煤巖破壞過(guò)程的細(xì)觀力學(xué)損傷演化機(jī)制

王云飛,黃正均,崔 芳

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南焦作 454000;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

煤巖破壞過(guò)程的細(xì)觀力學(xué)損傷演化機(jī)制

王云飛1,黃正均2,崔 芳1

(1.河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,河南焦作 454000;2.北京科技大學(xué)土木與環(huán)境工程學(xué)院,北京 100083)

為了有效監(jiān)測(cè)煤巖巷道圍巖的損傷穩(wěn)定程度,以漳村礦煤巖為例開(kāi)展了煤巖損傷破壞特性的研究,首先對(duì)該礦煤巖進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得其力學(xué)參數(shù),然后通過(guò)顆粒流軟件獲得其細(xì)觀力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了不同圍壓下煤巖試驗(yàn)。分析了煤巖破壞過(guò)程的聲發(fā)射和應(yīng)變能變化規(guī)律,并從煤巖損傷萌生、成核、擴(kuò)展和貫通的過(guò)程研究了損傷演化機(jī)制,獲得以下結(jié)論:最大聲發(fā)射強(qiáng)度與峰值應(yīng)力并不同時(shí)出現(xiàn),具有一定滯后性,低圍壓范圍滯后效應(yīng)隨圍壓變化敏感,高圍壓范圍圍壓對(duì)其影響減弱;隨著圍壓增加在最大聲發(fā)射前會(huì)出現(xiàn)明顯的平靜期,并指出平靜期的出現(xiàn)是由煤巖內(nèi)部嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)的產(chǎn)生和損傷愈合吸收應(yīng)變能所致;將煤巖損傷破壞過(guò)程分為微損傷彌散分布、損傷局部集中發(fā)展成核、裂紋穩(wěn)步擴(kuò)展形成局部裂隙、局部裂隙貫通煤巖失穩(wěn)4個(gè)階段,指出圍壓對(duì)各個(gè)階段的影響異同。

煤巖;圍壓;聲發(fā)射;損傷演化;顆粒流;應(yīng)變能

在外力作用或開(kāi)采擾動(dòng)巖體內(nèi)部應(yīng)力重分布的過(guò)程中,煤巖會(huì)發(fā)生變形甚至破壞,并局部伴隨有應(yīng)變能的快速釋放而產(chǎn)生彈性波的現(xiàn)象,稱為聲發(fā)射AE(acoustic emission)。聲發(fā)射特征能夠反映煤巖的損傷破壞特性,其變化規(guī)律與煤巖內(nèi)部損傷發(fā)展演化過(guò)程有密切關(guān)系。通過(guò)對(duì)不同圍壓下煤巖破壞過(guò)程的聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行分析和研究,可推測(cè)煤巖內(nèi)部損傷發(fā)展程度,進(jìn)而揭示煤巖損傷演化機(jī)制。目前,聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)已應(yīng)用在巖土工程等諸多領(lǐng)域,因此,其研究成果具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

