深部巖體中的超低摩擦效應(yīng)研究

深部巖體中的超低摩擦效應(yīng)研究

近年來，隨著我國(guó)煤炭資源的日益匱乏，越來越多的煤礦進(jìn)入深部開采，深部巖體工程動(dòng)態(tài)現(xiàn)象具有新的科學(xué)特征。這些特征與扁平巖石工程的設(shè)計(jì)特征具有完全不同的特點(diǎn)。用傳統(tǒng)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論無法很好地解釋，因此引起了國(guó)際巖石力學(xué)專家的高度關(guān)注，并成為研究該領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。俄羅斯科學(xué)研究院西伯利亞分會(huì)礦產(chǎn)資源研究所的kreina和oparan首次提出了巖石摩擦的概念。這兩位科學(xué)家認(rèn)為，當(dāng)動(dòng)態(tài)脈沖影響巖石介質(zhì)時(shí)，在一定程度上，兩個(gè)相鄰的兩個(gè)相鄰顆粒之間存在摩擦的“消失”效應(yīng)，這解釋了結(jié)構(gòu)中現(xiàn)有波的機(jī)械性。同時(shí)，他們還指出，力的變化主要是由于結(jié)構(gòu)中有效粗糙度的降低。實(shí)驗(yàn)證實(shí)了低摩擦現(xiàn)象的存在。如圖1所示。利用電子磁體1對(duì)模塊進(jìn)行靜載，用電磁體2對(duì)模塊3進(jìn)行垂直的靜載荷，并使用微位移傳感器測(cè)量模塊的水平位移，以獲得結(jié)構(gòu)中的水平位移與水平負(fù)荷之間的關(guān)系（圖2所示）。3.從圖3可以看出，具有規(guī)律的延遲間隔內(nèi)的臺(tái)階差異（軸的*）。從圖3可以看出，每個(gè)相位對(duì)應(yīng)于較大的位移變化。這種位移的突然增加是由于接觸面上的摩擦減少。這證明了巖體中的低摩擦現(xiàn)象。巖體超低摩擦效應(yīng)是指當(dāng)動(dòng)力沖量作用于巖塊系統(tǒng)時(shí),由于巖體(或巖塊系)的振動(dòng)導(dǎo)致巖石間的相對(duì)壓緊程度隨時(shí)間變化的效應(yīng).可以設(shè)想,在某個(gè)時(shí)刻,當(dāng)巖塊之間相對(duì)疏松時(shí),巖石間的摩擦力和摩擦系數(shù)會(huì)大大降低(降低達(dá)數(shù)倍),甚至降為零.由于摩擦系數(shù)的降低,平衡的約束條件被破壞,巖塊系的臨界平衡條件變化導(dǎo)致巖塊的運(yùn)動(dòng).國(guó)內(nèi),2005年錢七虎院士在香山科學(xué)會(huì)議“深部地下空間開發(fā)中的關(guān)鍵科學(xué)問題”報(bào)告中就指出了巖體塊系構(gòu)造中存在超低摩擦現(xiàn)象;同年王明洋教授對(duì)巖體超低摩擦效應(yīng)進(jìn)行了研究,得到了在具有構(gòu)造等級(jí)的深部巖體介質(zhì)的變形過程中,儲(chǔ)能及返還性狀與介質(zhì)變形的摩擦系數(shù)有主要關(guān)系,并利用塊體動(dòng)力模型研究表明:塊體界面的動(dòng)力變形與穩(wěn)定性的影響效應(yīng)規(guī)律與塊體界面體變能及塊體大小密切相關(guān),而且超低摩擦現(xiàn)象機(jī)理也與此密切相關(guān);2007年王洪亮采用俄羅斯專家力學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并通過理論分析和數(shù)值計(jì)算,得到了與俄羅斯專家相一致的結(jié)論,從而驗(yàn)證了巖體超低摩擦效應(yīng)的存在.由于深部開采條件下超低摩擦效應(yīng)與沖擊地壓、礦震、地震等密切相關(guān),因此對(duì)其開展研究迫在眉睫.本文在前人實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上力圖另辟蹊徑,自主設(shè)計(jì)巖體超低摩擦模擬實(shí)驗(yàn),利用臥式雙向加載伺服試驗(yàn)機(jī),考察巖石試樣接觸界面處應(yīng)力變化特征,得到其應(yīng)力與加載時(shí)間的關(guān)系曲線,期間分別對(duì)其施加垂直向微小擾動(dòng)和水平向微小擾動(dòng),以觀察巖石試樣接觸面應(yīng)力降變化規(guī)律,從而確定產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng)的主要影響因素.1煤巖體超導(dǎo)體的滑動(dòng)特性超低摩擦現(xiàn)象主要存在于地震、煤層突出和沖擊地壓之中.2005年3月印度尼西亞發(fā)生地震,這是繼2004年年底大地震之后的又一次大地震.