微裂隙對深部高應力圍巖劈裂破壞演化規律的影響分析

聶韜譯，浦　海，劉桂宏

(1.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221116; 2.中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州221116)

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微裂隙對深部高應力圍巖劈裂破壞演化規律的影響分析

聶韜譯1，2，浦海1，2，劉桂宏1，2

(1.中國礦業大學深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州221116; 2.中國礦業大學力學與建筑工程學院，江蘇徐州221116)

［摘要］引入表征體積單元，采用考慮閉合效應下基于曲線擴展路徑的劈裂演化等效連續體模型，利用FISH語言，內嵌入FLAC軟件中，使方法程序化，分析微裂隙對深部高應力圍巖劈裂破壞演化規律的影響。結果表明:裂隙越長，圍巖劈裂破壞深度、面積越大;隨著傾角的增長，劈裂破壞深度、面積先增大后減小并最終趨向于0，45°時達到最大值，傾角接近90°時，微裂隙形成自鎖，劈裂破壞顯著抑制;隨著摩擦系數的增大，劈裂破壞深度、面積逐漸減小并最終趨向于0。

［關鍵詞］微裂隙;深部;高應力圍巖;劈裂破壞;數值模擬

［引用格式］聶韜譯，浦海，劉桂宏.微裂隙對深部高應力圍巖劈裂破壞演化規律的影響分析［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 4－7.

劈裂破壞是深部圍巖脆性破壞的重要形式之一，由于其危害巨大，引起了國內外學者的廣泛關注［1－9］。文獻［1－5］從實驗室角度研究了劈裂破壞的形成機理。文獻［6］基于翼裂紋尖端的應力強度因子提出了劈裂破壞判據。文獻［7］考慮開挖卸荷效應提出了劈裂破壞的預測新方法，數值模擬結果與檢測結果吻合較好。文獻［8］提出了薄板力學模型，能較準確地預測劈裂圍巖的應力和位移。文獻［9］基于雁型裂紋模型，提出了相應的劈裂破壞判據，計算結果與經驗公式吻合較好。

巖體破壞的本質即為微裂隙成核、擴展、相互貫通的過程。微裂隙的存在控制著巖體工程的破壞和穩定性。研究微裂隙對巖體破壞規律的影響具有重要意義。盡管學者們早已意識到這一點，但限于研究手段，很少有人研究微裂隙對巖體破壞的影響。目前微裂隙對巖體劈裂破壞演化規律的影響研究尚未見諸報道。

鑒于目前大型工程數值仿真分析中無法直接通過連續介質力學方法模擬微裂隙，本文引入了表征體積單元(REV)，采用筆者提出的考慮閉合效應下基于曲線擴展路徑的劈裂演化等效連續體模型，通過FISH語言，內嵌入FLAC軟件中，使方法程序化，分析微裂隙對深部高應力巷道劈裂破壞的影響，為深部工程的設計、施工和支護方案的優化及重大地下工程災害的防治提供依據和指導。

1　圍巖劈裂破壞預測公式

實際巖體工程中，微裂隙一般不單獨存在。因此對于多裂隙巖體，引入表征體積單元(REV)，從微觀角度考慮材料特性。單元中的多裂隙分布如圖(1)所示。

圖1　表征體積單元中的多裂隙分布示意

文獻［10］考慮裂隙閉合效應，基于曲線翼裂紋擴展路徑，提出了預測劈裂破壞的公式。劈裂裂縫的初裂強度判據為:

其中:

式中，a為原裂半長，KIIc為基體的Ⅱ型斷裂韌度，σ1，σ2為作用于表征體積單元上的主應力，φ為微裂隙傾角，f為微裂隙表面摩擦系數。

宏觀劈裂貫通判據為:

其中:

式中，lc為臨界擴展長度，是與材料相關的常數［11］;εθmax和εc分別為最大周向拉應變及其極值;μ和E分別為基體的泊松比和彈性模量。θ為極坐標的極角; r為極徑; KwIing，KwⅡing分別為翼裂尖端應力強度因子公式;γB是起裂角，詳見文獻［10］。

2　巷道劈裂破壞數值模擬結果及分析

本文計算了巷道在不同微裂隙跡長、傾角、表面摩擦系數下的劈裂破損圖，旨在了解微裂隙參數對圍巖劈裂破壞的影響。為了簡化計算，圍巖由單一巖性構成，參數見表1。模擬區域的長×寬×高= 30m×10m×30m。邊界條件如下:底面固定，側面施加水平約束，限制水平向位移，模型上表面施加均布載荷20MPa，以模擬1000m深巷道的上覆巖體自重邊界。

