的。

图7表明有微孔隙和微裂隙砂岩在正常温度。当从常温加热温度上升到200°C,砂岩的矿物颗粒扩大加热时,占据主要的微孔隙和微裂隙内部测试,所以密实度和试样的内部结构是增强。当温度达到300°C时,主微孔隙和微裂隙砂岩试样超过结构的热应力极限,试样开始产生新的微裂隙。当温度继续上升,主裂缝和新砂岩裂缝扩展和连接,和更高的温度,更明显的裂缝出现,宏观动态力学性能恶化随着温度上升。

4所示。样品在不同温度下的动态分割力学特性

4.1。试样的动态应力-应变曲线

环形的动态应力-应变曲线和完整的砂岩样品在不同加热温度在相同的加载条件下给定的数据所示。

数据8和9表明,环形的动态应力-应变曲线和完整的标本基本上是相同的,但稍微不同的形状。动态应力-应变曲线的环形和完整测试块增加然后减少与动应变的崛起。随着温度增加,曲线的斜率增加首先,之后,它减少了在上升阶段的标本。在相同的温度下,环形样品的动态应力-应变曲线明显低于样品的完好无损。

4.2。动态抗拉强度的变化规则

动态抗拉强度之间的关系以及砂岩样品的加热温度图所示10。

图10显示两个标本的动态抗拉强度先增加,然后随温度的增长。两个样本的动态抗拉强度达到最大值在200°C。分析原因:样品加热后,扩大和内部矿物粒子填充初始微孔隙和微裂隙内样本,样本的密实度和内部结构增强,从而改善试样的抗拉强度。治疗温度不断上升,新的微裂隙发生在样本,承载能力降低,微裂隙增加,结构进一步削弱,试样的抗拉强度逐渐降低。环形试样的抗拉强度低于完整的试样的温度相同,表明预制孔的承载力降低砂岩标本。有一个二次多项式抗拉强度与温度之间的关系,如以下公式所示: 在哪里σ_T1和σ_T2环形的动态抗拉强度和完整的测试部分,分别和T加热温度。

4.3。样品的峰值应变的变化

样本的动态应变之间的关系和加热温度如图11。

图11显示两个标本的峰值应变降低首先,之后,它增加随着温度的提高。环形试样的峰值应变小于完整的样品在相同的温度。原因分析:在正常温度的范围到200°C,矿物粒子扩大加热后,一些主要裂隙封闭,和缺陷的数量和面积减少到一定程度上,使砂岩的动态应变样本显示一个下降的趋势。代理温度继续上升,新的微孔隙和微裂隙生成样本中,逐步扩大和增加,导致动态应变的增加。在200°C,环形和完整的样本的动态应变峰值达到最低,这是2.05×10⁻³和2.7×10⁻³,分别。环形的动态压力和完整的样品是3.13×10⁻³和4.68×10⁻³在500°C,分别是32%和49%高于室温。

试样的动态应变峰值温度的二次函数,如以下公式所示: 在哪里ε_T1和ε_T2环形的峰值应变和完整的样本,分别和T加热温度。

4.4。平均应变率的变化规律

之间的关系的平均应变率试样和治疗温度如图12。

图12表明这两个样本的平均应变率降低,然后增加温度提高。环形试样的平均应变率大于完整的试样在相同的温度条件下。环形和完整标本的平均应变率达到最低的值在200°C, 80.98年代⁻¹,77.65年代⁻¹,分别。分析原因:平均应变率随温度时压力测试中使用的相同的影响。正常温度范围- 200°C,试样的强度上升的温度增加和平均应变率也增加。当温度超过200°C,试样的强度随着温度的升高和降低的平均应变率也降低。有一个二次多项式的平均应变率和温度之间的关系,如以下公式所示: 在哪里和是环形的平均应变率和完整的标本,分别和T加热温度。

4.5。失效模式的标本

环形失效模式的影响和完整的样本在经历不同的温度图所示13。

从图可以看出13,失败的两个标本时变化不明显的温度上升25°C到200°C。如果温度超过200°C,这两个样本的损伤程度变得越来越严重随着温度的提高,和标本的碎片逐渐增加。分析原因:当温度上升从常温到200°C,砂岩矿物粒子扩大和填充标本的主要微裂隙,导致样品密度和提高样品的强度,从而减少故障程度的样本。当加热温度超过200°C,示例中的扩张压力变大,开始产生新的骨折。新主骨折和骨折砂岩扩大并连接,导致结构恶化和减少试样的强度,从而加重样品的损伤程度。

5。结论

(1)的总孔隙度砂岩试样随温度提高。微孔隙和小裂缝砂岩逐渐增加的温度上升。当温度超过200°C时,裂缝发展更全面,主裂缝和新砂岩裂缝扩展和连接,形成更大的裂缝,导致结构恶化。(2)随着温度上升,环形和完整的标本量的增加,而质量和密度减少。在室温到500°C,体积增加率,质量损失率,两种标本的密度减速率随着温度的上升增加和物理参数的变化率的环形样品略高于样品的完好无损。(3)环形的动态抗拉强度和增加完整的样品首先,之后,它会随着温度的提高和达到最大在200°C。环形试样的抗拉强度明显低于完整样品在相同的温度。(4)随着温度的提高,峰值应变和平均应变率的环形和完整的样品先降低,然后增加。环形试样的峰值应变小于完整的样品,和平均应变率大于完整的样品在相同的温度。(5)当温度上升时,环形的损伤程度和完整的样本的损伤程度增加和环形样品略小于完整的样品。在200°C之后,两个标本的碎片明显增加。

数据可用性

用来支持研究的数据都包含在本文。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突的出版。

确认

本研究获得金融支持中国的国家自然科学基金(批准号52074005和52074005),安徽省自然科学基金(批准号1808085 me134),安徽博士后科学基金(批准号2015 b058),安徽科技大学研究生创新基金项目(批准号2021 cx2032),和国家大学生创新创业训练计划(批准号202010361022)。由于是由于地下矿山建设的工程研究中心、教育部,安徽科技大学,国家重点实验室矿业响应和灾难预防和控制煤矿深处,提供实验条件。