科學(xué)院院士、國(guó)家地震局研究員陳運(yùn)泰指出:地震就是地下巖石的破裂,這跟破裂的性質(zhì)、摩擦的性質(zhì)關(guān)系密切.因而要解決地震預(yù)報(bào)的問題,就要解決地下巖石摩擦的問題,而測(cè)定巖石摩擦力的實(shí)驗(yàn)是復(fù)雜的.現(xiàn)在,這個(gè)困難已經(jīng)克服.在一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中,研究人員將石英巖和花崗巖樣品置于一臺(tái)旋轉(zhuǎn)剪切儀上,使其具有持續(xù)的滑動(dòng)速度.結(jié)果表明,石英巖的摩擦力對(duì)滑動(dòng)速度的依賴急劇變化到1mm/s之上.摩擦力隨速度降低而降低的情況是這樣的:在發(fā)生地震時(shí)的滑動(dòng)速度上,該數(shù)值基本為零.煤層突出主要表現(xiàn)為整體平動(dòng)突出,尤其是在頂?shù)装鍨閹r石的深采煤層巷道中更易發(fā)生.由于深部煤層積聚了大量的變形能,同時(shí)在受到采動(dòng)的影響下,煤層和頂?shù)装彘g的摩擦不斷減小,煤層內(nèi)部裂紋也不斷發(fā)展貫通.在外界擾動(dòng)的影響下,摩擦將由靜摩擦變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦,煤層所受的夾持作用瞬間減弱甚至消失,煤層和頂?shù)装逑到y(tǒng)出現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn),煤巖體內(nèi)儲(chǔ)存的彈性能瞬間釋放,煤層被擠入采掘空間,形成突然、猛烈的突出破壞.沖擊地壓通常是指在一定條件的高地應(yīng)力作用下,煤礦井巷或回采工作面周圍的煤巖體由于彈性能的瞬時(shí)釋放而產(chǎn)生破壞的礦井動(dòng)力現(xiàn)象.煤巖的層狀或弱層結(jié)構(gòu)是大量存在的,當(dāng)煤巖變形失穩(wěn)時(shí),煤層會(huì)沿頂?shù)装逯g產(chǎn)生水平方向的位移,煤巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)會(huì)因摩擦滑動(dòng)造成失穩(wěn)而產(chǎn)生沖擊地壓.煤層在受力過程中的剪脹作用,使煤壁表面煤體承受相當(dāng)大的拉應(yīng)力作用,這種拉應(yīng)力的大小受變形系統(tǒng)載荷、變形特性的影響,一旦形成失穩(wěn)條件,煤體就可能發(fā)生沖擊地壓.沖擊地壓?jiǎn)栴}與煤巖的摩擦和滑動(dòng)特性有密切的關(guān)系.綜上所述,巖體超低摩擦現(xiàn)象與地震、沖擊地壓、礦震等動(dòng)力災(zāi)害密切相關(guān),研究并揭示它們之間的關(guān)系將是廣大科技工作者的重點(diǎn).2擾動(dòng)方向?qū)佑|界面摩擦力的影響實(shí)驗(yàn)方法是科學(xué)研究的主要手段之一,為了考察巖體超低摩擦效應(yīng),設(shè)計(jì)了巖體超低摩擦效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)加載系統(tǒng)采用臥式雙向伺服壓力實(shí)驗(yàn)機(jī)(如圖4),以模擬巖體超低摩擦過程中水平向和垂直向載荷的作用.實(shí)驗(yàn)機(jī)雙向施加最大載荷為150t(伺服范圍120t),載荷控制精度為0.05%,位移控制范圍0～20mm,位移速率范圍0.05～50μm/s,位移控制精度為0.1μm/s.實(shí)驗(yàn)巖石試樣采用天然粉砂巖,試樣尺寸為300mm×300mm×50mm,以45°對(duì)角線切割巖石試樣以形成接觸界面,在接觸界面處布置應(yīng)力傳感器以考察巖樣接觸界面摩擦力作用,并于實(shí)驗(yàn)前對(duì)粉砂巖試樣進(jìn)行了物理力學(xué)參數(shù)測(cè)定,其彈性模量為15.8GPa,單軸抗壓強(qiáng)度為107MPa,泊松比為0.27.實(shí)驗(yàn)中設(shè)置了3個(gè)階段:無擾動(dòng)階段、垂直向擾動(dòng)作用階段和水平向擾動(dòng)作用階段,即對(duì)巖石試樣先后分別施加垂直向和水平向擾動(dòng),以考察擾動(dòng)方向?qū)佑|界面摩擦力的影響.首先在巖石試樣的垂直向和水平向以30kg/s的加載速率同時(shí)施加載荷作用(即雙向等壓狀態(tài)),至2600s時(shí)對(duì)巖石試樣垂直向施加微小擾動(dòng),加載時(shí)間至5800s時(shí)對(duì)巖石試樣水平向施加微小擾動(dòng),直至加載時(shí)間8300s時(shí)結(jié)束.這一過程中接觸界面處應(yīng)力與加載時(shí)間的關(guān)系變化曲線由記錄儀繪出(如圖5).