圍壓條件下粒子沖擊破巖裂隙擴展機理研究

劉 勇, 李 興, 郭鑫輝, 魏建平, 宋大釗

(1. 河南理工大學 瓦斯地質與瓦斯治理國家重點實驗室培育基地,河南 焦作 454000;2. 煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心,河南 焦作 454000;3. 北京科技大學 土木與資源工程學院,北京 100083)

隨著資源開采深度增加,巖石逐漸處于高地應力環境中,其力學性質較淺部巖石明顯不同[1],如巖石強度增大、延性提升等,導致采掘工程中掘進刀具磨損增加。而鉆具磨損是制約深部掘進效率的主要因素。降低鉆具磨損、提高鉆具使用壽命是提升掘進效率的關鍵[2-4]。

輔助破巖是降低巖石強度、減小鉆具磨損、提升鉆進效率的有效技術手段。高壓水射流輔助破巖利用水錘效應沖擊巖石表面導致巖石內部裂隙萌生與擴展,降低巖石強度[5-7]。Wang等[8]通過開展水射流切割大理巖的試驗,研究發現高壓水射流輔助破巖能夠有效降低全斷面掘進機刀盤推進力和刀具磨損量。Zhang等[9]通過研究水射流噴射壓力等水射流參數對滾刀破巖載荷和破巖效率的影響,發現高壓水射流能夠使刀具破巖載荷降低約40%,提高破巖效率。可以看出,高壓水射流能夠有效降低鉆具磨損,提升掘進效率。但高壓水射流輔助破巖壓力較高(200 MPa以上),存在安全隱患;且僅能通過增大壓力提升破巖效率,能量消耗較高[10]。除高壓水射流外,學者們提出了激光、微波等輔助破巖技術。研究表明激光、微波輔助破巖技術均基于熱效應原理導致巖石內部裂隙萌生、強度降低,具有高效、適用范圍廣等優點,但能量轉換率低、成本高,且高溫加劇了鉆具的磨損[11-13]。

采用低壓、低溫破巖技術輔助機械掘進是重要的發展趨勢之一。粒子沖擊輔助破巖具有低壓、低能耗等優點,具有廣泛的工程應用前景。粒子沖擊破巖采用高速介質加速粒子,使其具備高沖擊動能,沖擊巖石后,沖擊應力波在巖石內傳播并促使巖石原生裂隙擴展,實現巖石的整體破碎[14-16]。祝效華等[17]基于離散元顆粒流方法對粒子射流破巖過程進行數值模擬,研究了粒子粒徑、入射角度、入射速度等不同射流參數下輔助破巖規律,結果表明該技術是提高硬巖層掘進效率、降低鉆具磨損的有效手段。在深部巖體采掘活動中,巖石處于高圍壓狀態,除粒子屬性外,圍壓也是影響破巖的主要因素。Zhao等[18]基于離散元方法分析了單軸和雙軸壓縮條件下巖石裂隙擴展行為,結果表明圍壓的增大能夠有效提升巖石強度,抑制拉伸裂隙的萌生和擴展。Chen等[19]采用離散元方法對不同圍壓下的節理巖石進行數值模擬,結果表明試件抗壓強度和彈性模量隨著圍壓的增加而增大,且圍壓的增大抑制拉裂隙的萌生和擴展,破壞模式由拉伸破壞向剪切-壓縮破壞轉變。可以看出,圍壓能夠引起巖石強度參數及應力場發生變化,進而影響巖石裂隙擴展。而巖石裂隙擴展特征是影響巖石殘余強度,決定刀具受力和磨損的主要因素。因此,研究圍壓對粒子沖擊作用下巖石裂隙擴展行為的影響具有重要意義。

為揭示粒子沖擊下圍壓對巖石裂隙形成及擴展機制的影響,本文開展了不同圍壓下粒子沖擊破巖試驗和工業CT掃描試驗,分析了粒子沖擊作用下不同圍壓下巖石裂隙擴展特征。采用顆粒流構建粒子沖擊破巖等效晶質模型,開展不同圍壓條件下粒子沖擊破巖數值模擬,分析粒子沖擊作用下巖石的應力場和裂隙場的演化過程,揭示圍壓對裂隙擴展行為的影響。

