深部巖體中的超低摩擦效應研究

近年來，隨著我國煤炭資源的日益匱乏，越來越多的煤礦進入深部開采，深部巖體工程動態現象具有新的科學特征。這些特征與扁平巖石工程的設計特征具有完全不同的特點。用傳統的連續介質力學理論無法很好地解釋，因此引起了國際巖石力學專家的高度關注，并成為研究該領域的熱點之一。俄羅斯科學研究院西伯利亞分會礦產資源研究所的kreina和oparan首次提出了巖石摩擦的概念。這兩位科學家認為，當動態脈沖影響巖石介質時，在一定程度上，兩個相鄰的兩個相鄰顆粒之間存在摩擦的“消失”效應，這解釋了結構中現有波的機械性。同時，他們還指出，力的變化主要是由于結構中有效粗糙度的降低。實驗證實了低摩擦現象的存在。如圖1所示。利用電子磁體1對模塊進行靜載，用電磁體2對模塊3進行垂直的靜載荷，并使用微位移傳感器測量模塊的水平位移，以獲得結構中的水平位移與水平負荷之間的關系（圖2所示）。3.從圖3可以看出，具有規律的延遲間隔內的臺階差異（軸的*）。從圖3可以看出，每個相位對應于較大的位移變化。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象。巖體超低摩擦效應是指當動力沖量作用于巖塊系統時,由于巖體(或巖塊系)的振動導致巖石間的相對壓緊程度隨時間變化的效應.可以設想,在某個時刻,當巖塊之間相對疏松時,巖石間的摩擦力和摩擦系數會大大降低(降低達數倍),甚至降為零.由于摩擦系數的降低,平衡的約束條件被破壞,巖塊系的臨界平衡條件變化導致巖塊的運動.國內,2005年錢七虎院士在香山科學會議“深部地下空間開發中的關鍵科學問題”報告中就指出了巖體塊系構造中存在超低摩擦現象;同年王明洋教授對巖體超低摩擦效應進行了研究,得到了在具有構造等級的深部巖體介質的變形過程中,儲能及返還性狀與介質變形的摩擦系數有主要關系,并利用塊體動力模型研究表明:塊體界面的動力變形與穩定性的影響效應規律與塊體界面體變能及塊體大小密切相關,而且超低摩擦現象機理也與此密切相關;2007年王洪亮采用俄羅斯專家力學模型進行實驗,并通過理論分析和數值計算,得到了與俄羅斯專家相一致的結論,從而驗證了巖體超低摩擦效應的存在.由于深部開采條件下超低摩擦效應與沖擊地壓、礦震、地震等密切相關,因此對其開展研究迫在眉睫.本文在前人實驗基礎上力圖另辟蹊徑,自主設計巖體超低摩擦模擬實驗,利用臥式雙向加載伺服試驗機,考察巖石試樣接觸界面處應力變化特征,得到其應力與加載時間的關系曲線,期間分別對其施加垂直向微小擾動和水平向微小擾動,以觀察巖石試樣接觸面應力降變化規律,從而確定產生超低摩擦效應的主要影響因素.1煤巖體超導體的滑動特性超低摩擦現象主要存在于地震、煤層突出和沖擊地壓之中.2005年3月印度尼西亞發生地震,這是繼2004年年底大地震之后的又一次大地震.科學院院士、國家地震局研究員陳運泰指出:地震就是地下巖石的破裂,這跟破裂的性質、摩擦的性質關系密切.因而要解決地震預報的問題,就要解決地下巖石摩擦的問題,而測定巖石摩擦力的實驗是復雜的.現在,這個困難已經克服.在一項實驗中,研究人員將石英巖和花崗巖樣品置于一臺旋轉剪切儀上,使其具有持續的滑動速度.結果表明,石英巖的摩擦力對滑動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:在發生地震時的滑動速度上,該數值基本為零.煤層突出主要表現為整體平動突出,尤其是在頂底板為巖石的深采煤層巷道中更易發生.由于深部煤層積聚了大量的變形能,同時在受到采動的影響下,煤層和頂底板間的摩擦不斷減小,煤層內部裂紋也不斷發展貫通.在外界擾動的影響下,摩擦將由靜摩擦變為滑動摩擦,煤層所受的夾持作用瞬間減弱甚至消失,煤層和頂底板系統出現整體結構失穩,煤巖體內儲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釋放而產生破壞的礦井動力現象.煤巖的層狀或弱層結構是大量存在的,當煤巖變形失穩時,煤層會沿頂底板之間產生水平方向的位移,煤巖結構系統會因摩擦滑動造成失穩而產生沖擊地壓.煤層在受力過程中的剪脹作用,使煤壁表面煤體承受相當大的拉應力作用,這種拉應力的大小受變形系統載荷、變形特性的影響,一旦形成失穩條件,煤體就可能發生沖擊地壓.