摩擦现象在地学领域受到广泛关注,一方面摩擦现象普遍存在于各种尺度的地质运动中,小到节理裂隙,大至板块运动,都存在着地质摩擦现象;另一方面在地震研究中,摩擦现象中的黏滑被认为是构造地震的一种发生机制;这两个方面的原因促使人们对岩石摩擦现象的研究成为构造物理学和震源物理学的关键问题[1] 。自岩石黏滑现象可作为浅源地震的一种机制[2] 这一观点被提出以来,地震学者们通过岩石摩擦实验对黏滑失稳过程进行了广泛深入的研究[3-5] ,并逐渐引入了众多*的实验手段和观测设备。
矿山开采中,开采引起断层两盘的相对运动,工作面煤体和顶底板间的相对运动,也都存在着摩擦滑动现象,因此,在冲击地压尤其是结构失稳型冲击地压发生机理的研究中,有学者引入了黏滑失稳理论[6-7] ,认为此类冲击地压是由于扰动作用使得不连续面间的黏附摩擦转变为滑动摩擦从而发生动力失稳的现象。对于引入黏滑理论的煤岩动力失稳机理的研究学者们表现出了浓厚的研究兴趣[8-11] 。实验研究方面,对于岩石材料的摩擦实验方法有直剪法、三轴实验法、双向摩擦法和双面剪切摩擦法。三轴实验法可以施加很高的正应力,但由于摩擦过程中接触面积不断变化,而且试件可能在实验过程中发生扭转,接触面应力状态难以确定,滑动位移不易直接测量。有学者用三轴加载装置对3 种煤岩试样进行了摩擦滑动实验[12] ,从加载过程的应力演化角度分析了煤岩失稳滑动规律,受实验条件的限制,所能施加的监测手段相对有限,对于失稳滑动前后试样变形特征和结构面错动位移规律并未涉及。位移场的研究是煤岩滑动失稳问题研究的一项重要内容,它能更直观地反映煤岩结构面的变形和运动模式,便于分析结构面失稳错动的机理。
本文采用双轴加载系统对砂岩-煤组合试样进行双面剪切摩擦实验,双面剪切摩擦法在实验过程中具有接触面积不变的特点,滑动面上的应力状态容易确定,同时可以容许较大的滑动位移,位移量可以直接监测。实验利用数字散斑相关方法和声发射技术,对断层位移场的时空演化规律和失稳滑动过程伴随出现的声发射现象进行研究。煤层及相关岩石摩擦问题的深入研究对于分析结构失稳型冲击地压机理具有重要意义。
1 双面剪切摩擦实验
实验在岩石双轴加载试验机上进行,试验机在竖直方向和水平方向具有独立油缸和加载机构,能满足两个正交方向的独立加载,实验加载装置如图1(a)所示。
图1 实验加载装置及样本
a—轴向加载端;b—轴向反力端;c—水平加载端;d—水平反力端
装载后的样本如图1(b)所示,中间为煤样、上下两端为砂岩试样。试件粗加工之后用300 号金刚砂进行精细研磨,中间煤试件尺寸为100 mm×25 mm×25 mm,两端砂岩试件的尺寸为60 mm ×35 mm ×25 mm,滑动面的范围为60 mm×25 mm。图中a,c端为加载端,b,d 端为固定位移的反力端,垫块之间、垫块与试样之间涂有凡士林,防止垫块产生不稳定滑动。 定义竖直加载方向为轴向,水平加载方向为剪切方向。试验时首先施加轴向应力,缓慢加载至设计值,对试验机采用负荷控制模式,使其保持轴向应力设计值不变;然后采用位移控制模式加载剪切应力,观察实验中出现的摩擦滑动特征;最后当样本组合结构产生破坏、试样出现多次失稳滑动、中间试件的剪切位移达到试验机加载行程极限等任一条件达到时即判断实验结束。
实验样本中砂岩密度2． 5 g/ cm3, 弹性模量23． 8 gpa,泊松比0． 19,单轴抗压强度82． 1 mpa。煤密度1． 4 g/ cm3,弹性模量3． 4 gpa,泊松比0． 16,单轴抗压强度23． 6 mpa。共进行5 组试样的实验,各组实验的条件见表1。
表1 实验条件与结果
