裂隙長度對大尺寸巖樣裂隙演化及破裂的影響特征

程斌斌 傅子群 陳軍濤

（1.應急管理部研究中心，北京 100713；2.山東科技大學，山東 青島 266590）

巖體裂隙發育以及演化貫通是造成工作面突水等災害事故的本質原因。迄今為止，國內外專家們針對礦井災害問題，對含不同裂隙長度的巖體貫通機制和破裂特性，采用理論分析、模擬試驗、數值模擬和現場實測等手段進行了探索與研究，獲得了大量研究成果[1-4]。如Juntao Chen[5]等提出了底板采動巖體的裂隙類型，分析了不同類型巖體裂隙的起裂和擴展判據。

以上研究對象大多是室內小尺寸巖樣，從中獲得的研究結果對現場災害預防及控制的參考意義不大。研究發現，巖石是一種非均質材料，巖樣各個點的力學特性存在差異。實驗中巖樣的尺寸大小對巖石的力學特性有較大影響，且只有尺寸不小于70 mm×210 mm 的巖樣，其巖石力學特性才逐漸趨于穩定[6]。為探究預制裂隙的不同長度對大尺寸巖樣破裂的影響規律，筆者對長400 mm、寬200 mm 大尺寸巖樣開展了單、雙預制裂隙加載實驗。

1 單裂隙擴演化的數值試驗

1.1 模擬方案

將裂隙試樣長、寬分別設定為400 mm、200 mm，由此劃分為400×200=80 000 個細觀單元，通過單軸壓縮實驗獲得了巖樣相關參數。預制裂隙參數及方案見表1。

表1 單裂隙模擬方案

1.2 模擬結果分析

經過模擬加載發現，三種不同預制單裂隙長度巖樣的裂隙發育以及巖樣破壞過程大體上相同，現以圖1（裂隙長度為40 mm）為例，探究不同裂隙長度對巖石單裂隙擴展的影響特征。與下部均出現了次生共面裂隙。該裂隙方向沿預制裂隙內部方向且呈近似對稱分布，同時伴有聲發射信號的不斷產生，如圖1（c）、（d）所示。伴隨著加載的進行，底部、翼裂隙、次生共面裂隙不斷擴展，同時開度不斷減小。從整個階段可以看出，拉伸破壞是引起巖樣裂隙擴展的主要原因，這與文獻[7]中的結論一致。

圖1 單裂隙擴展過程和聲發射特征（裂隙長度為40 mm）

三種不同裂隙長度的巖樣裂隙擴展演化特征點見表2。

表2 不同裂隙長度下單裂隙的發育特征

2 雙裂隙擴展演化及貫通模式的數值試驗

2.1 模擬方案

模擬巖樣尺寸、網格單元的劃分與1.1 中相同，裂隙幾何屬性和模擬方案見表3。

表3 雙裂隙模擬方案

從圖1 可以得出，大尺寸巖樣預制單裂隙的演化過程主要有以下四個特點：

（1）裂隙起裂。受載初期，巖石預制裂隙受壓力作用被壓密，在此過程中沒有出現聲發射信號；隨著加載的進一步進行，由于拉應力的作用，裂隙尖端出現起裂，同時產生翼裂隙，此時開始產生聲發射信號，此時上下端翼裂隙的起裂角分別為89°、99°。

（2）裂隙擴展方向逐步與加載方向相同。對于翼裂隙，伴隨著模擬地進行，上部擴展方向首先開始接近加載方向，之后下部擴展方向開始轉向加載方向。在時間上，裂隙尖端上部早于下部，這符合斷裂力學中的力學規律。同時發現，隨著裂隙的發育，有較大的能量和擴展驅動力出現。

（3）底端的中部出現破裂點。當模擬進行至第105 步時，巖樣底端的中部出現了細小破裂現象，如圖1（a）、（b）所示，裂隙擴展過程十分緩慢。

（4）裂隙尖端出現次生共面裂隙。當模擬進行至第175 步時，由于受壓力作用，裂隙兩端上部

2.2 模擬結果分析

經過模擬加載發現，三種不同預制雙裂隙長度巖樣的裂隙擴展過程大致相同，現以圖2（裂隙長度為20 mm）為例，研究在不同裂隙長度下巖樣雙裂隙的演化規律。

加載初期，裂隙的擴展非常緩慢，當模擬進行至第108 步，裂隙才產生起裂，從而形成翼裂隙，同時開始產生聲發射信號。如圖2（a）、（b）所示，在模擬過程中，翼裂隙朝加載的方向擴展，同時橢圓應力區在雙裂隙之間形成，且該橢圓區的長軸為兩條裂隙的間距。當加載至第265 步時，其底端發生了輕度的拉剪破壞現象，與此同時，巖樣出現了復合型破壞現象，該破壞主要以拉剪貫通為主，如圖2（c）、（d）所示。在翼裂隙發育過程中，在擴展長度上，外端翼裂隙短于內部翼裂隙，該結果符合文獻[8]的模擬結果。

圖2 雙裂隙演化模式和聲發射行為特征（裂隙長度為20 mm）

其他兩種巖樣雙裂隙的長度，對比裂隙長度為20 mm 時，巖樣裂隙起裂速度加快，如表4 所示，隨后裂隙擴展速度越來越快。隨著模擬的進行，40 mm 和60 mm 裂隙長度的巖樣底端由于受到拉力作用，分別在第161、90 步出現了破壞。最終，三種預制雙裂隙長度的巖樣分別在第265、231、200 步出現壓拉復合型破壞的情況。

表4 不同裂隙長度下雙裂隙的發育特征

3 結論

（1）大尺寸巖樣在加載過程中出現了裂隙起裂、裂隙擴展趨于加載方向、底端出現輕度破裂、尖端出現次生共面裂隙、最終破裂，共五個主要的特點。

（2）巖樣預制裂隙擴展速度伴隨著巖樣裂隙長度的增加而加快，起裂角大小的變化毫無規律可言，裂隙承載應力的能力越來越弱，因而破壞速度越來越快；在加載破壞之前，裂隙之間就已經產生了剪切破壞。

（3）大尺寸巖樣模擬加載過程中不難看出，聲發射的信號強度越來越強，說明裂隙擴展是釋放能量的一種方式。

（4）在次生共面裂隙出現后接下來往往伴隨著巖樣的突然性破裂，這表明大尺寸巖樣的破裂存在突發性。