火災(zāi)等極端高溫下巖石高溫破壞機(jī)理探討

本文格式為Word版，下載可任意編輯——火災(zāi)等極端高溫下巖石高溫破壞機(jī)理探討煤礦發(fā)生火災(zāi)和瓦斯爆炸或隧道中發(fā)生火災(zāi)這樣的事件時(shí)有發(fā)生，一旦發(fā)生后，火災(zāi)影響范圍內(nèi)煤礦巷道圍巖受到高溫作用而發(fā)生松動(dòng)破碎等現(xiàn)象，隨時(shí)都有坍塌或塌方的危險(xiǎn)，嚴(yán)重影響到礦井內(nèi)人員的安全以及財(cái)產(chǎn)的安全。

巖石強(qiáng)度；溫度應(yīng)力；膨脹變形；強(qiáng)度退化；裂隙特征

1引言

處理高溫環(huán)境下或高溫后的巖石工程問題是巖石力學(xué)的新課題。高溫對(duì)巖石介質(zhì)的影響已在地質(zhì)、能源、土木等大量領(lǐng)域中被提出來。例如，地下煤的開采與瓦斯爆炸，煤炭開采過程中煤炭的自燃，各種硐室及地下工程在經(jīng)受火災(zāi)等事故后的重建，其周邊巖體均可經(jīng)歷一定的高溫作用，導(dǎo)致巖體工程結(jié)構(gòu)的安全性降低，為此需要對(duì)巖石高溫后的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究。

2地下煤炭開采研究現(xiàn)狀

因本課題源于煤炭地下開采問題的提出，下面先介紹煤炭地下開采的研究現(xiàn)狀。煤炭是21世紀(jì)的主要能源，煤炭開采方法一直是國(guó)內(nèi)外專家研究的重要內(nèi)容，現(xiàn)在煤炭開采的主要方法還是以地下采煤為主，這種采煤方法最大的弊端是工人要在地下作業(yè)，危險(xiǎn)系數(shù)十分高。我國(guó)產(chǎn)煤量占世界總產(chǎn)煤量的35%，穩(wěn)居世界原煤產(chǎn)量先進(jìn)行列，但是死亡人數(shù)卻占80%，為了降低人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，人們也在不斷研究新的煤炭開采方法。

3巖石的物理性質(zhì)

巖石是一種繁雜的自然介質(zhì)，是地球上最普通、最常見的一種脆性地質(zhì)材料。巖石是顆?；蚋鞣N礦物晶體相互膠結(jié)在一起的聚集體，其內(nèi)部存在大量的地質(zhì)缺陷，如斷層、節(jié)理、層理、裂紋、斷裂面、孔洞等，巖石中形成了各種微裂隙和微孔洞，因而巖石材料本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)就是存在大量的缺陷。巖石內(nèi)含各種礦物結(jié)晶成分，假使將礦物結(jié)晶的方向看作隨機(jī)分布，則巖的石性質(zhì)仍可認(rèn)為是各向同性的多相體。由于組成巖石的各種礦物結(jié)晶顆粒各自具有不同的熱膨脹系數(shù)，巖石受熱后，各種礦物顆粒的變形也不同。但是巖石是一種固體結(jié)構(gòu)性連續(xù)體，在溫度作用下，為了保持其變形的連續(xù)性，其內(nèi)部各種礦物顆粒無法按各自固有的熱膨脹系數(shù)隨溫度而自由變形，從而導(dǎo)致礦物顆粒之間產(chǎn)生約束，變形大的受到壓縮，變形小的受到拉伸，這就是熱應(yīng)力。由于它們熱膨脹或冷收縮的相互牽制會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，同時(shí)，由于熱膨脹失配機(jī)制線脹系數(shù)不同而導(dǎo)致樣品內(nèi)部變形不協(xié)調(diào)使原生微裂紋變得更大，在沖擊載荷作用下表現(xiàn)為與常溫狀態(tài)下不一樣的破碎特性。

4高溫對(duì)巖石工程的影響

研究高溫作用或高溫后的巖石工程問題是巖石力學(xué)的重要課題。在能源、地質(zhì)、土木等眾多工程領(lǐng)域中，地?zé)岬拈_發(fā)與利用、地下礦山和瓦斯爆炸、巖石地下工程災(zāi)后重建，周邊巖體均可能經(jīng)歷一定的高溫，這就需要考慮巖石在高溫作用下或高溫后的物理力學(xué)性質(zhì)。巖石工程結(jié)構(gòu)在高溫后的強(qiáng)度與變形特性成為工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。由于高溫后巖石的力學(xué)性能劣化，導(dǎo)致巖石工程結(jié)構(gòu)的安全性降低，因此需要對(duì)這類結(jié)構(gòu)進(jìn)行高溫后的損傷評(píng)估，以制定合理的鑒定、修復(fù)、加固及評(píng)價(jià)方案。為了進(jìn)行鑒定和修復(fù)，首先需要明確巖石在遭遇不同溫度作用后的力學(xué)性能，這對(duì)于火災(zāi)損傷結(jié)構(gòu)的全過程分析和提高巖體結(jié)構(gòu)的安全性具有重要意義。

巖體的破壞，尋常是由于內(nèi)部的微裂隙和微孔洞開裂、發(fā)展并最終相互貫穿，弄清巖體破壞失穩(wěn)的機(jī)理，無疑是能否正確評(píng)價(jià)巖體穩(wěn)定性的關(guān)鍵。近年來，隨著損傷力學(xué)、斷裂力學(xué)、滲流力學(xué)的引入和應(yīng)用，加快了裂隙巖體的研究進(jìn)展。

