2021-4-9 | 地质学论文
实验过程
1.采样和试件制备：试件采自北京门头沟区大台煤矿大台井田，为南大岭组变玄武岩，基性火成喷出岩，斑状或基质粗玄结构，灰绿或灰黑色，形成于中生代早侏罗系，距今180～200Ma。该层岩石赋存于急倾斜煤层底板，自地表以下近70°～80°倾角分布。分别从410，510，610，810和1010m这5个层位取试件进行了实验(见图1，略)。将以上岩样加工成3组适合扫描电镜下观测的三点弯曲试件：a组(不同埋深组，15个)，即中心预制一缺口，但试件埋深不同；b组(偏心单裂纹组，15个)，即玄武岩取自同一埋深410m，偏离中心距离1，2，3，4和6mm处分别预制一缺口；c组(偏心双裂纹组，15个)，与b组相似，但预制了2个缺口。采用中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室的带加载SEM实验系统的试件，尺寸为25mm×10mm×5mm(长×宽×高)的长方体。为了符合断裂力学测试标准[15]，预置了长5mm的缺口，采用最薄的刀片切割，切割后的缺口宽约0.4mm，缺口前端为半圆形。图2给出了试件及加载示意图。3组试件的编号原则如下：a组A–B中，A代表埋深，B代表试件号；b组410–pC–B中，C代表预置缺口偏离中心的距离，B代表试件号，p代表偏置(下同)，410代表410m埋深(下同)；c组410–spC–B，其中，C代表2条对称缺口偏离中心的距离，B代表试件号，s代表双缺口。试件加工情况表如表1所示（略）。
2.实验设备和加载模式：实验在中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室SEM全数字高温疲劳实验系统完成[11-14]。该套实验系统能进行静态扫描及实时在线观测荷载作用下材料的力学行为和表面微结构的变化，实现外部应力状态与材料力学行为和表面微结构变化的一一对应，从而进行材料微细观力学性能的综合性实验研究。本实验为常温下的三点弯曲实验，为了捕捉到脆性岩石的破坏过程，采用位移加载方式，加载速率定为本实验系统最小的10－4mm/s。实验过程中可实时观测荷载–位移曲线，设置系统采样周期为1s，SEM图像的采集速率约为20s/张。
3.岩石鉴定和电镜能谱分析：借助SEM全数字液压高温疲劳实验系统可实时观测三点弯曲荷载作用下试件表面的形貌变化以及裂纹的扩展过程，若能在SEM图片中确定裂纹两侧所关注颗粒的矿物成分将有助于岩石破坏机制的分析。在北京科技大学扫描电镜实验室，通过带能谱仪的扫描电镜(SEM/EDX)完成了本实验。图3为410m深处的岩样的SEM/EDX实验结果，图中共有4种具有明显特征的颗粒：颗粒①为深灰色，表面光滑呈大块状分布，为石英；颗粒②为白色，一般较小、表面光滑且聚合分布，为绿帘石；颗粒③为星布的亮白色，颗粒小但显眼，为镧铈矿；颗粒④为浅灰色，表面凹凸不平呈胶合状分布，为斜长石。
实验结果
1.破坏过程和破坏机制：不同埋深组玄武岩试件的破坏过程如下。12个试件中有10个试件的过程和试件410–3类似(试件1010–2和1010–5除外)。以试件410–3为例，当荷载加到80.1N(对应SEM图片开始扫描时的荷载)时并未观察到试件表面有明显的变化；当荷载加至111.6N时，在预置缺口前方观测到了微裂纹萌生(通过比对实时采集的荷载数据，当图像扫描到裂纹萌生处时，当时的实际荷载约为122.8N，相当于峰值荷载的95%)，如图4(b)所示；当荷载加至129.5N(拍摄到裂纹时实际已稍微越过峰值荷载130.6N，开始下降)，裂纹迅速扩展并且贯通，试件破坏；图4(d)为试件破坏后的形貌。