聲發(fā)射技術(shù)源于E.J.Kaiser對(duì)材料聲發(fā)射特性的研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聲發(fā)射的研究有:含瓦斯煤[1]和加卸載作用下[2]煤巖的聲發(fā)射特性研究,Kaiser效應(yīng)[3-5]和單軸多級(jí)加載[5]巖石聲發(fā)射特征,飽和含水煤巖[6]和不同應(yīng)力路徑下加載-卸載擾動(dòng)[7]的聲發(fā)射特性。還有苗金麗等[8]對(duì)三軸應(yīng)力狀態(tài)的突然卸載巖石聲發(fā)射的波形進(jìn)行了頻譜和時(shí)頻分析。張黎明等[9]對(duì)大理巖在加載和卸載兩種應(yīng)力路徑下聲發(fā)射的差異進(jìn)行了研究。宿輝等[10]研究了不均質(zhì)性對(duì)巖石聲發(fā)射特性的影響。任松等[11]通過(guò)改變加載速率研究了鹽巖的疲勞損傷聲發(fā)射特性。M.Cai等[12]根據(jù)巖石聲發(fā)射特性分析了巖石初始裂紋開(kāi)裂時(shí)間與應(yīng)力之間的關(guān)系。孫強(qiáng)等[13]開(kāi)展了砂巖單軸試驗(yàn),研究了試驗(yàn)整個(gè)過(guò)程中聲發(fā)射信息。Moradian Z.A.等[14]通過(guò)直剪試驗(yàn)研究不同材料接觸間的聲發(fā)射特征。Vilhelm等[15]研究指出巖樣的聲發(fā)射特性是單軸載荷的自相關(guān)函數(shù)。李庶林等[16]通過(guò)巖石單軸試驗(yàn)得到了破壞過(guò)程的聲發(fā)射特性。秦虎等[17]利用自行研制的煤巖固氣耦合力學(xué)試驗(yàn)裝置,對(duì)不同含水率煤樣單軸壓縮下的聲發(fā)射特征進(jìn)行了研究。徐速超等[18]研究了單軸循環(huán)荷載下矽卡巖的強(qiáng)度和聲發(fā)射特性,指出隨著循環(huán)次數(shù)增加費(fèi)拉西蒂比逐漸減小和卸載階段仍有大量聲發(fā)射。陳炳瑞等[19]開(kāi)展了施工過(guò)程中聲發(fā)射監(jiān)測(cè)試驗(yàn),研究了其損傷演化規(guī)律。潘鵬志等[20]對(duì)脆性巖石單軸壓縮破壞過(guò)程巖石的破裂模式和聲發(fā)射特性進(jìn)行了分析。

國(guó)內(nèi)外的研究成果不斷增進(jìn)對(duì)巖石聲發(fā)射特性的認(rèn)識(shí),還進(jìn)一步促進(jìn)了聲發(fā)射技術(shù)在工程中的應(yīng)用。但目前還沒(méi)有直接的方法用于巖石試件內(nèi)部損傷演化發(fā)展的研究,因而本研究結(jié)合單軸室內(nèi)試驗(yàn)和不需定義本構(gòu)關(guān)系的顆粒流離散元軟件對(duì)煤巖內(nèi)部損傷發(fā)展的空間特性進(jìn)行了研究,以期明確煤巖破壞的聲發(fā)射時(shí)空特征與應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系和內(nèi)部損傷的空間演化規(guī)律,研究成果可為支護(hù)煤柱合理設(shè)計(jì),煤柱和煤巖巷道穩(wěn)定性的聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)所利用。

1 顆粒流理論與模型

P.A.Cundall和O.D.Strack在離散元法的基礎(chǔ)上,引入分子動(dòng)力學(xué)思想創(chuàng)建了顆粒流理論,著重從細(xì)觀力學(xué)的角度解釋材料的損傷斷裂機(jī)制,分析線彈性階段直至斷裂破壞的大變形過(guò)程,能直觀處理裂紋的萌生、擴(kuò)展過(guò)程[21]。主要用于巖石類等材料的力學(xué)和工程特性研究。構(gòu)建的顆粒模型無(wú)需事先定義材料的本構(gòu)關(guān)系,只是通過(guò)設(shè)定顆粒間的接觸模型和細(xì)觀力學(xué)參數(shù),便能夠表現(xiàn)出材料復(fù)雜的非線性應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。

在PFC中提供的顆粒間常用接觸模型有:接觸剛度模型、滑動(dòng)模型、黏結(jié)模型等,其中黏結(jié)模型包括接觸黏結(jié)和平行黏結(jié)兩種。接觸黏結(jié)模型中顆粒與顆粒間是點(diǎn)接觸,當(dāng)顆粒間發(fā)生相對(duì)移動(dòng)時(shí)便在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生法向和切向力,由于是點(diǎn)接觸(認(rèn)為接觸發(fā)生在接觸點(diǎn)處很小范圍內(nèi)),因而只能傳遞力而不能傳遞彎矩。而平行黏結(jié)發(fā)生在接觸顆粒間半徑為的圓形或方形范圍內(nèi),因而可以同時(shí)傳遞力和彎矩。如圖1所示,A和B表示兩個(gè)接觸顆粒,和分別表示A,B顆粒和平行黏結(jié)中心,和分別為平行黏結(jié)半徑和厚度,i和3為平行黏結(jié)所承受的力和彎矩,在平行黏結(jié)形成時(shí)將力i和3都初始化為0,i分解為法向和切向分量如下:

圖1 平行黏結(jié)模型Fig.1 Parallel bond model

作用在平行黏結(jié)上的法向應(yīng)力σ和切向應(yīng)力τ可按式(5)和式(6)計(jì)算。

當(dāng)平行黏結(jié)受到的應(yīng)力超過(guò)其黏結(jié)強(qiáng)度時(shí),黏結(jié)發(fā)生斷裂,法向和切向應(yīng)力超過(guò)其對(duì)應(yīng)的黏結(jié)強(qiáng)度分別產(chǎn)生張拉型和剪切型微裂紋[22]。

2 煤巖特性與細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

2.1 煤巖特性與力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)所用煤巖為潞安礦區(qū)漳村煤礦3號(hào)煤層煤巖,漳村煤礦3號(hào)煤層位于二疊系下統(tǒng)山西組中下部,為本區(qū)主要可采煤層,3號(hào)煤層厚度大且層位穩(wěn)定,全區(qū)可采,厚度5.31～7.88 m,平均厚度6.57 m,煤層傾角3°～10°,為不易自燃,有爆炸危險(xiǎn)性煤層。煤層直接頂為泥巖,基本頂為細(xì)粒砂巖,直接底為泥巖,基本底為細(xì)粒砂巖。將采集的煤巖加工成直徑50 mm、高度100 mm的試樣,不平行度小于0.05 mm,滿足《煤和巖石物理力學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法》的要求。測(cè)得煤巖的單軸抗壓強(qiáng)度為14.92 MPa,彈性模量為3.59 GPa,泊松比為0.32。圖2為煤巖破壞試樣。

圖2 煤巖破壞試樣Fig.2 Coal rock failure samples

2.2 煤巖細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

煤巖數(shù)值試樣尺寸采用50 mm×100 mm,由大小不同且服從正態(tài)分布的12 092個(gè)顆粒單元組成,最大粒徑與最小粒徑之比為1.66,最小粒徑為0.25 mm,通過(guò)顆粒填充、半徑擴(kuò)張、浮子消除等過(guò)程形成顆粒單元排列十分緊密的煤巖試樣。顆粒間摩擦因數(shù)為0.5,采用平行黏結(jié)模型。

顆粒流軟件通過(guò)賦予的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)表征煤巖的宏觀力學(xué)行為,試樣形成后通過(guò)墻體施加壓力,進(jìn)行煤巖單軸試驗(yàn),使所得煤巖的宏觀力學(xué)參數(shù)與以上單軸物理試驗(yàn)結(jié)果基本吻合時(shí)獲得煤巖的細(xì)觀力學(xué)參數(shù),見(jiàn)表1。

表1 煤巖的細(xì)觀力學(xué)參數(shù)Table 1 Mesomechanics parameters of coal rock

根據(jù)建立的煤巖數(shù)值試樣模型,分別進(jìn)行單軸和圍壓為4,8,12 MPa的三軸試驗(yàn),分析煤巖破壞中聲發(fā)射和損傷的時(shí)空演化特征。

3 煤巖聲發(fā)射與損傷演化機(jī)制

3.1 煤巖聲發(fā)射機(jī)制

煤巖顆粒模型在荷載作用下,顆粒間會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的力和彎矩,當(dāng)局部顆粒間平行黏結(jié)的應(yīng)力超過(guò)其黏結(jié)強(qiáng)度時(shí),平行黏結(jié)斷裂并同時(shí)釋放儲(chǔ)存在相應(yīng)黏結(jié)中的應(yīng)變能,釋放的應(yīng)變能以波的形式向外傳播,這一過(guò)程和實(shí)際巖體損傷耗能并伴隨聲發(fā)射的現(xiàn)象非常相似。