1 試驗研究

1.1 試驗原理

巖石破壞是微觀晶體間膠結斷裂、裂隙擴展聯通的結果。為明確粒子沖擊下巖石破壞特征,分析圍壓對巖石裂隙擴展行為的影響,需獲得巖石試樣內部微觀裂隙擴展變化,而微納米工業CT掃描技術是觀測巖石內部微觀裂隙分布的有效技術手段。因此,采用自行研制的粒子沖擊破巖試驗系統開展不同圍壓條件粒子沖擊破巖試驗,并基于微納米工業CT掃描試驗分析不同圍壓條件下巖石微觀裂隙特征及擴展變化規律。

1.2 試驗系統

1.2.1 粒子沖擊破巖試驗系統

自行研制的粒子沖擊破巖試驗系統主要由壓縮空氣供給系統、粒子沖擊系統和圍壓加載系統組成,如圖1所示。空氣壓縮裝置主要由空壓機(40 MPa、2 m3/min)、高壓儲罐和控制組件組成。粒子沖擊系統由儲氣倉、活塞、電磁開關、粒子沖擊腔、復位裝置和控制組件組成。圍壓加載系統由手動加壓泵和圍壓加載室組成。圍壓加載室由外層鋼體和內層可變形承壓復合材料層組成,通過手搖泵將液態水注入外層鋼體與復合材料層形成的空隙層,復合材料層擠壓巖樣達到加載圍壓的目的。在試驗前將巖石試樣放入圍壓加載室,轉動手動加壓泵搖桿將圍壓加載至指定壓力。壓縮空氣供給系統通過控制組件和監測系統將一定壓力的壓縮空氣儲存至粒子沖擊系統中的儲氣倉。電磁開關處于常閉狀態,在儲氣過程中,通過活塞密封儲氣倉。當壓力達到指定壓力時,電磁開關開啟,壓縮空氣驅動活塞加速并加速粒子,使粒子具備高沖擊能量,對巖石進行沖擊破碎。同時活塞在復位裝置作用下,返回儲氣倉出口并觸發電磁閥關閉,密封儲氣倉。

圖1 粒子沖擊破巖試驗系統Fig.1 Particle impact rock breaking experiment system

1.2.2 微納米工業CT掃描系統

微納米工業CT掃描系統(型號為phoenix v|tome|x s)工作原理是利用X射線對試樣進行逐層切片掃描,穿過試樣的射線被路徑中物質吸收或散射而發生強度衰減,對衰減后射線收集并利用三維重構算法以圖像形式呈現試樣內部結構。試驗設備如圖2所示,本系統配備2個X射線管用以發射X射線,其中微米級射線管掃描分辨率為2 μm,納米焦點射線管掃描分辨率為0.5 μm。采用微納米工業CT掃描系統對不同圍壓下粒子沖擊巖石試樣進行掃描獲得其微觀裂隙擴展變化。

圖2 微納米工業CT掃描系統Fig.2 Micro nano industrial CT scanning system

1.3 試驗方案

試驗巖樣采用花崗巖的主要成分為微風化中粗粒黑白云母、長石、石英等。為了減少試驗結果的離散性,巖樣取自同一塊巖石。利用取芯機、巖石切割機、雙端面磨石機將巖樣加工成Φ50 mm×25 mm的標準尺寸;試驗所用粒子為6 mm的硬質合金球體,密度為7 850 kg/m3,如圖3所示。為明確圍壓對粒子沖擊破巖效果的影響,考慮實際工程情況,開展了10 MPa和20 MPa圍壓條件下粒子沖擊破巖試驗,用以模擬開采深度為400 m和800 m巖層賦存情況,試驗方案如表1所示。

表1 不同圍壓粒子沖擊破巖試驗方案

圖3 花崗巖試樣與剛性粒子Fig.3 Granite rock samples and particles

1.4 試驗結果與分析

試驗結果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 0圍壓粒子沖擊破巖效果Fig.4 Rock damage effect after particle impact under 0 confining pressure

