高温后大理岩各向异性响应特征研究_梁鹏.pdf

高温后大理岩各向异性响应特征研究 梁鹏1， 2，张艳博1， 2，田宝柱1， 2，姚旭龙1， 2，孙林1， 2 1. 华北理工大学 矿业工程学院，河北 唐山 063009; 2. 河北省矿业开发与安全技术重点实验室，河北 唐山 063009 ［ 摘 要］通过对含层理大理岩开展经历不同温度后的纵波波速测试试验，分析高温作用后大 理岩纵波波速的变化规律，在此基础上探讨各向异性指数 平行与垂直层理方向波速比值的变化趋 势，研究温度对大理岩各向异性的影响规律。研究结果表明 经历高温后大理岩纵波波速下降，而且 随经历温度的升高，大理岩纵波波速持续降低; 大理岩纵波波速存在层理效应，主要表现为平行层理 方向的波速大于垂直层理方向波速，各向异性指数为 1. 11～1. 19;在 30～200℃范围内，大理岩各向 异性指数随温度呈现出两边低中间高的 “倒 U”形变化规律。研究成果在一定程度上反映了经历高温 后岩石各向异性的变化，为预测和评估高温工程围岩的长期稳定性和安全性提供理论基础。 ［ 关键词］高温; 大理岩; 各向异性; 纵波波速 ［ 中图分类号］ TD315［ 文献标识码］ A［ 文章编号］ 1006- 6225 201702- 0016- 04 Anisotropy Response Characters of Marble After High Temperature LIANG Peng1， 2，ZHANG Yan- bo1， 2，TIAN Bao- zhu1， 2，YAO Xu- long1， 2，SUN Lin1， 2 1. College of Mining Engineering，North China University of Science ＆ Technology，Tangshan 063009，China; 2. Hebei Province Key Laboratory of Mine Development and Safety Technology，Tangshan 063009，China Abstract Longitudinal wave velocity test after different temperature of marble with bedding were done，the transation law of mar- ble longitudinal wave velocity variation after high temperature，anisotropy index wave velocity specific value in parallel and vertical direction of bedding were discussed based on it. The influence law that temperature to marble were studied. The results showed that marble longitudinal wave velocity decreased after high temperature，and with temperature increased，marble longitudinal wave velocity decreased continue，bedding effect appeared for marble longitudinal wave velocity，the wave velocity along parallel direction was larger than along vertical direction，anisotropy index was 1. 11- 1. 29，during temperature scope 30 ～ 200℃，marble anisotropy index ap- peared‘reverse U’change law with temperature changed. The results reflected rock anisotropy variation after high temperature in some degree，it provided theory base for surrounding rock stability and safety of high temperature project. Key words high temperature; marble; anisotropy; longitudinal wave velocity ［ 收稿日期］ 2016－08－16［ DOI］ 10. 