煤巖的聲發(fā)射是內(nèi)部局部損傷快速釋放應(yīng)變能產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波現(xiàn)象,聲發(fā)射強(qiáng)度與內(nèi)部損傷程度直接相關(guān)。PFC模型中一個(gè)平行黏結(jié)的斷裂會(huì)產(chǎn)生一次能量釋放,發(fā)生一次聲發(fā)射,形成一處微裂紋如圖3所示。在煤巖的數(shù)值試樣中,通過(guò)設(shè)定黏結(jié)強(qiáng)度來(lái)反映煤巖的宏觀非線性行為。在荷載作用下,一旦黏結(jié)法向或切向應(yīng)力超過(guò)其黏結(jié)強(qiáng)度,黏結(jié)便會(huì)斷裂對(duì)應(yīng)一次聲發(fā)射現(xiàn)象。通過(guò)記錄煤巖加載破壞過(guò)程中每一時(shí)步聲發(fā)射數(shù),可獲得聲發(fā)射隨煤巖變形的時(shí)序特征曲線,同時(shí)煤巖內(nèi)部對(duì)應(yīng)聲發(fā)射的微損傷萌生、成核、發(fā)展和貫通過(guò)程可以實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。反映的規(guī)律對(duì)認(rèn)識(shí)煤巖損傷發(fā)展和聲發(fā)射特性很有幫助。

3.2 煤巖聲發(fā)射特性

從圖4可知,煤巖在壓縮的初始階段沒(méi)有聲發(fā)射事件發(fā)生,進(jìn)入彈性階段聲發(fā)射事件開(kāi)始出現(xiàn)但其強(qiáng)度較小,隨著荷載增加應(yīng)力-應(yīng)變曲線偏離直線進(jìn)入屈服階段,聲發(fā)射事件增加顯著,達(dá)到峰值強(qiáng)度時(shí)聲發(fā)射事件急劇增大,在峰后初期階段聲發(fā)射保持較高強(qiáng)度并達(dá)到最大,隨后進(jìn)入殘余強(qiáng)度階段聲發(fā)射強(qiáng)度陡然降低并在某一范圍內(nèi)波動(dòng)。

圖3 煤巖與顆粒流模型裂紋產(chǎn)生及聲發(fā)射機(jī)制Fig.3 Crack generation and acoustic emission mechanism of coal rock and particle flow mode

圖4 煤巖破壞過(guò)程全應(yīng)力-應(yīng)變曲線與聲發(fā)射關(guān)系Fig.4 Relationship between stress-strain curves and acoustic emission in coal rock failure process

從圖4可知,煤巖壓縮破壞過(guò)程中聲發(fā)射的最大強(qiáng)度與峰值應(yīng)力并不一致,最大聲發(fā)射強(qiáng)度相對(duì)煤巖峰值應(yīng)力有一定滯后現(xiàn)象。單軸壓縮時(shí)最大聲發(fā)射強(qiáng)度在峰后峰值應(yīng)力的94%,圍壓4 MPa時(shí)最大聲發(fā)射強(qiáng)度在峰后峰值應(yīng)力的88%,圍壓為8 MPa和12 MPa時(shí)分別在86%和84%,表明圍壓越高聲發(fā)射的滯后效應(yīng)越明顯,單軸和低圍壓范圍下聲發(fā)射滯后效應(yīng)受圍壓的影響顯著,隨著圍壓增大,圍壓對(duì)聲發(fā)射滯后效應(yīng)影響的敏感性減弱。