表1　圍巖物理力學參數

2.1不同裂隙跡長下的巷道圍巖劈裂破壞特性

取傾角45°，摩擦系數0.3，翼裂臨界長度3.5mm，研究原生裂隙跡長分別為1mm，2mm，3mm，4mm，5mm時，深部高應力巷道劈裂破壞演化規律，數值模擬結果見圖2。

圍巖劈裂破壞深度隨跡長的變化規律如圖3 (a)所示，劈裂破壞區面積隨跡長的變化規律如圖3 (b)所示。

圖3數據表明:隨著微裂隙的增長，圍巖穩定性變差，劈裂破壞深度、面積隨之增大。跡長的增長對原巖應力重分布的影響如下:

圖2　不同跡長下的巷道圍巖劈裂破損區分布

(1)原裂尖端應力場增強根據斷裂力學理論，應力強度因子與裂隙長度的方根成正比，同時應力強度因子是表征裂尖奇異性強弱的重要參數。因此跡長越長，原裂尖端的應力集中效應越明顯，應力場也越強。

(2)原裂紋對翼型裂紋尖端應力場的影響增強根據文獻［6］，原裂紋對翼型裂紋應力強度因子的貢獻與總裂隙半長的方根成正比，原裂長度增長，其對翼裂尖端應力場的影響加劇。根據疊加原理可知，裂隙附近的應力場增強，但斷裂韌度保持不變，因此隨著跡長的增長，圍巖的抗劈裂能力弱化，破壞發育。

圖　3巷道圍巖劈裂破壞特性隨跡長的變化曲線

裂隙跡長為1mm時，拱部裂隙、底腳裂隙穩定性較差，抗劈裂能力較弱，為危險初始裂隙，其他部位為安全裂隙。裂隙跡長增長至2mm時，拱腳裂隙、底板裂隙由安全裂隙轉化為危險裂隙，此時圍巖只有兩幫未發生劈裂。該現象可用劈裂破壞的宏觀力學機制解釋。巷道開挖卸荷，其作用機制類似于有側壓的環向加載和靜水壓力下的徑向卸載相疊加，兩種應力狀態都傾向于產生徑向的拉應力，由于巖體抗拉能力較低，圍巖發生劈裂破壞。本文工況中縱向的開挖卸荷效應較橫向強，因此裂隙跡長較短時，頂、底板首先發生劈裂破壞。當裂隙跡長大于2mm時，圍巖頂、底板和兩幫均發生劈裂，但頂、底板劈裂深度比兩幫大，同樣是由于縱向開挖卸荷效應較橫向強造成的。

2.2不同裂隙傾角下的巷道圍巖劈裂破壞特性

取裂隙跡長4mm，摩擦系數0.3，翼裂臨界長度3.5mm，研究原生裂隙傾角分別為15°，30°，45°，60°，75°時，深部高應力巷道劈裂破壞演化規律，數值模擬結果見圖4。

圖4　不同傾角下的巷道圍巖劈裂破損區分布

圍巖劈裂破壞深度隨傾角的變化規律如圖5 (a)所示，劈裂破壞區面積隨傾角的變化規律如圖5 (b)所示。

圖5數據表明:隨著傾角的增長，劈裂破壞深度、面積先增大后減小并最終趨向于0，45°時達到最大值。高傾角(傾角接近90°)下的劈裂破壞受到明顯的抑制作用。利用彈性理論分析，隨著傾角逐漸增大，裂面法向正應力逐漸增加;剪應力先增大后減小，45°時達到最大值。上述分析表明:傾角接近90°時，驅動裂面活化的剪應力接近最小值，抑制裂面摩擦滑動的正應力接近最大值，因此裂面產生摩擦自鎖現象，劈裂破壞程度顯著降低。為了驗證本文分析，筆者針對相同傾角(75°)，不同跡長(1mm，2mm，3mm，5mm)的情況進行了數值模擬研究，結果表明高傾角下的劈裂破壞均受明顯抑制。

傾角為15°時，拱部、拱腳、底部、底腳裂隙為危險裂隙，易發生劈裂;頂、底板的劈裂發育程度比兩幫高。隨著傾角的逐漸增大，劈裂發育程度逐漸增大，45°時達到最高。傾角繼續增大，劈裂發育程度衰減，衰減最快的是兩幫，其次是頂、底板。

