不同速率下單雙釬頭破巖聲發射數值分析

張孟舉，趙伏軍,2，陳 珂，張 柏，李 玉，樊 勇

不同速率下單雙釬頭破巖聲發射數值分析

張孟舉1，趙伏軍1,2，陳 珂1，張 柏1，李 玉1，樊 勇1

(1.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學 煤礦安全開采技術湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201）

選用脆性花崗巖為研究對象，利用巖石破裂過程分析軟件RFPA2D，分別對其進行單、雙釬頭在不同加載速率下的數值模擬試驗，得到RFPA2D應力圖及相對應同一加載步下的聲發射圖。結果表明：較單釬頭相比，巖石在雙釬頭協同作用下將會形成應力疊加，且釬頭下面的裂紋會對相鄰裂紋產生影響，裂紋尖端會產生應力集中，試件破壞釋放出的聲發射能量和聲發射計數更大；隨著加載速率的增大，試件釋放的聲發射總能量增大，且所得豎向載荷增大。

巖石破碎；單雙釬頭；加載速率；數值試驗；聲發射

目前關于巖石破裂過程的數值分析方法已有了長足的發展，其中有有限差分法、有限單元法、邊界元法等數值模擬方法[1]。這些方法在致力于解決復雜的巖土工程問題上發揮了巨大的作用[2-4]。然而，上述諸多程序由于介質的不連續性和不均質性，在模擬巖石變形過程中仍存在很大的局限性[5]。1995年，唐春安研究并開發了巖石破裂過程分析方法(Rock Failure Process Analysis，簡稱RFPA2D)，有效地分析解決了巖石受載微細破裂至宏觀破裂的全過程[6-8]。以往學者將聲發射技術運用到巖石力學領域并取得了大量的成果[9-14]，但針對巖石在受釬頭不同加載速率作用破碎時聲發射活動規律研究較少，因此，本文以巖石破裂過程分析軟件—RFPA2D為媒介，開展不同加載速率、不同釬頭下破巖的聲發射數值試驗，探討不同速率下單、雙釬頭破巖特點與聲發射特征參量變化規律，以期為工程中安全高效、快速地破碎巖石提供有益的參考。

1 數值試驗模型

1.1 材料力學參數

RFPA2D建立模型的過程是基于巖石介質的彈性損傷理論、判斷單元損傷程度的最大拉伸強度準則、Mohr Coulomb等準則基礎上的。本次數值試驗所用花崗巖力學參數采用室內試驗中真實物理力學參數，釬頭材料參數以硬質合金刀具參數為基礎，相關參數見表1、表2。

1.2 模型創建及加載條件

數值試驗選用二維條件下的模型（圖1），花崗巖試件尺寸為兩種：單一釬頭下模型尺寸為110 mm×150 mm，網格劃分110×150個單元；雙釬頭下模型尺寸為110 mm×220 mm，網格劃分110×220個單元，雙釬頭間距為20 mm。本次數值模擬試驗方案依據程序自身的功能和細觀基元材料相變強度的限制，加載方式采用軸向位移加載，加載速率設定為0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009 mm/步，每種加載速率保持不變，直至花崗巖破裂。

圖1 加載模型Fig.1 The loading model

2 數值試驗結果分析

選取單、雙釬頭在不同加載速率試驗中典型的應力圖和聲發射圖進行分析，這里我們選取了速率為0.007 mm/步的模擬結果進行分析。圖2中數值分析程序中應力圖各單元亮度表示釬頭作用應力分布程度，越亮區域代表高應力區，黑色部分表示單元已破碎；聲發射圖中圓圈圓心代表巖石發生裂隙的聲發射源位置，圓圈半徑的大小代表聲發射釋放的相對能量。

2.1 單釬頭作用花崗巖破碎數值模擬結果分析

圖2表明，單釬頭初始作用于巖石時，釬頭與巖石間產生接觸擠壓，此時釬頭正下方和兩側下面的巖石內出現白亮區，且該部分白亮區的明亮程度隨巖石單元與釬頭距離的增加而減弱，在集中載荷作用下，力學性質較弱的單元首先發生破裂，從而產生聲發射。隨著載荷的持續增加，釬頭兩側的巖石開始出現小的損傷繼而形成微小裂紋，繼續增加載荷，兩側巖石開始出現明顯的損傷破壞，裂紋得到進一步擴展，且聲發射事件數也隨損傷程度和裂紋的增大而增加，如圖中第70步。運行至第130步時，釬頭左右兩側裂紋擴展程度不盡相同，右側裂紋明顯比左側裂紋更加發育，巖石的非均質性是造成這種現象的主要原因，該數值模擬結果與物理實驗較為吻合。巖石模型單元的性質是隨著裂紋的擴展而動態變化的，軟弱單元按Weibull規律隨機分布在裂紋擴展的方向周圍，這些軟弱性質單元的破裂導致裂紋在載荷的作用下持續萌生、擴展，進而形成比較大的宏觀裂紋，單元的破裂也是聲發射事件產生和聲發射能量釋放的源點。隨著載荷的逐漸增加，第150步時裂紋貫穿致巖石破裂，聲發射事件與巖石破裂形態對應分布。

表1 釬頭及花崗巖模型材料參數Tab.1 The parameters of the drill bits and granite model material

表2 強度準則控制參數Tab.2 The control parameters of the strength criterion

圖2 單釬頭作用花崗巖破碎數值模擬結果(0.007 mm/步)Fig.2 The numerical simulation results of the granite crushing under single bit (0.007 mm/step)