煤巖在壓縮破壞過(guò)程中,圍壓對(duì)聲發(fā)射特性有明顯影響,在低圍壓作用下聲發(fā)射呈連續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)(圖4(a)),且在最大聲發(fā)射強(qiáng)度前沒(méi)出現(xiàn)相對(duì)的平靜期,隨著圍壓的增加聲發(fā)射連續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)發(fā)生變化,并在最大聲發(fā)射前出現(xiàn)較明顯的平靜期(圖4(d))。這說(shuō)明巖石延性越大最大聲發(fā)射前的平靜期越明顯,因圍壓增加煤巖的延性逐漸增大。

天然煤巖內(nèi)部存在著大量的微裂隙等缺陷,這使得煤巖性質(zhì)變得十分復(fù)雜。由于缺陷的存在,煤巖并非是一個(gè)連續(xù)完整實(shí)體,而是一個(gè)復(fù)雜的網(wǎng)狀受力構(gòu)架體系,由含有不同程度缺陷的礦物顆粒單元組成。因而,從細(xì)觀層面上進(jìn)行分析,用顆粒流的微小顆粒模擬煤巖內(nèi)部的礦物顆粒單元,用顆粒及顆粒間平行黏結(jié)構(gòu)成的網(wǎng)狀構(gòu)架模擬實(shí)際煤巖的網(wǎng)狀受力構(gòu)架是非常合理可行的;煤巖內(nèi)部產(chǎn)生聲發(fā)射現(xiàn)象是由于外荷載作用下礦物顆粒間的受力構(gòu)架超過(guò)其承載能力發(fā)生破壞釋放應(yīng)變能所致;顆粒流模擬的聲發(fā)射現(xiàn)象同樣是在外荷載作用下,由微小顆粒間平行黏結(jié)的應(yīng)力超過(guò)其黏結(jié)強(qiáng)度發(fā)生破壞斷裂,釋放應(yīng)變能所致,因而在聲發(fā)射模擬方面也是合理可行的。

煤巖受到外力作用后,顆粒間平行黏結(jié)應(yīng)力不斷增加,應(yīng)力超過(guò)其黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)發(fā)生斷裂釋放應(yīng)變能并產(chǎn)生一次聲發(fā)射,黏結(jié)初始斷裂具有隨機(jī)性并數(shù)量有限,表現(xiàn)為聲發(fā)射出現(xiàn)初期強(qiáng)度較低。隨著荷載增大,黏結(jié)斷裂后相應(yīng)的受力構(gòu)架會(huì)發(fā)生應(yīng)力調(diào)整,導(dǎo)致臨近單元應(yīng)力增加,臨近單元應(yīng)力水平達(dá)到黏結(jié)強(qiáng)度時(shí)也發(fā)生破壞,應(yīng)力傳遞路徑不斷變化,受力構(gòu)架不斷消弱,同一時(shí)間破壞的黏結(jié)數(shù)急劇增加,表現(xiàn)為聲發(fā)射強(qiáng)度逐漸增大。當(dāng)受力構(gòu)架消弱到一定程度時(shí),平行黏結(jié)也不再逐步斷裂,應(yīng)力來(lái)不及逐步調(diào)整便沿構(gòu)架薄弱處集中破壞,煤巖內(nèi)部出現(xiàn)主控破裂面,表現(xiàn)為聲發(fā)射持續(xù)時(shí)間短且強(qiáng)度大。主控破裂面形成后煤巖被分割,繼續(xù)加載在煤巖切割塊體中的微裂隙成核處又會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力調(diào)整、黏結(jié)斷裂,局部受力構(gòu)架消弱、沿局部框架薄弱部位集中破壞的連鎖反應(yīng),體現(xiàn)為最大聲發(fā)射強(qiáng)度后的聲發(fā)射逐步增加和降低的反復(fù)過(guò)程。