试样后表面布设2 个声发射探头,用于收集试样摩擦滑动过程的声发射特征参数;采用数字照相技术采集实验过程中试件前表面的图像信息,运用数字散斑相关方法分析滑动面附近相关区域的位移规律和试件的滑动特征。实验前对系统进行计时校准,保证各监测系统数据采集时间的严格一致。
5 组实验中2,3,5 号试样出现失稳滑动,1,4 号试样稳定滑动,试件滑动过程中的一些特征参量见表1。由于篇幅有限,以具有代表性的两组实验:发生稳定滑动的1 号实验和发生失稳滑动的5 号实验为例,对实验中出现的应力规律、位移场演化以及声发射特征做进一步分析。两组实验的实验加载曲线如图2所示。
2 煤岩结构摩擦滑动特性
2． 1 滑动位移观测方法
滑动位移测点设置位置如图3 所示,位移监测点相当于一个虚拟位移计[13] ,通过散斑图像的对比分析,能够得到位移计两端的水平及竖直方向的位移量,由此就能通过虚拟位移计反映测点处试件的滑动位移。虚拟位移计的设置方法如下:在滑动接触面两侧选取两个对称点,如图3 中所示的p1 和p2 点,p1和p2 之间距离为8 mm,分别以p1 和p2 点为中心选取分析区域,以此区域作为匹配目标在所有图像中进行匹配,获得p1,p2 点在每张图像中的坐标,与其初始图像中的坐标的差值作为p1 点和p2 点的位移,p1,p2 两点在x 方向的位移差则表示接触面两侧试样的错动量,也即中间煤样的滑动位移。
图2 实验加载曲线
图3 位移测点原理示意
2． 2 稳定滑动过程分析
1 号试样,轴向荷载5 mpa,实验过程未出现明显的失稳滑动。应力、滑动位移随时间的演化曲线如图4(a)所示。根据中间煤试件的运动形式可将加载过程分为3 个阶段,i 为平静阶段,自剪切应力加载至峰值应力前,试件的剪切位移未出现明显变化,剪切应力稳定增长;ii 为加速运动阶段,剪切应力达到1． 7 mpa 时,试件由静止转为滑动,滑动速度缓慢增加,在加速运动阶段, 历时108． 5 s, 滑动位移36． 8 μm; iii 为稳定滑动阶段, 当剪切应力达到2． 3 mpa 时,试样完成加速过程,并开始稳定滑动,滑动速度2． 7 μm/ s。
绘制曲线上a,b 两点处试件结构的位移场云图如图4(b)和(c)所示,分析区域为图3 中标示的兴趣区域,云图反映了试件结构产生滑动前后的变形和位移特征。从图4(b)看以看到中间煤样的变形在空间上分布的不均匀性,接触面附近变形的不均匀性直接反映了接触面上变形能分布的不均匀性,这种不均匀性会增加滑动过程的复杂性;左端加载端的变形量明显大于右端,与单一试件的压缩加载类似;组合结构的变形场具有连续性,即接触面上、下砂岩与煤的变形保持连续,说明在产生滑动前,组合结构的变形协调;随着剪切荷载的继续增大,当试件出现滑动之后,接触面上积蓄的变性能得以释放,部分变形恢复,接触面附近的变形场变得均匀,位移等值线近似平行分布,如图4(c)所示。
图4 1 号试样位移演化特征
图5为试件声发射能量值以及滑动位移随加载过程的变化规律,为表述方便,图中仍然标示了按照试件运动形式划分的3 个阶段。在逐步增加剪切应力的过程中,接触面上强度较低的凹凸咬合部位首先出现破坏,释放的应力波被声发射仪记录,表现为i阶段前期的低能量值声发射事件;随着剪切应力的提高,个别强度稍高的咬合点失效,伴随出现了单发型高能量值的声发射事件,i 阶段末期,接触面上大范围结接触部位失效,伴随能量不等的声发射事件密集出现;进入到ii 阶段时,如图5 中矩形框中所标示,声发射事件更加密集,并且声发射能量强度水平变得更高;而进入到iii 稳定滑动阶段时,接触面的性状和应力分布趋于均匀,声发射事件的能量逐步降低,试件呈现稳定运动状态。