圖6 20 MPa圍壓粒子沖擊破巖效果Fig.6 Rock damage effect after particle impact under 20 MPa confining pressure

由圖4、圖5和圖6可知,高速粒子沖擊作用后,在巖石內部形成破碎程度較大的破碎區和主裂隙擴展區。且隨著圍壓增大,主裂隙擴展區逐漸消失。當圍壓為0時,花崗巖顆粒在壓應力作用下擠壓、變形發生破壞形成壓剪破碎區。隨著裂隙進一步沿晶體間擴展、貫通,巖石發生軸向張拉劈裂破壞。當圍壓為10 MPa時,主裂隙沿晶體間膠結擴展,裂隙數量減少,且未貫通形成宏觀破壞。當圍壓為20 MPa時,僅在粒子撞擊區域形成破碎區。

對圍壓為10 MPa、20 MPa的試樣進行工業CT掃描試驗,并對試樣內部裂隙進行三維重構,如圖7所示。粒子沖擊作用后,在撞擊區域形成破碎區,且主裂隙以破碎區為中心向巖石試樣軸向及徑向擴展延伸,根據裂隙形態特征可以看出,主裂隙以軸向張拉裂隙為主。統計不同圍壓條件下花崗巖試樣裂隙體積,圍壓由10 MPa增大至20 MPa后,裂隙體積由362.86 mm3減少至214.47 mm3。圍壓的增大使破碎區體積降低、晶間主裂隙數目減小。這說明圍壓增大能夠抑制裂隙的產生,使巖石試樣裂隙總體積降低。

圖7 不同圍壓條件粒子沖擊巖石裂隙三維重構Fig.7 Three dimensional reconstruction of rock cracks impacted by particles under different confining pressures

為進一步分析圍壓對花崗巖試樣破碎區及晶間主裂隙擴展區的影響,以撞擊面為起始面,50 μm為間隔,逐層提取不同圍壓下試樣不同位置處CT掃描切片。由于灰度值與樣品密度呈正相關,圖中白色區域為高密度礦物晶體,黑色區域為巖石試樣內部裂隙。10 MPa、20 MPa圍壓條件下花崗巖試樣破碎區工業CT掃描切片,如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知,圍壓由10 MPa增至20 MPa后,破碎區深度從2.50 mm減小至1.40 mm,破碎區體積明顯降低。

圖8 10 MPa圍壓條件下巖石破碎區CT掃描切片Fig.8 CT scan section of rock fracture zone under 10 MPa confining pressure

圖9 20 MPa圍壓條件下巖石破碎區CT掃描切片Fig.9 CT scan section of rock fracture zone under 20 MPa confining pressure

不同圍壓條件下花崗巖試樣主裂隙擴展區相同位置處CT掃描切片,如圖10所示。由圖10可知,圍壓由10 MPa增加至20 MPa,主裂隙數量明顯減少。試驗現象表明圍壓增大能夠抑制主裂隙的形成及軸向擴展。

圖10 不同圍壓條件下巖石晶間主裂隙擴展區CT掃描切片Fig.10 CT scan sections of intergranular main fracture extensions in rocks under different confining pressures

2 顆粒流數值模擬

2.1 模型建立

2.1.1 等效晶質模型

為進一步明確粒子沖擊作用下巖石破壞特征形成機制,分析圍壓對裂隙擴展形成的影響機理,采用離散元方法開展數值模擬。在顆粒流(particle flow code, PFC)2D仿真分析中,巖石由若干微小顆粒構成,并在顆粒間賦予不同的接觸模型。平行黏結模型(parallel-bonded model,PBM)在線性接觸模型(Linear)基礎上增加了黏結功能,使得接觸模型能夠傳遞力與力矩,巖石、混凝土等材料模型顆粒間常用PBM。然而PBM反演獲取的細觀力學參數進行單軸試驗模擬往往具有較高的抗拉強度。POTYONDY[20]提出的等效晶質模型(grain-base model,GBM)通過將PBM與光滑節理模型(smooth joint model,SJM)相結合,建立一種多邊形晶粒相互黏結的復雜巖石模型。GBM拉壓比在脆性巖石范圍,同時可以反映巖石晶體間摩擦、膠結破壞等力學行為,本文在GBM的基礎上開展研究。