3.3 煤巖破壞過(guò)程中的能量分析

煤巖受力變形進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生微裂紋并釋放儲(chǔ)存在巖體中的相應(yīng)彈性應(yīng)變能,對(duì)實(shí)際煤巖的這一現(xiàn)象顆粒流同樣能夠?qū)崿F(xiàn)。顆粒離散元通過(guò)顆粒間的接觸和黏結(jié)來(lái)儲(chǔ)存巖體彈性應(yīng)變能,隨著荷載增大顆粒間的相互作用力增加,儲(chǔ)存的彈性應(yīng)變能也隨之增加。對(duì)于巖石類材料采用平行黏結(jié)模型更加接近其實(shí)際物理力學(xué)行為,因而在屈服階段之前巖體彈性應(yīng)變能全部積蓄在平行黏結(jié)中,當(dāng)進(jìn)入屈服階段以后部分平行黏結(jié)斷裂同時(shí)釋放應(yīng)變能,平行黏結(jié)斷裂的巖體顆粒處于相互分離或接觸狀態(tài),故煤巖中的應(yīng)變能為儲(chǔ)存在平行黏結(jié)中的應(yīng)變能[22]。儲(chǔ)存在顆粒間平行黏結(jié)中的應(yīng)變能由式(7)計(jì)算,即

式中,Epb為平行黏結(jié)總應(yīng)變能;Npb為平行黏結(jié)數(shù)。

以下對(duì)圍壓12 MPa時(shí)煤巖破壞過(guò)程的能量變化和聲發(fā)射特性進(jìn)行分析。

圖5表明,可將破壞過(guò)程煤巖應(yīng)變能率和聲發(fā)射特征曲線分為5個(gè)區(qū)域。Ⅰ區(qū)加載初期,外力做功除了克服圍壓外全部以應(yīng)變能的形式儲(chǔ)存在顆粒黏結(jié)中,應(yīng)變能率曲線呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì)。Ⅱ區(qū)應(yīng)變能在增加過(guò)程中有所波動(dòng),小范圍的波動(dòng)是由于該區(qū)低強(qiáng)度聲發(fā)射事件間或釋放應(yīng)變能所致。Ⅲ區(qū)應(yīng)變能率曲線整體呈山谷型,應(yīng)變能率曲線急轉(zhuǎn)直下表明應(yīng)變能的瞬間釋放過(guò)程,在谷底對(duì)應(yīng)第1次聲發(fā)射小爆發(fā)事件,隨后應(yīng)變能率曲線上升較快表明應(yīng)變能有顯著的增加和集聚現(xiàn)象,此時(shí)的聲發(fā)射強(qiáng)度很小即進(jìn)入了聲發(fā)射平靜期。在能率曲線下降段煤巖內(nèi)部形成了謝和平等[23]所稱的“嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)”(多處微裂隙集聚區(qū)如圖6(a)(ⅱ)),能率曲線上升階段,在外力作用下嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)愈合吸收應(yīng)變能,降低了用來(lái)破壞巖體的能量,產(chǎn)生的損傷裂紋較少?gòu)亩霈F(xiàn)了聲發(fā)射平靜期。Ⅳ區(qū)應(yīng)變能率曲線整體急速向下偏轉(zhuǎn)表明積蓄在煤巖內(nèi)部的應(yīng)變能在該區(qū)段內(nèi)的持續(xù)快速釋放,對(duì)應(yīng)于峰后初期高強(qiáng)度的聲發(fā)射階段。Ⅴ區(qū)能率曲線在接近同一水平上反復(fù)波動(dòng),主要是因?yàn)槊簬r此時(shí)已破壞承載力顯著下降,在后續(xù)加載過(guò)程中煤巖塊體不斷積蓄和釋放應(yīng)變能進(jìn)一步破碎塊體所致。