由觀察實(shí)驗(yàn)得到的關(guān)系曲線圖和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn):1)無擾動(dòng)階段:即加載時(shí)間0～2600s階段,接觸界面處的應(yīng)力呈線性增加,應(yīng)力曲線為斜直線,加載時(shí)間與巖石試樣接觸界面處應(yīng)力為線性關(guān)系;2)垂直向擾動(dòng)作用階段:即加載時(shí)間2600～5800s階段,雙向加載的同時(shí)對(duì)巖石試樣施加垂直向微小擾動(dòng),應(yīng)力曲線呈鋸齒狀增加,這是由于擾動(dòng)影響應(yīng)力曲線出現(xiàn)了應(yīng)力降,且應(yīng)力降增加幅度具有不斷上升的趨勢(shì),但增加幅度并不大,說明垂直向擾動(dòng)導(dǎo)致的應(yīng)力降并不顯著,且應(yīng)力降持續(xù)時(shí)間短,一般為200s左右,稱之為小應(yīng)力降事件.此時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力降現(xiàn)象是由于巖石試樣間接觸界面處的摩擦力突然降低造成的,應(yīng)力降的幅度實(shí)際上反映了摩擦力降低的幅度;3)水平向擾動(dòng)作用階段:即加載時(shí)間5800～8300s階段,對(duì)巖石試樣施加了水平向微小擾動(dòng).從圖5可以看出,這一階段應(yīng)力降十分顯著,我們將明顯的應(yīng)力降稱之為大應(yīng)力降事件,因此共經(jīng)歷了5次大應(yīng)力降事件,且大應(yīng)力降幅度呈逐次增加趨勢(shì),分別為這階段初始應(yīng)力降的1.31,1.40,1.53,1.61倍.特別是在每個(gè)大應(yīng)力降事件之間還存在著小應(yīng)力降事件,且小應(yīng)力降事件次數(shù)具有逐漸增加的趨勢(shì).另一方面,大應(yīng)力降事件之間的時(shí)間間隔明顯呈增加趨勢(shì),分別為400,600,700和800s.以上現(xiàn)象表明:接觸界面處摩擦力呈不斷減小趨勢(shì),且這種趨勢(shì)在水平向擾動(dòng)下更加明顯和劇烈;4)在垂直向擾動(dòng)作用階段和水平向擾動(dòng)作用階段相交處,出現(xiàn)了第1次大應(yīng)力降事件,這是由于擾動(dòng)方向突然變化造成的.這實(shí)際上表明:水平向擾動(dòng)所導(dǎo)致的應(yīng)力降要比垂直向擾動(dòng)所導(dǎo)致的應(yīng)力降要大得多,因此在應(yīng)力曲線上表現(xiàn)為更劇烈的曲線下降,此時(shí)接觸界面處摩擦力急劇降低.由此得到如下結(jié)論:1)垂直向和水平向的擾動(dòng)將導(dǎo)致巖石試樣接觸界面處產(chǎn)生應(yīng)力降事件,而應(yīng)力降事件反映了接觸界面處的摩擦力降低,這實(shí)際上從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了巖體超低摩擦現(xiàn)象的存在.也就是說,深部巖體在微小擾動(dòng)下將會(huì)產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng);2)水平向擾動(dòng)是巖體產(chǎn)生超低摩擦效應(yīng)的主要因素.實(shí)驗(yàn)表明:垂直向擾動(dòng)產(chǎn)生小應(yīng)力降事件,引起應(yīng)力降幅度變化不大,應(yīng)力降持續(xù)時(shí)間短;水平向擾動(dòng)產(chǎn)生以大應(yīng)力降事件為主體,其中也包含小應(yīng)力降事件的應(yīng)力降,且應(yīng)力降幅度變化顯著,逐次增加,大應(yīng)力降事件持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),這說明在水平擾動(dòng)下接觸界面處摩擦力具有急劇減小的趨勢(shì).因此,我們認(rèn)為:減小水平擾動(dòng)將是有效抑制巖體超低摩擦效應(yīng)產(chǎn)生的主要措施之一.3對(duì)比巖體各段異構(gòu)反應(yīng)特性在闡述超低摩擦效應(yīng)在深部巖體中普遍存在的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了巖體超低摩擦效應(yīng)模擬實(shí)驗(yàn),通過在加載過程中分別施加垂直向擾動(dòng)和水平向擾動(dòng),得到了雙向加載條件下巖石試樣接觸界面應(yīng)力和加載時(shí)間的關(guān)系曲線,分析了無擾動(dòng)階段、垂直向擾動(dòng)