GBM建模過程如圖11所示。在一定區域內生成巖石顆粒,隨后將泰森多邊形疊加在巖石顆粒上對每個晶體內顆粒分組;在晶體內部顆粒賦予PBM,晶體邊界顆粒間賦予SJM,最終得到花崗巖GBM。GBM存在兩種力學模型失效形式,如圖12所示。

圖12 PBM和SJM失效形式Fig.12 Parallel-bonded model and smooth joint model failure forms

平行黏結接觸的顆粒發生相對運動時,黏結剛度會在接觸處產生力與力矩。顆粒間的最大法向應力或剪切應力超過PBM黏結強度時黏結斷裂,與黏結相關的力、力矩和剛度會被移除,黏結發生破壞,最大法向和切向應力計算式為

(1)

(2)

而被賦予SJM球體的力學行為不再受顆粒黏結接觸方向影響。顆粒間接觸力一旦超過SJM的承受極限,顆粒將沿邊界面滑動,并不發生繞行行為。

2.1.2 細觀參數標定

離散元模型所采用的細觀參數與室內試驗所得的巖體宏觀力學參數之間尚未建立明確的量化關系。因此,為獲得合理的細觀參數,需要選用不同的細觀參數進行模擬試算,將試算所得模擬結果與室內試驗結果進行對比分析,直到模擬結果的宏觀力學參數及破壞形態與室內試驗結果相似,則可認為試算所用的細觀參數是合理的[21-22]。

本文基于單軸壓縮和拉伸試驗進行顆粒微觀參數標定,數值模擬所用試樣尺寸為Φ50 mm×25 mm,加載速度為0.005 m/s,保證模型試樣處于準靜態平衡狀態[23],標定結果如表2所示。單軸壓縮數值模擬應力應變曲線如圖13所示。

表2 花崗巖離散元模型微觀參數標定結果

圖13 單軸壓縮仿真模擬應力-應變曲線Fig.13 Uniaxial compression simulation stress-strain curve

標定后巖石試樣模型與實際巖石試樣的物理及力學參數如表3所示。

表3 數值模擬與巖石試件宏觀力學參數

2.1.3 粒子沖擊破巖模型建立

在巖層掘進過程中,巖石在受載狀態下粒子以一定速度沖擊破碎巖體,降低巖石強度。考慮計算效率,將粒子沖擊破巖過程簡化為二維數值模型。使用PFC2D軟件建立粒子沖擊破巖GBM,如圖14所示。在離散元數值模擬中,巖石模型通過兩側無摩擦剛性墻體和底部無摩擦剛性墻體對顆粒進行約束,并利用兩側墻體對巖石加載圍壓。考慮計算效率及試驗真實情況,巖石顆粒流模型尺寸為25 mm×50 mm,共11 979個顆粒,黏結參數與表2一致。在巖石模型中心軸線右側生成密度為7 850 kg/m3、半徑為6 mm的剛性顆粒作為粒子,改變圍壓對剛性粒子施加速度進行粒子沖擊數值模擬。

圖14 粒子沖擊破巖離散元模型Fig.14 Discrete element model of particle impact rock breaking

2.2 數值模擬方案

開展無圍壓條件下粒子沖擊破巖數值模擬研究,分析粒子沖擊作用下裂隙擴展特征及形成機制;為分析圍壓對裂隙擴展行為的影響,與試驗條件一致,開展不同圍壓條件下粒子沖擊破巖數值模擬,方案如表4所示。

表4 不同圍壓條件下粒子沖擊破巖模擬方案

2.3 裂隙擴展特征及形成機制

巖石應力狀態發生改變是巖石破壞直接原因。巖石顆粒間的拉應力或剪切應力超過其強度極限時,顆粒間膠結斷裂產生裂隙。在PFC中可通過在指定位置布置測量圓實現對該位置的應力監測。因此,為分析粒子沖擊作用下裂隙擴展特征及形成機制,在粒子沖擊破巖離散元模型上均布測量圓,得到巖石內部應力云圖,分析粒子沖擊破巖過程應力演化。圍壓為0,粒子速度為50 m/s沖擊過程中x方向主應力及裂隙演化如圖15所示,其中負值表示壓應力、正值表示拉應力。