3.4 煤巖損傷演化特性分析

從煤巖單軸加載破壞過(guò)程損傷發(fā)展圖6(a)可見(jiàn),在加載初期煤巖內(nèi)部出現(xiàn)微損傷裂隙,呈現(xiàn)隨機(jī)零星分布狀態(tài)(圖6(a)(i))。隨著荷載增加,微損傷出現(xiàn)局部集中化趨勢(shì),在試樣上下部位形成了第1批裂紋源圖(圖6(a)(ii)),繼續(xù)加載出現(xiàn)第2批裂紋源,仍在試樣上下部位但數(shù)量相對(duì)較少。隨后在裂紋源處形成明顯的裂紋擴(kuò)張方向和演化形態(tài),表明試樣內(nèi)局部裂紋開(kāi)始穩(wěn)步擴(kuò)張,并延伸形成1,2號(hào)局部裂隙;此后,在試樣中央部位出現(xiàn)第3批裂紋源,裂紋源整體排列方向大致與兩條局部裂隙的裂尖連線一致(圖6(a)(iii)),在微裂紋源處的裂紋繼續(xù)發(fā)展貫通形成3號(hào)局部裂隙并與1,2號(hào)局部裂隙連通將煤巖一分為二,發(fā)生脆性張拉破壞(圖6(a)(iv))。

圖6 煤巖破壞過(guò)程損傷演化機(jī)制Fig.6 Damage evolution mechanism in coal rock failure process

圖6表明,煤巖損傷發(fā)展破壞大致經(jīng)歷4個(gè)階段:①微損傷彌散分布階段;②損傷局部集中發(fā)展成核階段;③裂紋穩(wěn)步擴(kuò)展形成局部裂隙階段;④局部裂隙貫通煤巖失穩(wěn)階段。圍壓對(duì)煤巖破壞發(fā)展4個(gè)階段的具體影響:①損傷的彌散分布階段基本沒(méi)有影響;②首批裂紋源(局部損傷成核區(qū))的分布,單軸集中在試樣上下部位,高圍壓時(shí)試樣的上下和中央部位都有分布,且隨圍壓的增大裂紋源數(shù)量增多,主要原因在于圍壓越大對(duì)煤巖試樣的側(cè)向約束越明顯,側(cè)向變形越難,裂紋源的裂尖閉合壓力較大擴(kuò)展困難,因而在裂紋源處的集中擴(kuò)展受到限制,進(jìn)一步損傷表現(xiàn)為內(nèi)部多處裂紋源的同時(shí)出現(xiàn);③不論圍壓高低,處在主控裂隙上的裂紋源裂隙擴(kuò)張速度較快,且擴(kuò)展方向逐漸趨于一致,直至相互連通形成局部裂隙。在形成主控破裂面前,隨著圍壓增加煤巖內(nèi)部局部裂隙增多;④煤巖由單軸脆性張拉破壞逐漸過(guò)渡為高圍壓的塑性剪切破壞,其剪切帶角度隨圍壓增加逐漸減小。高圍壓下煤巖破壞時(shí)被切割塊數(shù)較多。隨著圍壓增加,主控破裂面的寬度加大形成破碎帶,其內(nèi)煤巖呈粉碎性破壞狀態(tài)。主要原因在于高圍壓對(duì)煤巖塊體的側(cè)向移動(dòng)受到約束,外力做功更多的用來(lái)破壞較大塊體和破裂面兩側(cè)煤體。

以上分析結(jié)果表明:顆粒流的模擬能夠?qū)崟r(shí)顯示煤巖破壞過(guò)程中損傷裂隙萌生、成核、擴(kuò)展和貫通的時(shí)空特征,這是室內(nèi)物理試驗(yàn)無(wú)法獲得的,從而從細(xì)觀上揭示了煤巖破裂機(jī)理,彌補(bǔ)試驗(yàn)手段的不足。

4 結(jié) 論

(1)煤巖加載破壞過(guò)程聲發(fā)射有如下特征:加載初期基本沒(méi)有聲發(fā)射,在彈性階段有低強(qiáng)度聲發(fā)射出現(xiàn),進(jìn)入塑性階段聲發(fā)射開(kāi)始顯著增加,在峰后臨近處出現(xiàn)最大強(qiáng)度聲發(fā)射,殘余強(qiáng)度階段聲發(fā)射急劇降低并大致在一定范圍波動(dòng)。