从其他9个试件的破坏过程可以发现，从微裂纹的萌生(为峰值荷载的90%～95%)到突然发生断裂实际发生在非常小的荷载范围内，图5给出了埋深410m玄武岩的荷载–扰度曲线，可以看出玄武岩主要表现出脆性破坏。观察试件破坏后的裂纹形貌可以发现，以这种形式破坏的试件裂纹数量少、无分支、且路径较平滑(见图6，略)。试件1010–2和1010–5的破坏过程与其他10个试件略有不同。对于试件1010–2，荷载加至169.6N时(试件峰值荷载174.4N)，在预置缺口前方出现一段细短裂纹，同时加载端出现一条粗长裂纹，但两裂纹并未连通(见图7(a))，这说明裂纹并不总是从缺口处萌生并向加载端扩展，而可能从多处起裂，并随各自扩展而贯通。对于试件1010–5，当荷载加至167.3N时观测到试件内部多处出现裂纹(见图7(b))，这些裂纹是同时萌生的；当荷载加至183.3N时这些裂纹相互贯通并逐渐连接成一条主裂纹，随着荷载增加主裂纹不断扩展并导致试件破坏。对于含偏心预制缺口的试件，大多也是脆性破坏机制，但相比中心预制缺口的试件，偏心预制缺口由于受到弯曲应力和剪应力的共同作用，这导致了断口更为曲折和粗糙，典型的破坏后裂纹路径如图8所示（略）。
2.破坏荷载：将3组实验结果的破坏强度进行了统计分析分析。对于中心预制缺口的a组试件，实验表明，对于包含同样尺寸预制缺口的试件，玄武岩的破坏荷载随着其埋深的增加近似线性增加，如图9(a)所示。这个趋势与宏观实验结果趋势是一致的。提取了不同深度玄武岩的表面SEM，针对图像采用了同一个像素阈值对SEM图像进行了二值化处理，由此计算出孔隙率(见图10)。可以看出，宏细观实验都出现相似的趋势，主要原因还主要是埋深增加后，导致组成玄武岩矿物颗粒更细，并且孔隙率有逐渐减少的趋势。对于单预制缺口和双预制缺口2组试件，随着预制缺口逐渐偏离中心，2组试件的破坏荷载都有增加的趋势。对于三点弯曲荷载，随着偏置距离的增加，剪切力是保持不变的，但弯矩在逐渐变小，也即横截面的弯曲应力会减少。由材料力学理论[16]，对于矩形截面，横截面上的弯曲应力影响远远大于截面切应力的影响，因此最终破坏荷载会随着偏置距离的增加而近似线性增加(见图9，略(b)，9(c))。
3.强度和能量特征：对于尺寸固定的试件，岩石断裂能的多少能反映岩石抵抗破坏的能力，这一特征量对于分析岩石破坏的稳定性具有重要意义[17]。岩石三点弯曲试件的断裂能可由实验获得的荷载–挠度曲线积分获得，具体的计算公式为：（略），式中：W为试件的断裂能，P为作用在试件上的荷载，为试件的挠度。式(1)中，积分上、下限分别为0和试样的断裂位移。图11给出了不同埋深玄武岩断裂能，由图可知，低埋深(410，510m)下3个试样断裂能的离散性很小；埋深较大(810，1010m)下不同试样间断裂能的离散性稍大。但通过计算平均断裂能可以发现，门头沟玄武岩的断裂能是随着埋深增大的，这说明相同环境下，深部岩石抵抗破坏的能力要比浅部强。表2为偏心单、双裂纹组岩样最大荷载和断裂能的实验结果。从图12中可以看出，岩样的平均峰值荷载和平均断裂能都随偏心距近似线性增加，并且在相同偏心距下，单、双裂纹试件无论是峰值荷载还是断裂能都几乎一致，这说明在三点弯曲的荷载作用形式下，对于这种小尺度试件，在对称位置增加一条预置缺陷基本不影响试件的承载能力。