圖15 無圍壓粒子沖擊巖石應力及裂隙分布Fig.15 Stress and fracture distribution of rock in particle impact process without confining pressure

高速粒子在沖擊巖石后,在撞擊點產生壓應力并以球面波形式在巖石內部傳播。隨著粒子速度降低,能量以應力波形式逐漸向巖石內部傳遞,并使撞擊點附近巖石顆粒壓應力快速升高。在壓應力作用下,顆粒間法向應力和剪切應力迅速增加,超過顆粒法向或切向黏結強度后,黏結斷裂形成張拉裂隙和剪切裂隙。在撞擊點附近,較高的壓應力使巖石晶體內產生張拉裂隙和剪切裂隙,且裂隙密度較高,形成破碎區。隨著破碎區的不斷增大,新增裂隙消耗沖擊應力波能量逐漸增大。當應力波能量不足以使破碎區邊界處巖石顆粒間膠結斷裂,破碎區邊界停止向巖石內部延伸,僅使強度較低的晶體間膠結發生斷裂,并在裂隙端部顆粒黏結處形成應力集中區,裂隙進一步發展,形成晶間主裂隙破壞區。

巖石宏觀破壞是微觀巖石顆粒間膠結在應力作用下破壞,同時裂隙貫通的結果。為進一步分析粒子沖擊巖石顆粒微裂隙裂的形成和擴展機理,在粒子撞擊點中心軸線上間隔3 mm布置兩個測量圓,提取應力時程曲線,如圖16所示測量圓A位于破碎區,測量圓B位于晶間主裂隙破壞區。

圖16 測量圓位置Fig.16 Measurement circle position

測量圓A區域處應力波x方向正應力σx、y方向正應力σy及剪切應力σxy時程曲線及裂隙數曲線,如圖17所示。粒子撞擊巖石3.5 μs后,應力波到達A區域,隨后A區域法向正應力迅速上升至94.1 MPa(壓應力);在壓應力作用下,剪切應力在12 μs時上升至25.2 MPa。A區域附近大量巖石顆粒在剪切應力和拉應力作用下發生膠結破壞,裂隙數目快速增加至1 500。大量膠結斷裂破壞導致應力波能量消耗,A區域壓應力和剪切應力快速下降,應力卸載明顯。20～40 μs剛性粒子壓密A區域破碎巖石顆粒,顆粒間壓應力和最大剪切應力再次提高。40 μs后沖擊粒子速度逐漸降低,不能持續擠壓巖石顆粒,應力逐漸降低直至為0。

圖17 測量圓A應力時程曲線及裂隙數量曲線Fig.17 Stress time curve of measurement circle A and cumulative number of fractures

無圍壓條件下破碎區的裂隙形成和擴展機理,如圖18所示。在應力波作用下b顆粒擠壓d、e顆粒,由于慣性作用和泊松效應,d、e顆粒向應力波切向兩側產生位移,導致d-e顆粒間膠結在y向拉應力的作用下產生張拉裂隙。隨后在壓應力作用下b顆粒向應力波法向位移使顆粒b-a、b-c間膠結在剪切應力作用下破壞形成剪切裂隙。應力波進一步作用b顆粒使其與d、e顆粒間產生扭轉發生剪切破壞。因此能量較大的壓應力是破碎區形成的主要原因,導致該區域巖石顆粒間在剪切應力和拉應力作用下形成剪切裂隙和張拉裂隙,并相互貫通形成破碎程度較大的破碎區。

圖18 無圍壓條件下破碎區裂隙形成和擴展機理Fig.18 Mechanism of fracture formation and propagation in the fracture zone without a confining pressure

