温度影响下煤层顶板砂岩的破坏机制及塑性特性 - 中国科学.pdfVIP

中国科学 E 辑:技术科学 2007 年 第37 卷 第11 期: 1394~1402 SCIENCE IN CHINA PRESS 温度影响下煤层顶板砂岩的 破坏机制及塑性特性 左建平①②* 谢和平②③ 周宏伟①② 彭苏萍① (① 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 北京 100083; ② 中国矿业大学岩石力学与分 形研究所, 北京 100083; ③ 四川大学, 成都 610065) 摘要 通过扫描电镜(SEM)研究了煤层顶板砂岩拉伸断裂后的断口形貌图, 结 合砂岩破坏的表面形貌图, 在细观和微观层次对砂岩的断裂机制进行了研究; 比 较了受不同温度影响后的微观断口形貌差异, 特别是高温疲劳断口的出现, 证实 了温度对砂岩破坏的微观断裂机制产生了影响, 即随着温度的升高, 砂岩的断裂 机制由以局部脆性断裂机制为主向局部脆性和延性耦合断裂机制转变, 并观察到 大量的塑性变形, 这是影响砂岩强度变化的根本原因, 并可能是微褶皱. 关键字 砂岩 温度-应力共同作用 断口形貌 塑性变形 扫描电镜 微褶皱 随着深部开采等重大工程的需求, 研究不同温度下煤层顶板岩石的破坏规律具有十分重 要的意义. 岩石的破坏过程是个极为复杂的过程[1~3], 受到其内部矿物成分和结构、微缺陷、 外部载荷、温度等因素的共同影响. 而岩石断口是岩石在断裂过程中所形成的新表面, 它记录 了岩石断裂时的不可逆变形, 以及裂纹的萌生、扩展直至断裂的信息, 因此研究岩石的断口对 认识岩石断裂的性质及破坏规律具有一定的指导意义. 近30 年来, 众多学者分别从宏观和微观的角度对岩石的断口进行了相应的研究. 国内李 先炜等[4]率先开展这方面的研究, 他们通过透射电镜和扫描电子显微镜观察研究了多种载荷 条件下岩石的破坏断口, 并把岩石的断口分为拉断和剪断断口, 具体又把拉断断口分为十种 [5] [6] [7] 花样, 把剪断断口分为八种花样, 这种分类也为近来的研究所证实 . 谭以安 、冯涛等 对发 生岩爆后的断口研究及李根生等[8]对超高压水射流冲蚀切割岩石断口的研究同样表明岩石断 裂的微观机制主要是在拉伸并兼有剪切作用下岩石的低应力脆性断裂, 并以解理断裂为主. 谢和平等[9,10]对静载和动载下的岩石断口进行了电镜观察和光学显微镜分析, 把岩石的断裂分 为沿晶、穿晶及两者耦合的断裂形式, 并认为产生这些断裂形式是由于受到局部高拉应力场作 收稿日期: 2006-12-29; 接受日期: 2007-06-19 煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放课题(编号: 2007-08)、国家自然科学基金(批准号: 50620130440,、国家重点基础研究发展计划(编号: 2002CB412707)和教育部“新世纪优秀人才技术计划”(编 号: NCET-04-0491)资助项目 * E-mail: zjp@ 第 11 期 左建平等: 温度影响下煤层顶板砂岩的破坏机制及