13532/j. cnki. cn11－3677/td. 2017. 02. 004 ［ 基金项目］ 国家自然科学基金项目 51374088，51574102 ; 河北省高等学校科学技术研究项目 QN2016124，QN2016125 ;华北理工大 学青年科学基金项目 Z201501，Z201315 ［ 作者简介］ 梁鹏 1987－ ，男，河南南阳人，助教，从事采矿工程与岩土工程方面的研究工作。 ［ 引用格式］ 梁鹏，张艳博，田宝柱，等 . 高温后大理岩各向异性响应特征研究 ［ J］ ． 煤矿开采，2017，22 2 15－18，4. 近年来，由于浅部资源的枯竭，许多矿山陆续 转为深井开采，随着开采深度的增加，地温也不断 升高，特别是在上千米的深部采场，岩层温度将达 到摄氏几十度甚至上百度。据统计，目前国内外已 有上百座矿山开采深度达到 1000m 以下，在数千 米的深井中，温度高达 60 ～ 70℃，这种高温环境 下，岩石表现出与浅部截然不同的力学特性 ［1－2 ］。 此外，地下岩石温度是影响岩石力学特性的重要因 素之一，处理高温环境下或高温后的岩石工程问题 是岩石力学的新课题。 弹性波速测试法在岩体物理力学特性测定、施 工前后工程岩体的评价等方面都取得了良好的效 果 ［3 ］。在岩石工程中，纵波波速能够表征岩石的 力学性质，波速的高低及变化过程被看成是岩石完 整性及其内部物理力学性质变化的反映。关于温度 对岩石纵波波速的影响，学者们也开展了大量的研 究。早期研究中，Somerton［4－5 ］发现露头砂岩在常 压下 经 过 800℃ 高 温 处 理 后，波 速 下 降 50。 Brann Johnson 等 ［6 ］研究发现 Sioux 石英和 Westely 花岗岩在二者热开裂阈值温度和相变温度之间，二 者纵波波速分别下降了 40和 80。夏小和等 ［7 ］ 对 100～800℃温度的大理岩进行超声波传播特性的 实验研究，发现岩样经历高温作用后，波速会显著 下降。杜守继等 ［8 ］分析了花岗岩经历不同高温后 的纵波波速，测试结果表明，经历高温后花岗岩的 纵波波速有不同程度地减少。闫治国等 ［9 ］对经受 不同高温后熔结凝灰岩、花岗岩及流纹状凝灰角砾 岩的波动特性进行了研究，结果表明，经历高温后 51 第 22 卷 第 2 期 总第 135 期 2017 年 4 月 煤矿开采 COAL MINING TECHNOLOGY Vol. 22No. 2 Series No. 135 April2017 ChaoXing 3 种岩石的纵波波速均有不同程度地降低。苏承东 等 ［10 ］研究高孔隙度粗砂岩经历 100～900℃ 高温后 波速随温度的变化规律，实验发现粗砂岩温度 100℃时，波速变化不明显，超过 100℃，波速随 温度大致成线性降低。 实际工程应用中，可以利用弹性波速确定岩体 力学参数，评价工程地质条件，而在上述研究中一 般认为岩体为均质体，忽视了弹性波在岩体中传播 特性的各向异性特征，导致岩体力学参数和工程地 质评价与实际工程存在误差。因此，探究弹性波波 速的各向异性，以及温度对波速各向异性的影响显 得尤为重要。 基于此，本文以含层理大理岩为主要研究对 象，开展大理岩经历不同温度后的纵波波速测试实 验，研究高温后大理岩的波速变化特性。在此基础 上，探讨纵波波速的各向异性特征，以及温度对纵 波波速各向异性的影响规律。以期从波速的角度来 丰富对岩石各向异性特征的认识，为预测和评估高 温工程围岩的长期稳定性和安全性，为火灾后岩体 工程结构的损伤评估及加固提供科学依据。 1试验过程 1. 1试样的选取与制备 选取山东莱州地区典型大理岩为研究对象，考 虑其各向异性的特点，在实验室制备平行层理岩 样。所有试件均取自同一岩块，将岩块制成 50mm 50mm100mm 的标准长方体试样，典型岩样照片 如图 1 所示。 图 1典型岩样照片 1. 2试验设备 试验加温设备采用上海一恒科技生产的 BPG－ 9140A 液晶微电脑控制精密鼓风干燥箱。箱内最高 温度可达 250℃，温度分辨率 0. 1℃，温度均匀度 小于 8℃。该设备可以实现对箱内温度的自动测 量、程序设定、指示及精确控制。 利用声发射监测系统的波速测试功能，可以对 岩石进行波速测试 ［11－12 ］，试验采用设备为美国物 理声学公司 PAC 生产的 PCI－2 型多通道声发射监 测仪。声发射仪测速原理 通过在试样表面安放 2 个传感器，一端发射脉冲信号，另一端接收信号， 由声发射测试系统记录时差 Δt，并利用已有的试 件长度 高度 ，即可计算试件的纵波波速。 