測量圓B區域應力波x方向正應力σx、y方向正應力σy及剪切應力σxy時程曲線,如圖19所示。應力波在4.4 μs時達到B區域,34.9 μs時達到應力峰值60.6 MPa(壓應力),遠小于A區域應力峰值134 MPa。與A區域不同的是,由于慣性作用和泊松效應存在,在較低壓應力作用下,B區域局部y方向衍生拉應力峰值達到16 MPa,而剪切應力保持在較低水平。巖石顆粒間y方向衍生拉應力超過抗拉強度,巖石膠結斷裂產生微裂隙。壓應力擠壓微裂隙使裂隙端部形成應力集中區,裂隙進一步沿強度較低的晶體間膠結擴展形成主裂隙擴展區。

圖19 測量圓B應力時程曲線Fig.19 Stress time curve of measurement circle B

無圍壓條件下主裂隙擴展區裂隙形成和擴展機理,如圖20所示。其中d-e為強度較低的晶體間膠結,b顆粒在壓應力作用下擠壓d、e顆粒,使d-e間膠結呈現拉應力狀態。當拉應力超過d-e間抗拉強度時,膠結破壞形成晶體間裂隙。在應力波作用下裂隙進一步沿晶體間擴展、貫通形成晶間主裂隙擴展區。

圖20 無圍壓條件晶間主裂隙擴展區裂隙形成和擴展機理Fig.20 Mechanism of fracture formation and propagation in the intergranular main crack propagation zone without a confining pressure

2.4 圍壓對裂隙擴展行為的影響

不同圍壓粒子沖擊巖石裂隙分布規律,如圖21所示。不同類型裂隙占比,如圖22所示。由圖21和圖22可知,圍壓的增大能夠有效抑制裂隙的產生。在主裂隙擴展區,當圍壓增大至10 MPa時,晶間張拉裂隙占比大幅減小,晶內張拉裂隙與晶內剪切裂隙數目占比提升。當圍壓增大至20 MPa時,晶內張拉裂隙占比減小,晶內剪切裂隙占比增大。

圖21 不同圍壓粒子沖擊巖石破壞裂隙分布圖Fig.21 Fracture distribution of rock failure in particle impact process under different confining pressures

圖22 不同圍壓粒子沖擊巖石裂隙占比Fig.22 Percentage of different fractures in rocks after particle impact under different confining pressures

提取不同圍壓條件下測量圓A、B區域處x方向正應力、y方向正應力及剪切應力時程曲線,分析圍壓對破巖機理的影響。不同圍壓下測量圓A區域應力時程曲線,如圖23所示。由圖23可知,當圍壓為0時,巖石初始y方向正應力σy和剪切應力σxy均為0。粒子沖擊巖石后,x方向壓應力快速增加,剪切應力隨之提升。當剪切應力提升至16.3 MPa時,裂隙擴展至A區域。壓應力和剪切應力快速提升導致A區域巖石顆粒間膠結發生剪切破壞及張拉破壞。當圍壓為10 MPa、20 MPa時,A區域剪切應力分別為20.6 MPa、23.6 MPa。相比于無圍壓條件,剪切應力分別提高了4.3 MPa、7.3 MPa。圍壓增大導致巖石顆粒間膠結破壞所需剪切應力增大。

圖23 不同圍壓測量圓A應力時程曲線Fig.23 Stress time curve of measurement circle A under different confining pressures

圍壓條件下破碎區裂隙形成和擴展機理,如圖24所示。施加圍壓后,在顆粒間增加了為壓應力的初始預應力。b顆粒在應力波作用下產生位移,使顆粒在b-a、b-c間扭轉。當剪切應力達到顆粒間抗剪強度時,膠結破壞形成剪切裂隙。壓應力繼續作用于顆粒間膠結d-e時,使膠結受拉應力和剪切應力。在圍壓作用下,膠結需克服初始預應力才能發生斷裂形成張拉裂隙。而且由于b-d與b-e間膠結角度不同,d-e間剪切應力先達到其抗剪強度。顆粒b在應力波的持續作用下,使d、e顆粒發生扭轉,致使b-d、b-e間膠結在切應力作用下破壞形成剪切裂隙。對比無圍壓條件,d-e間膠結由張拉破壞轉化為剪切破壞。

圖24 圍壓條件下破碎區裂隙形成和擴展機理Fig.24 Mechanism of fracture formation and propagation in the fracture under a confining pressure