图5 1 号试样剪应力声发射曲线
2． 3 失稳滑动过程位移及声发射特征
5 号试样, 轴向荷载12 mpa, 剪切应力达到3． 3 mpa 时发生一次失稳滑动, 产生应力降0． 25 mpa,滑动位移23． 4 μm;在出现失稳滑动之前,剪切应力稳定增长,试件位移基本无变化,对应图6中i 阶段;产生失稳滑动之后剪切应力继续增长,应力达到4． 4 mpa 时,进入稳定滑动状态,对应图中iii阶段,滑动速率5． 0 μm/ s;图中ii 为失稳滑动后,还未进入稳定滑动状态的过渡阶段,并存在两个速度变化区:① 为速度减弱区,由高速的失稳滑动减弱为低速滑动;② 为速度增长区,由低速滑动增长为快速稳定滑动,ii 阶段的平均滑动速率为1． 4 μm/ s,低于稳定滑动时的位移速度。
图6 5 号实验剪应力位移演化曲线
在剪切应力达到4． 4 mpa 时,应力-时间曲线上出现了一次0． 15 mpa 的应力降,但位移-时间曲线上并未出现相应的变化,说明应力降并非由试件的失稳滑动引起,而应是试件的局部破坏引起。
5 号试样加载过程伴随的声发射规律如图7 所示,失稳滑动前、后都出现了一段比较密集的声发射事件。在i 阶段前期,即剪切加载初期,声发射事件少、能量低,i 阶段末期声发射事件数和能量值升高;失稳滑动前后,低能量值的声发射数降低,ii 阶段中期声发射进入相对平静期,声发射事件明显减少,ii阶段后期是试件由不稳定滑动向稳定滑动转变的加速运动阶段,对应图6 中的b 阶段,此阶段的声发射事件明显增多,高能量值的声发射事件变得频繁;进入iii 阶段后,稳定滑动状态下的声发射事件能量明显降低。
图7 5 号实验剪应力声发射曲线
2． 4 煤岩组合结构的滑动规律
取试样产生初始滑动时的剪切应力和轴向应力,绘制试样摩擦强度的特征曲线如图8 所示。砂岩-煤试样组合结构的摩擦强度线性回归后可以表示为
式中,τs 为失稳滑动时的剪应力,mpa;σ 为结构轴向应力,mpa。
图8 砂岩-煤摩擦强度特征
同样,对于出现失稳滑动的3 组试样,分析其失稳滑动时的剪应力与轴向应力的关系,以5 号试样为例,其与轴向应力的关系可用式(2)表示,公式适用于稳定滑动阶段,对应图6 中第iii 阶段。
式中,τw 为稳定滑动时的剪应力。
由以上结果可以看出,砂岩-煤组合试样的摩擦实验中,稳定滑动时的摩擦因数小于失稳滑动的摩擦强度系数,说明组合结构在摩擦滑动过程中,接触面性质发生了变化,导致摩擦因数改变,这从失稳滑动前后的滑动速度变化同样能得到验证,摩擦因数的改变导致不同的摩擦滑动形式。
3 结论
(1)采用双面剪切实验模型,配合运用数字散斑相关方法分析煤岩结构的滑动摩擦特性方便可行,测量精度高,能够方便地进行测点或全场位移的分析。
(2)煤岩结构的滑动失稳过程可以分为3 个阶段:平静期、加速期和稳定期;平静期积蓄应变能,试件并无明显滑动位移产生,平静阶段后期有较为密集的声发射出现;加速期是结构由静止向运动的过渡阶段,也最易出现失稳滑动,滑动位移呈加速趋势,声发射频度和能量值都较高;稳定期试件稳定滑动,剪切应力和滑动速度基本恒定,声发射趋于平静。
(3)通过5 组不同轴向压力作用下的砂岩-煤试样的双面剪切摩擦实验观测到了失稳滑动、稳定滑动等摩擦滑动现象。实验获得的砂岩-煤组合结构的摩擦强度系数为0． 3049,稳定滑动时的摩擦因数为0． 2423。
致谢:感谢山东科技大学岩石蠕变实验室赵同彬副教授、张泽博士、尹延春硕士、陈璐硕士等在实验实施过程提供的帮助。
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