圖5　巷道圍巖劈裂破壞特性隨傾角的變化曲線

2.3不同裂面摩擦系數下巷道圍巖劈裂破壞特性

取裂隙跡長2mm，傾角45°，翼裂臨界長度3.5mm，研究原生裂面摩擦系數分別為0.1，0.2，0.3，0.4，0.5時，深部高應力巷道劈裂破壞演化規律，數值模擬結果見圖6。

圖6　不同摩擦系數下的巷道圍巖劈裂破損區分布

圍巖劈裂破壞深度隨摩擦系數的變化規律如圖7 (a)所示，劈裂破壞區面積隨摩擦系數的變化規律如圖7 (b)所示。

圖7　巷道圍巖劈裂破壞特性隨摩擦系數的變化曲線

圖7數據表明:隨著摩擦系數增大，劈裂破壞深度、面積逐漸減小并最終趨向于0。摩擦系數增大，裂面粗糙程度增加，摩擦作用引起的切向抗滑力隨之增大，表明圍巖抗剪斷強度增大，導致裂面活化度降低，劈裂發育被抑制，最終趨向于0。

由數值模擬結果知:摩擦系數0.1時，拱部、拱腳、底部、底腳、幫部裂隙皆為危險裂隙，易發生劈裂。隨著摩擦系數的增大，幫部裂隙由危險裂隙轉化為安全裂隙。摩擦系數0.5時，底板裂隙也趨于穩定，劈裂發育程度大大降低。相同摩擦系數下，底板劈裂發育程度高于頂板。

3　結論

(1)不同跡長對深部高應力圍巖劈裂破壞的影響規律:隨著跡長的增長，圍巖的劈裂破壞深度、面積逐漸增大。跡長的增長對圍巖應力重分布的影響為:原裂尖端應力場增強;原裂對翼裂尖端應力場的貢獻增強。根據疊加原理知，裂隙的應力集中效應增強，因此斷裂韌度保持不變的情況下，圍巖抗劈裂能力弱化。

(2)不同傾角對深部高應力圍巖劈裂破壞的影響規律:隨著傾角的增大，劈裂破壞深度、面積先增大后減小并最終趨向于0，45°時達到最大值。高傾角(傾角接近90°)下的原生裂隙容易形成摩擦自鎖，由于原裂未能活化，劈裂破壞顯著抑制。

(3)不同摩擦系數對深部高應力圍巖劈裂破壞的影響規律:隨著摩擦系數的增大，劈裂破壞深度、面積逐漸減小并最終趨向于0。裂面粗糙程度增加，導致裂面切向抗滑力增加，裂面驅動活化的有效剪應力降低，致使劈裂破壞發育被抑制。

［參考文獻］

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［責任編輯:王興庫］

技術經濟管理

Influence of micro-fissure on Splitting Failure Evolvement of Deep Surrounding Rock with High Stress

NIE Tao-yi1，2，PU Hai1，2，LIU Gui-hong1，2

(1.State Key Laboratory of Deep Rock and Soil Mechanics and Underground Engineering，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China;
2.Mechanics＆Architecture Engineering School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221116，China)

Abstract:By importing representation element volume，equivalent continuum model of splitting evolvement with closure effect based on curve expanding path was applied to analyzing influence of micro fissure on splitting failure evolvement of deep surrounding rock with high stress with FLAC software.Results showed that the longer the fissure was，the larger the depth and area of splitting failure was.With inclined angle increasing，splitting failure depth and area firstly increased，then reduced and finally tended to 0.When inclined angle was 45，splitting failure depth and area reached the maximum.When it was near 90，micro fissure development was restricted.With frictional coefficient increasing，splitting failure depth and are gradually reduced and finally tended to 0.

Keywords:micro-fissure; deep; rock in high geo-stress; splitting failure; numerical simulation

［作者簡介］聶韜譯(1989－)，男，山西太原人，博士研究生，主要從事巖體斷裂力學方面的研究。

［基金項目］國家優秀青年科學基金(51322401) ;國家重點基礎研究發展計劃(973)項目(2013CB227900) ;國家自然科學基金委員會與神華集團有限責任公司聯合資助項目(U1261201) ;中國礦業大學中央高校基本科研業務費專項資金(2014YC09)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.002

［收稿日期］2014－09－03

［中圖分類號］TD313

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0004-04