1. 3试验方法 本次试验主要研究在温度不断变化的条件下， 岩样纵波波速的变化特性。试验方案依据目前人们 对地壳分层和地壳温度环境条件的认识来设计。按 照表 1［13－14 ］，以地震多发人类工程活动和资源开发 能够涉及的中上地壳温度环境条件为参考，设计试 验方案。为了比较完整地研究温度与波速的相关 性，选取 30 个岩样并分成 6 组，每组 5 个岩样， 开展大理岩经历30，50，75，100，150 和200℃后 的纵波波速测试试验。 表 1地壳不同深度温度和压力水平 地壳深度温度水平/℃压力水平/MPa 浅表地壳常温 10～50低压 0. 1～3. 0 浅层地壳中温 50～100中压 3. 0～100 中、上地壳次高温 100～500次高压 100～300 中、下地壳高温 500～1000高压 300～1000 首先对每一组试件均以 4℃ /min 的升温速度升 到设定温度后，再恒温 4h，保证试件内外温度达 到一致，然后在干燥箱内冷却到常温，制成经历不 同温度后的大理岩试样。随后采用声发射仪开展大 理岩纵波波速测试试验，声发射传感器为 R6 型 谐振式 高 灵 敏 度 传 感 器，其 工 作 频 率 为 35 ～ 100kHz，传感器与试样之间涂上凡士林，增强二 者耦合性，减少信号的衰减。为了探讨纵波波速的 各向异性，本次实验选用 4 个声发射传感器，均匀 对称分布在试样 4 个面上，将各个传感器依次作为 脉冲波发射端，其余传感器作为接收端，根据传播 时差和传播距离即可算出各个方向上的纵波波速， 传感器布置及不同方向上波速的传播路径见图 2。 图 2波速测试传感器布置 2经历不同温度后大理岩纵波波速变化特征 本文主要从总体平均波速，平行于层理方向波 61 总第 135 期煤矿开采2017 年第 2 期 ChaoXing 速和垂直于层理方向波速 3 个方面，探讨温度对大 理岩纵波波速的影响。总体平均波速 v总为任意 2 个传感器之间测得所有波速的平均值。平行层理波 速 vbp为试样两端沿着层理方向上 2 个传感器所测 得波速;垂直层理波速 vbv为试样垂直于层理方向 上 2 个传感器所测得波速。根据上述波速计算方 法，探讨温度对大理岩纵波波速的影响规律。 2. 1总体平均波速变化特征 大理岩总体波速随温度变化曲线如图 3 所示。 图 3总体平均波速与温度的关系 从图 3 中可以看出，随着经历温度的升高，大 理岩总体平均波速逐渐降低，整体变化趋势可以分 为 3 个阶段 1温度为 30℃ 时，大理岩纵波总体平均波 速为 5436. 848m/s，温度达到 50℃时，波速降低幅 度为 3. 7。 2温度超过 50℃，经过 75℃，达到 100℃， 直线斜率绝对值逐渐增加，纵波波速迅速下降，总 体平均纵波波速为 3955. 807m/s，以 30℃ 为基准， 降低的幅度达到 27。 3温度超过 100℃，直到 200℃，纵波波速 持续降低，同样以 30℃ 为基准，降低幅度达到 32，但直线斜率绝对值变小，纵波波速呈现出缓 慢降低的趋势。 上述情况表明，温度对花岗岩纵波波速具有非 常明显的影响，表现为经历高温后纵波波速下降， 而且随经历温度的升高，纵波波速呈持续降低趋 势。 2. 2平行和垂直层理方向波速变化特征 经过不同温度后大理岩平行、垂直于层理方向 纵波波速随温度的变化情况见图 4。深入分析图 4 中数据可以发现，大理岩纵波平行、垂直于层理方 向波速以及二者和温度的关系存在着明显的差异 性。 从变化趋势上来看，平行和垂直于层理方向波 速均随着经历温度的升高而降低，呈现出和总体平 均波速近似相同的变化趋势。整个过程可以分为 3 图 4平行、垂直于层理方向波速与温度的关系 个阶段 1温度低于 50℃ 时，两个方向上的波速缓 慢降低。 2从 50℃ 到 100℃，两个方向上的波速急 速下降。 3从 100℃到 200℃，两个方向上的波速又 呈现出缓慢降低的趋势。 通过分析可以发现，随着大理岩经历温度的增 加，大理岩纵波波速呈现非线性变化趋势，总体平 均波速、平行层理和垂直层理的波速变化规律基本 一致，表现为经历高温后纵波波速下降，而且随经 历温度的升高，纵波波速呈持续降低的趋势。 高温后大理岩纵波波速下降的原因概括如 下 ［15 ］ 一方面高温处理后，大理岩内部失水，失 水导致岩石内部孔隙率增大，孔隙率越大，对波传 播的阻碍作用越大，波速就越小; 另一方面岩石往 往不是完全弹性的，当波在岩石中传播时，就会有 一部分机械能转化为热能，在这种转变过程中的各 种机制统称为内摩擦 ［16 ］。 