沖擊地壓問題與煤巖的摩擦和滑動特性有密切的關系.綜上所述,巖體超低摩擦現象與地震、沖擊地壓、礦震等動力災害密切相關,研究并揭示它們之間的關系將是廣大科技工作者的重點.2擾動方向對接觸界面摩擦力的影響實驗方法是科學研究的主要手段之一,為了考察巖體超低摩擦效應,設計了巖體超低摩擦效應模擬實驗.實驗加載系統采用臥式雙向伺服壓力實驗機(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.實驗機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.實驗巖石試樣采用天然粉砂巖,試樣尺寸為300mm×300mm×50mm,以45°對角線切割巖石試樣以形成接觸界面,在接觸界面處布置應力傳感器以考察巖樣接觸界面摩擦力作用,并于實驗前對粉砂巖試樣進行了物理力學參數測定,其彈性模量為15.8GPa,單軸抗壓強度為107MPa,泊松比為0.27.實驗中設置了3個階段:無擾動階段、垂直向擾動作用階段和水平向擾動作用階段,即對巖石試樣先后分別施加垂直向和水平向擾動,以考察擾動方向對接觸界面摩擦力的影響.首先在巖石試樣的垂直向和水平向以30kg/s的加載速率同時施加載荷作用(即雙向等壓狀態),至2600s時對巖石試樣垂直向施加微小擾動,加載時間至5800s時對巖石試樣水平向施加微小擾動,直至加載時間8300s時結束.這一過程中接觸界面處應力與加載時間的關系變化曲線由記錄儀繪出(如圖5).由觀察實驗得到的關系曲線圖和實驗現象,發現:1)無擾動階段:即加載時間0～2600s階段,接觸界面處的應力呈線性增加,應力曲線為斜直線,加載時間與巖石試樣接觸界面處應力為線性關系;2)垂直向擾動作用階段:即加載時間2600～5800s階段,雙向加載的同時對巖石試樣施加垂直向微小擾動,應力曲線呈鋸齒狀增加,這是由于擾動影響應力曲線出現了應力降,且應力降增加幅度具有不斷上升的趨勢,但增加幅度并不大,說明垂直向擾動導致的應力降并不顯著,且應力降持續時間短,一般為200s左右,稱之為小應力降事件.此時出現的應力降現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,應力降的幅度實際上反映了摩擦力降低的幅度;3)水平向擾動作用階段:即加載時間5800～8300s階段,對巖石試樣施加了水平向微小擾動.從圖5可以看出,這一階段應力降十分顯著,我們將明顯的應力降稱之為大應力降事件,因此共經歷了5次大應力降事件,且大應力降幅度呈逐次增加趨勢,分別為這階段初始應力降的1.31,1.40,1.53,1.61倍.特別是在每個大應力降事件之間還存在著小應力降事件,且小應力降事件次數具有逐漸增加的趨勢.另一方面,大應力降事件之間的時間間隔明顯呈增加趨勢,分別為400,600,700和800s.以上現象表明:接觸界面處摩擦力呈不斷減小趨勢,且這種趨勢在水平向擾動下更加明顯和劇烈;4)在垂直向擾動作用階段和水平向擾動作用階段相交處,出現了第1次大應力降事件,這是由于擾動方向突然變化造成的.這實際上表明:水平向擾動所導致的應力降要比垂直向擾動所導致的應力降要大得多,因此在應力曲線上表現為更劇烈的曲線下降,此時接觸界面處摩擦力急劇降低.由此得到如下結論:1)垂直向和水平向的擾動將導致巖石試樣接觸界面處產生應力降事件,而應力降事件反映了接觸界面處的摩擦力降低,這實際上從實驗角度驗證了巖體超低摩擦現象的存在.也就是說,深部巖體在微小擾動下將會產生超低摩擦效應;2)水平向擾動是巖體產生超低摩擦效應的主要因素.實驗表明:垂直向擾動產生小應力降事件,引起應力降幅度變化不大,應力降持續時間短;水平向擾動產生以大應力降事件為主體,其中也包含小應力降事件的應力降,且應力降幅度變化顯著,逐次增加,大應力降事件持續時間長,這說明在水平擾動下接觸界面處摩擦力具有急劇減小的趨勢.因此,我們認為:減小水平擾動將是有效抑制巖體超低摩擦效應產生的主要措施之一.3對比巖體各段異構反應特性在闡述超低摩擦效應在深部巖體中普遍存在的基礎上,設計了巖體超低摩擦效應模擬實驗,通過在加載過程中分別施加垂直向擾動和水平向擾動,得到了雙向加載條件下巖石試樣接觸界面應力和加載時間的關系曲線,分析了無擾動階段、垂直向擾動