5高溫巖石熱膨脹性質(zhì)的研究

巖石在一定高溫作用下，會(huì)膨脹并產(chǎn)生熱膨脹應(yīng)力。不同的巖石膨脹系數(shù)不同，所產(chǎn)生的熱膨脹力存在很大差異。溫度的變化導(dǎo)致熱應(yīng)力的生成，溫度變化的周期性致使熱應(yīng)力具有交變性，在這種交變應(yīng)力作用下，邊坡淺部巖體的破壞表現(xiàn)出疲乏特征。有人采用隨機(jī)非均勻介質(zhì)熱彈性力學(xué)模型和有限元分析方法，僅考慮熱膨脹系數(shù)為隨機(jī)介質(zhì)，在平面應(yīng)變模型下，以花崗巖為樣本，進(jìn)行了巖石熱破碎的數(shù)值試驗(yàn)，對(duì)均勻分布、正態(tài)分布、韋泊分布等三種隨機(jī)分布下彈性模量和泊松比引起的巖石破碎門檻溫度值的變化作了詳細(xì)研究，透露了彈性模量和泊松比對(duì)巖石熱破碎門檻溫度值的變化規(guī)律。結(jié)果說明，兩種巖石隨著加熱時(shí)間延長(zhǎng)溫態(tài)熱膨脹力增大，最終趨于恒定，巖性對(duì)巖石溫態(tài)熱膨脹力有顯著影響。

6巖石的熱膨脹應(yīng)力

巖石在外力作用下要發(fā)生變形，從而在內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)變和應(yīng)力，但巖石的變形不僅僅由外力作用能夠引起，溫度的變化也能夠引起變形，稱為熱變形。另外，僅有溫度的變化在巖石內(nèi)部也不一定產(chǎn)生應(yīng)力，只有當(dāng)溫度變化所引起的膨脹或者收縮受到外界約束時(shí)，才會(huì)在巖石內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，即熱應(yīng)力。還有一種狀況是，在巖石內(nèi)部，假使溫度的分布是不均勻的，雖然巖石不受外界約束，但由于巖石內(nèi)部各處溫度不同，以及存在著溫度差，每一部分因受到不同溫度的相鄰部分的影響，不能自由膨脹或者收縮，也會(huì)在巖石內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力。巖石的熱膨脹性是指巖石受熱膨脹的性質(zhì)，巖石受熱膨脹時(shí)，若受到周邊巖體的約束，對(duì)巖石熱膨脹變形的約束力的大小就是巖石對(duì)外表現(xiàn)出的宏觀熱膨脹力的大小。巖石所受約束條件不同，其相應(yīng)的膨脹應(yīng)力大小也不同。

7主要結(jié)論

在煤炭地下氣化、礦下煤與瓦斯爆炸、地?zé)豳Y源開發(fā)等領(lǐng)域，周邊巷道巖體都有可能承受一定的高溫作用，工程圍巖受高溫后的力學(xué)性質(zhì)和力學(xué)行為的變化規(guī)律對(duì)巖土工程設(shè)計(jì)、數(shù)值分析及長(zhǎng)期安全性預(yù)計(jì)具有決定性作用，是急需要解決的力學(xué)問題。本文結(jié)合地下煤炭巷道圍巖在火災(zāi)或極端高溫過程中具有多個(gè)自由面處于高溫環(huán)境下的事實(shí)，選取煤層頂板石灰?guī)r和砂巖為研究對(duì)象，研究了單、雙向約束和無約束及高溫作用條件下石灰?guī)r和砂巖的微觀結(jié)構(gòu)、膨脹應(yīng)力和力學(xué)性質(zhì)變化的規(guī)律，該研究可以為煤炭地下開采等工程提供高溫巖石力學(xué)基礎(chǔ)，其研究成果也對(duì)經(jīng)歷高溫的其他工程結(jié)構(gòu)及部分火災(zāi)損傷結(jié)構(gòu)的全過程分析和提高巖體安全性具有參考價(jià)值，主要研究成果與結(jié)論如下：

通過高溫單向約束試驗(yàn)研究了石灰?guī)r和砂巖膨脹應(yīng)力的變化規(guī)律，分析了膨脹應(yīng)力變化的原因，升溫過程中，隨著溫度升高，石灰?guī)r和砂巖試件的膨脹應(yīng)力逐漸增大，膨脹應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線呈分段線性變化，整體上呈二次拋物線變化，砂巖膨脹應(yīng)力與溫度的曲線斜率比石灰?guī)r的大，說明砂巖溫度敏感性比石灰?guī)r明顯。恒溫過程中，根據(jù)試驗(yàn)研究說明石灰?guī)r和砂巖膨脹應(yīng)力的變化浮現(xiàn)各向異性特征，垂直層理方向的膨脹應(yīng)力大于平行層理方向的膨脹應(yīng)力，導(dǎo)熱系數(shù)、導(dǎo)溫系數(shù)和膨脹系數(shù)是影響巖石各向異性膨脹的主要因素，另外還與石灰?guī)r和砂巖的層理結(jié)構(gòu)特征、礦物顆粒本身各向異性及其微觀結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。在經(jīng)受高溫作用過程中，石灰?guī)r和砂巖試件膨脹應(yīng)力變化經(jīng)歷了3個(gè)階段：升溫膨脹應(yīng)力增加階段、恒溫膨脹應(yīng)力增大階段、膨脹應(yīng)力穩(wěn)定階段。

8終止語(yǔ)