大理岩经历高温后，由于各种矿物成分受热后 产生不同程度地膨胀，导致矿物颗粒边界裂纹出 现、发展和贯通，原生裂缝的扩展和产生的新裂缝 使得声波在岩石中传播时传播路径错综复杂，声波 会产生多次反射、折射作用。波传播过程会产生内 摩擦效应，耗散部分能量，波的传播能力减弱，导 致波速降低。 从波速数值来看，经历不同温度后，大理岩平 行于层理方向波速值均大于垂直于层理方向波速， 即纵波波速具有明显的层理特性。上述情况表明， 层理对于大理岩的纵波波速有较大影响，由于层理 的存在，使大理岩波速各向异性更明显，沿着层理 方向波速较大。利用上述规律，可以综合利用声波 资料进行岩体力学性能评价，对层理角度及发展方 向进行预测。从 2 条曲线斜率来看，在低于 100℃ 时，平行和垂直于层理方向波速变化曲线的斜率绝 对值近似相同; 100℃ 到 200℃ 时，两个方向上波 71 梁鹏等 高温后大理岩各向异性响应特征研究2017 年第 2 期 ChaoXing 速变化曲线明显不同，平行于层理方向波速变化曲 线的斜率绝对值较大，表明由于层理的存在和传播 路径的差异，温度对两个方向上的波速影响程度和 结果不尽相同，即温度对波速的各向异性有一定影 响。 3温度对大理岩波速各向异性的影响 为了定量评价温度对大理岩各向异性的影响， 定义各向异性指数 σ，σ 为平行于层理方向波速与 垂直于层理方向波速的比值，σ 值越大表明大理岩 各向异性越明显，反之，则越弱 ［17 ］。计算公式如 下 σ vbp vbv 1 式中， σ 为各向异性指数; vbp为平行于层理方向波 速; vbv为垂直层理方向波速。 图 5 为大理岩各向异性指数 σ 随温度变化曲 线。从图中可以看出，经历不同温度后大理岩各向 异性指数在 1. 11～1. 19 之间，其值均大于 1，说明 平行于层理方向波速大于垂直于层理方向，这和第 2. 2 小节部分内容分析一致。由于波速各向异性探 讨的是平行和垂直层理方向波速的相对大小，所以 波速各向异性的发育程度就可由各向异性指数 σ 相对于 1 的偏离程度来加以体现。从图中可以看 出，随着经历温度的增加，各向异性指数曲线近似 呈两边低中间高的 “倒 U”形变化规律。这表明 随着温度的增加，大理岩纵波波速各向异性指数 σ 先呈上升趋势，后出现转折性变化，呈逐渐降低趋 势，意味着随着温度的升高，大理岩各向异性先增 加后减小。波速各向异性指数与温度关系曲线的拟 合公式为 σ 810 －10 T4－310 －7 T3310 －5 T2 0. 0002T1. 1093，R20. 99，相关系数较高。 图 5各向异性指数 σ 和温度 T 的关系 文献 ［ 18］ 指出，由于岩石中矿物颗粒大小、 矿物热膨胀率和矿物热弹性性质存在差异，温度作 用后导致矿物颗粒的热膨胀性不同，进而产生颗粒 间或颗粒内部的拉或压应力及结构热应力。对于大 理岩而言，在较低的温度区间内，矿物颗粒受温度 作用后可能产生微膨胀，微膨胀产生的结构热应力 在一定程度上能够促使大理岩内部微小裂隙闭合， 裂隙间距变小，大理岩密实程度提高，其力学性质 得到强化，层理发挥的作用得到增强。层理作用增 强，致使对两个方向上波速的差异性增强，表现为 纵波波速在平行和垂直于层理方向上各向异性越明 显。当温度急速升高，由于矿物颗粒热膨胀特性存 在差异，致使热膨胀效应不均衡，随着温度的进一 步升高，这种不均衡的热膨胀效应加剧，产生的结 构热应力达到或超过大理岩的极限强度，在热应力 作用下大理岩内可能出现更多的微裂纹，同时微裂 纹也可能闭合形成大裂纹，宏观上就表现为大理岩 力学性质的劣化。在温度较高阶段，温度对大理岩 的力学性能具有减弱作用，层理产生的作用随之减 弱，这使两个方向上波速差异程度减小，波速的层 理效应随之降低。 4结论 1大理岩总体平均波速、平行层理和垂直 层理方向的波速变化规律基本一致，表现为经历高 温后纵波波速下降，随经历温度的升高，纵波波速 呈持续降低的趋势。 2大理岩纵波波速存在层理效应，层理对 平行于层理方向波速影响较小，对垂直于层理方向 波速影响较大。 3大理岩各向异性特征主要表现为在所 有温度水平，平行层理方向的波速均大于垂直层理 方向，约为垂直层理方向波速的 1. 11～1. 19 倍。 4大理岩各向异性指数随温度呈现出两边 低中间高的 “倒 U”形变化规律，意味着随着温 度的升高，大理岩各向异性增加，温度继续增加， 大理岩各向异性会减小。 基于地震多发、人类工程活动和资源开发能够 涉及的中上地壳温度环境条件，发现随温度升高， 大理岩各向异性程度增加，但超过某一温度值，大 理岩各向异性程度降低，实验结果可以为分析人类 工程活动中不同温度环境条件下大理岩各向异性问 题提供一定的参考。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 钱七虎 . 