煤田地质与勘探

作者：赵涛, 崔朝, 贾海梁, 杨光宇,

关键词：Ⅱ型动态断裂, 冻结饱和砂岩, 断裂韧度, 能量耗散, 低温强化机制, 加载速率,

背景研究动力扰动下冻结饱和砂岩Ⅱ型断裂，包括临界应力强度因子(断裂韧度)变化特征以及能量耗散机制，对煤矿冻结井筒安全钻爆掘砌至关重要。方法利用分离式霍普金森压杆装置，在不同温度和不同加载速率下进行一系列动态SCC试验，分析了冻结饱和砂岩应力强度因子−时间曲线、断裂韧度和能量耗散机制随温度和加载速率的演化规律。总结宏观与微观层面上砂岩剪切断裂面特征，并利用核磁手段揭示了冻结效应的微观影响机制。此外，基于有限元模拟，进一步分析了断裂特性的加载速率效应。结果和结论结果表明：(1)随温度下降，冻结饱和砂岩断裂过程中岩石断裂韧度增大，相应地砂岩吸收的能量增加，能量利用率呈现一定的增长趋势。随加载速率增加，砂岩断裂韧度呈线性增加，岩石断裂吸收的能量也呈现增加趋势，而能量利用率呈现减小的趋势。(2)试件剪切面存在2种不同的断裂模式：“阶梯状”剪切滑移和“断口状”剪切滑移。(3)依据核磁数据总结了孔隙水冻结的3个阶段：过冷阶段，此阶段未冻水含量不变；快速冻结阶段，此阶段自由水与毛细水基本相变，大部分结合水冻结，断裂韧度迅速增加；缓慢冻结阶段，此阶段少部分结合水冻结，断裂韧度缓慢提升。(4)模拟应变−时间曲线与试验应变−时间较为吻合，表明模拟结果合理可靠，经模拟发现岩桥上出现明显的应力集中现象，并且随加载速率的增加剪应力呈现增加趋势，砂岩的断裂韧度与断裂吸收能均存在加载速率强化机制。研究成果对西部富水软岩地层冻结井筒的钻爆掘砌具有指导作用。

来源：2025年第4期

《煤田地质与勘探》期刊编辑部

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