由圖24可知,圍壓增大抑制張拉裂隙的產生,促進剪切裂隙的產生,導致剪切裂隙比例提升。由于巖石的抗剪強度普遍大于抗拉強度,在圍壓條件下,需要更大的沖擊應力波能量才能破壞巖石。另一方面顆粒需克服切向摩擦力達到剪切破壞強度才能形成剪切裂隙。圍壓增大使顆粒相互擠壓,提升顆粒b-a、b-c、d-b、b-e間摩擦效應,因而導致形成剪切破壞所需切應力增大。顆粒間預應力的增大、剪切裂隙比例的提升以及摩擦效應的增強致使產生相同數量裂隙所需能量提高。

不同圍壓條件下測量圓B應力時程曲線,如圖25所示。由圖25可知,當應力波傳至B區域時,x方向壓應力增加,使y方向產生衍生拉應力。圍壓為0條件下y方向衍生拉應力上升至15.1 MPa,強度較低的晶體間膠結在衍生拉應力作用下破壞,形成主裂隙擴展區。當圍壓為10 MPa時,y方向衍生拉應力部分能量用于克服顆粒間預應力,拉應力峰值僅為8.6 MPa,主裂隙擴展區裂隙減少。當圍壓為20 MPa時,B區域未形成主裂隙擴展區。這是由于衍生拉應力未克服預應力形成拉應力,裂隙未進一步擴展形成主裂隙擴展區。

圖25 不同圍壓測量圓B應力時程曲線Fig.25 Stress time curve of measurement circle B under different confining pressures

圍壓條件下晶間主裂隙擴展區微觀破壞機理,如圖26所示。應力波作用于顆粒b使b-a、b-c顆粒間形成切應力,d-e顆粒形成拉應力。由于晶體間膠結強度遠小于晶體內膠結強度、抗拉強度小于抗剪強度,且應力波能量消耗使顆粒間切應力和拉應力峰值降低,僅能使晶體間膠結d-e發生張拉破壞。顆粒b繼續擠壓d-e間裂隙,在裂隙端部顆粒黏結處形成拉應力集中區,裂隙繼續在晶體間膠結擴展、貫通形成主裂隙擴展區。圍壓增大使顆粒間始終保持壓應力狀態,有效地降低了d-e間y方向衍生拉應力峰值,減小了主裂隙擴展區范圍。

圖26 圍壓條件晶間主裂隙擴展區裂隙形成和擴展機理Fig.26 Mechanism of fracture formation and propagation in the intergranular main crack propagation zone under a confining pressure

綜上所述,圍壓在巖石顆粒間施加預應力,使衍生拉應力需消耗能量克服顆粒間初始壓應力形成張拉裂隙,抑制了張拉裂隙的產生和晶間主裂隙的擴展。同時圍壓的增大導致巖石顆粒間剪切裂隙比例和摩擦效應提升,裂隙擴展能量消耗增大。

3 結 論

(1) 粒子沖擊巖石后,能量以球面波形式向巖石內部傳播。在撞擊點處較大的壓應力使巖石顆粒間發生擠壓、扭轉,使大量顆粒間膠結在剪切應力和拉應力作用下破壞形成破碎區。

(2) 由于巖石泊松效應的存在,應力波向巖石內部傳播過程中能夠在切向形成衍生拉應力。能量降低的應力波使強度較低晶體間膠結在切向衍生拉應力的作用下產生張拉裂隙。應力波進一步擠壓裂隙使端部顆粒黏結處形成應力集中區,裂隙發展形成晶間主裂隙擴展區。

(3) 圍壓通過在巖石顆粒間施加預應力,使衍生拉應力需消耗能量克服顆粒間初始壓應力才能形成張拉裂隙,進而有效抑制張拉裂隙的形成,導致晶間主裂隙擴展區消失;同時圍壓的增大導致巖石顆粒間剪切裂隙比例和摩擦效應提升,產生相同裂隙數目消耗能量增大,綜合作用下圍壓抑制了晶間主裂隙擴展區和破碎區的形成,破碎效果降低。