(2)不同圍壓煤巖破壞時(shí),最大聲發(fā)射強(qiáng)度與峰值應(yīng)力并不對(duì)應(yīng),而是具有一定的滯后性,在低圍壓范圍這一滯后效應(yīng)隨圍壓變化較敏感,隨著圍壓增加,圍壓對(duì)其的影響程度減弱。

(3)隨著圍壓增加,煤巖的脆性降低而延性增加,并在最大聲發(fā)射前出現(xiàn)了明顯的聲發(fā)射平靜期,這表明巖石的延性越大,巖石破壞前聲發(fā)射的平靜期越明顯。

(4)從細(xì)觀力學(xué)角度詮釋了用微小顆粒與顆粒間的平行黏結(jié)構(gòu)成的受力構(gòu)架模擬由礦物顆粒構(gòu)成煤體的合理性,并從應(yīng)力轉(zhuǎn)移和受力框架消弱的角度合理解釋了聲發(fā)射規(guī)律。

(5)闡述了煤巖破壞的應(yīng)變能積蓄和釋放過(guò)程,并與聲發(fā)射特性相結(jié)合,指出聲發(fā)射平靜期的出現(xiàn)是由煤巖內(nèi)部嚴(yán)重?fù)p傷區(qū)的形成和損傷愈合吸收應(yīng)變能所致。

(6)將煤巖損傷破壞過(guò)程分為微損傷彌散分布、損傷局部集中發(fā)展成核、裂紋穩(wěn)步擴(kuò)展形成局部裂隙、局部裂隙貫通煤巖失穩(wěn)4個(gè)階段。指出隨著圍壓增加首批裂紋源數(shù)量增多,煤巖由脆性張拉破壞逐漸過(guò)渡為塑性剪切破壞。隨著圍壓增大主控破裂面的角度逐漸減小,寬度變大形成破碎帶。

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Damage evolution mechanism in the failure process of coal rock based on mesomechanics

WANG Yun-fei1,HUANG Zheng-jun2,CUI Fang1
(1.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2.School of Civil&Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

In order to effectively monitor the damage and stability extent of coal rock roadway,conduct the studies of coalrock damage and failure characteristics in Zhangcun Coal Mine.Firstly,the mechanics parameters of coal rock measured through the uniaxial compression experiment in Zhangcun Coal Mine,then obtained the mesomechanics parameters of coal rock and experiments carried out under different confining pressures by particle flow code.Analyzing the acoustic emission and strain energy characteristics in the failure process of coal rock,and consequently revealed the coal rock failure mechanism through the generation,propagation and coalescence process of cracks.Some main research results are as follows:the maximum intensity of acoustic emission lags behind the peak stress,the lag is sensitive with confining pressure in lower confining pressure range,the effect is attenuated in higher range.Arise the significant quiet period of acoustic emission before the maximum intensity of acoustic emission with confining pressure increasing,and point out the quiet period caused by the strain energy absorption in the process of the generation of serious damage zone and damage healing.Coal rock failure process is divided into four stages:damage random dispersion, damage coalescence in local scope,fissure steady developing into local crack,crack extension bring about coal rockfailure.Analyzing the effect of confining pressure on the four stages.

coal rock;confining pressure;acoustic emission;damage evolution;particle flow code;strain energy

TU452

A

0253-9993(2014)12-2390-07

2014-01-22 責(zé)任編輯:王婉潔

河南省教育廳重點(diǎn)資助項(xiàng)目(13A440323);國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51104057);河南理工大學(xué)博士基金資助項(xiàng)目(B2012-075)

王云飛(1978—),男,內(nèi)蒙古烏盟人,博士。E-mail:wyf_ustb@126.com

王云飛,黃正均,崔 芳.煤巖破壞過(guò)程的細(xì)觀力學(xué)損傷演化機(jī)制[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(12):2390-2396.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0111

Wang Yunfei,Huang Zhengjun,Cui Fang.Damage evolution mechanism in the failure process of coal rock based on mesomechanics[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2390-2396.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0111