深部岩体工程响应的特征科学现象及 “深部”的界 定 ［ J］ ． 东华理工学院学报，2004，27 1 1－5. 下转 4 页 81 总第 135 期煤矿开采2017 年第 2 期 ChaoXing 然要求，井工煤矿智能化开发以信息化、数字化、 自动化为手段，以无人化开采为目标，必将有力推 动煤矿安全高效矿井建设 ［19 ］。但目前的智能化开 采技术整体上仍处于起步阶段，仅在条件较好的部 分矿区得到实现，还达不到严格意义上的智能化开 采水平。目前，以信息技术为代表的现代科学技术 日新月异，煤矿智能化开发技术装备必须固本拓 新，进一步攻克信息精准感知、设备智能控制以及 稳定性可靠性等方面的关键技术，全面提升煤矿智 能化开发技术装备水平，最终实现煤矿工作面开发 无人化。 ［ 参考文献］ ［ 1］ 谢和平，王金华，姜鹏飞，等 . 煤炭科学开采新理念与技术 变革研究 ［J］ . 中国工程科学，2015，17 9 36－41. ［ 2］ 王金华，黄曾华 . 中国煤矿智能开采科技创新与发展 ［J］ . 煤炭科学技术，2014，42 9 1－6，21. ［ 3］ 王国法，李占平，张金虎 . 互联网大采高工作面智能化升级 关键技术 ［J］ . 煤炭科学技术，2016，44 7 15－21. ［ 4］ 申宝宏，雷毅，刘见中，等 . 煤炭机械装备国内外技术现 状及发展展望 ［ J］ . 煤矿开采，2015，20 1 1－4. ［ 5］ 雷毅 . 新形势下煤矿安全科技面临的挑战及对策 ［J］ . 煤 矿开采，2016，21 3 143－146. ［ 6］ 刘志强 . 矿山竖井掘进机凿井工艺及技术参数 ［J］ . 煤炭科 学技术，2014，42 12 79－83. ［ 7］ 王创业，刘杰 . 补连塔煤矿 2辅运平硐 TBM 安全评价研究 ［ J］ . 内蒙古煤炭经济，2016 S2 15－16. ［ 8］ 王焱金，张建广，马昭 . 综掘装备技术研究现状及发展趋 势 ［ J］ . 煤炭科学技术，2015，43 11 87－90，21. ［ 9］ 张忠国 . 煤巷快速掘进系统的发展趋势与关键技术 ［J］ . 煤 炭科学技术，2016，44 1 55－60. ［ 10］ 马端志，王恩鹏，王彪谋 . 两柱大采高强力放顶煤支架的特 点与创新发展 ［J］ . 煤炭科学技术，2015，43 10 111－ 115. ［ 11］ 王金华，黄乐亭，李首滨，等 . 综采工作面智能化技术与装 备的发展 ［ J］ . 煤炭学报，2014，39 8 1418－1423. ［ 12］ 黄乐亭，黄曾华，张科学 . 大采高综采智能化工作面开采关 键技术研究 ［ J］ . 煤矿开采，2016，21 1 1－6. ［ 13］ 张良，李首滨，黄曾华，等 . 煤矿综采工作面无人化开采 的内涵与实现 ［J］ . 煤炭科学技术，2014，42 9 26－ 29，51. ［ 14］ 田成金 . 煤炭智能化开采模式和关键技术研究 ［ J］ . 工矿自 动化，2016，42 11 28－32. ［ 15］ 王洪磊，申婕，刘禹 . 煤矿立井 50t 提煤箕斗关键技术 研究 ［ J］ . 煤炭科学技术，2015，43 5 91－94. ［ 16］ 葛世荣 . 智能化采煤装备的关键技术 ［J］ . 煤炭科学技术， 2014，42 9 7－11. ［ 17］ 葛世荣，王忠宾，王世博 . 互联网采煤机智能化关键技术 研究 ［ J］ . 煤炭科学技术，2016，44 7 1－9. ［ 18］ 王国法 . 综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向 ［ J］ . 煤炭科学技术，2014，42 9 30－34，39. ［ 19］ 孙继平 . 煤矿信息化与智能化要求与关键技术 ［ J］ . 煤炭科 学技术，2014，42 9 22－25，71. ［责任编辑 李 青］ 檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 上接 18 页 ［ 2］ 何满潮，吕晓检，景海河 . 深部工程围岩特性及非线性动态 力学设计理念 ［J］ ． 岩石力学与工程学报，2002，21 8 1215－1224. ［ 3］ 赵平劳，姚增 . 层状岩石动静态力学参数相关性的各向异 性 ［J］． 兰州大学学报 自然科学版 ，1993，29 4 225 －229. ［4］ SOMERTON W H，MEHTA M M，DEAN G W. 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