2.2 雙釬頭作用花崗巖破碎數值模擬結果分析

由圖3可知，兩種類型雙釬頭初始作用巖石時，每個釬頭附近巖石內的應力分布情況同單釬頭作用下的初始階段幾乎一致。隨著載荷逐漸增加，雙釬頭相互作用，巖石中心區域應力相互疊加形成更高的集中應力，釬頭中間的巖石單元首先出現破碎，加劇裂紋的萌生、擴展，同時，對應產生的聲發射事件主要集中在應力疊加區，如圖3第50步所示。加載步從50步到80步，相鄰釬頭兩側的裂紋并沒有呈理想狀態下的對稱擴展，而是左邊裂紋發育程度更加明顯，曲折地向巖石深部擴展，導致此種情況的原因是應力疊加使得裂紋擴展后裂紋附近單元發生相變，單元彈性模量急劇下降，單元的承載能力減弱，應力重新分布，而左側裂紋尖端附近有較多單元剛度弱化，其抵抗剪切破壞的能力削弱，故左側裂紋迅速得到擴展，聲發射能量急劇增加。右側釬頭下的裂紋迅速擴展，最終與左側裂紋貫通，形成破碎塊體，試件破裂。

圖3 雙釬頭作用花崗巖破碎數值模擬(0.007 mm/步)Fig.3 The numerical simulation results of the granite crushing under dual drill bits (0.007 mm/step)

從圖3的模擬情況來看，加載步運行至中后期時，受兩釬頭疊加應力的影響，巖石中間部分承受很大的集中應力，很多單元已經發生破壞且還在持續破壞，聲發射事件密集地聚集在集中應力區，說明在此過程有大量的新裂紋萌生、形成并延伸擴展，由越來越多的細觀單元變形、破壞，繼而累積成大的宏觀裂隙，這些宏觀裂紋相互交叉貫通，致使巖石試件破裂后形成較多體積不等的離散塊體，破巖效果比較明顯。

2.3 不同加載速率單雙釬頭作用下破巖數值分析

下面從數值模擬的角度分析加載速率對單、雙釬頭侵入巖石破碎的影響。

由表3可知，單釬頭作用下，破巖最大豎向載荷隨加載速率的增加而增加，但載荷變化比較平緩，增加幅度較小。同時可以看出，巖石破碎聲發射總能量亦隨加載速率的增加而增加，由此可見，加載速率對巖石單元破碎及裂紋擴展情況具有很大的影響。雙釬頭作用下破巖載荷及聲發射變化形式與單釬頭類似，同樣表現出豎向載荷和聲發射累積總能量隨加載速率的增加而增加。對比兩者可知，雙釬頭破巖釋放聲發射能量整體較單釬頭大，說明雙釬頭協同作用巖石時，巖石單元破碎數量較多，萌生新裂紋的數量也越多，同時由于雙釬頭破碎花崗巖所需加載步數遠比單釬頭少，故破巖時間大大縮短，提高了破巖的效率。

表3 不同速率單、雙釬頭破碎花崗巖數值試驗結果統計Tab.3 The results of granite crushing numerical experiment under different rates of single and dual drill bits

3 結論

1）釬頭作用于巖石的初始階段，集中應力下靠近釬頭的力學性質較弱的單元先破裂，初期聲發射事件和能量均比較少。隨著加載運行至中后期，釬頭下方部分巖石出現明顯的損傷破壞，聲發射事件及能量釋放短時間內急劇增加。

2）同一加載速率雙釬頭協同作用下巖石內部裂紋擴展更加豐富，裂紋萌生、擴展時間較短，破巖所需加載步數比單釬頭少，聲發射事件計數和釋放的聲發射能量遠大于單釬頭，且雙釬頭下巖石破碎塊度較多、范圍廣。

3）相同加載速率下，雙釬頭破碎巖石所得的最大豎向載荷和聲發射總能量均比單釬頭大；不同加載速率下，最大豎向載荷隨加載速率的增加而增加，且破巖釋放的聲發射總能量亦隨速率的增加而增加，其中豎向載荷增加幅度較小。

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（責任編輯 王利君）

Numerical experiment of acoustic emission of rock fragmentation under single or dual drill bits and different loading rates

ZHANG Mengju1，ZHAO Fujun1,2，CHEN Ke1，ZHANG Bai1，LI Yu1，FAN Yong1

(1. School of Energy and Safety Engineering Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201 , China; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines, Xiangtan 411201 , China)

Using the rock failure process analysis software - RFPA2D, we selected brittle granite as the object and carried out numerical crushing experiment under different loading rates, got the RFPA2Dstress diagram and the acoustic emission diagram corresponding to the same loading. The results show that, compared to a single drill bit, the rock will form stress superposition inside when it is under dual drill bits, and the crack under the superposition of stress will impact on adjacent cracks, the crack tip can produce stress concentration, the crushing rock will release more energy and the counts of acoustic emission; with the increasing of loading rate, the total energy of acoustic emission and the vertical load released by the crushing rock will increase.

rock crushing; single and dual drill bits; loading rate; numerical experiment; acoustic emission(AE)

TD315

A

1673-9469（2017）01-0017-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.004

2016-09-20

國家自然科學基金資助項目(51474103)；湖南省自然科學基金資助項目（2015JJ2070）；湖南省研究生科研創新項目（CX2015B508）

張孟舉（1989-），男，河南濮陽人，碩士，研究方向為巖石力學。