单轴应力状态下石灰岩体静态破碎裂纹演化规律及应用

郝兵元,黄 辉,冯子军,王 凯,冯国瑞,康立勋

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;2.重庆安全技术职业学院安全工程系,重庆 404000;3.山西工程技术学院采矿工程系,山西阳泉 045000)

单轴应力状态下石灰岩体静态破碎裂纹演化规律及应用

郝兵元1,黄 辉2,冯子军1,王 凯3,冯国瑞1,康立勋1

(1.太原理工大学矿业工程学院,山西太原 030024;2.重庆安全技术职业学院安全工程系,重庆 404000;3.山西工程技术学院采矿工程系,山西阳泉 045000)

为了研究静态破碎过程中裂纹演化规律,采用真三轴岩石力学试验机对200 mm×200 mm× 200 mm的立方体石灰岩试样进行了单轴应力状态下静态破碎试验,并利用声发射空间定位技术对静态破碎过程中裂纹起裂与扩展进行监测。结果表明:单轴应力下裂纹起裂位置为钻孔中下部,并先后形成两组裂纹,每组裂纹沿孔壁对称分布并大致成一直线;两组裂纹的扩展速率均先快后慢,分为快速增长和快速下降两个阶段,并且下降阶段的裂纹扩展速率小于增长阶段扩展速率;先生裂纹的扩展速度大于后生裂纹;每条裂纹的扩展速度具有方向的差异性,即平行孔轴向方向大于与垂直孔轴向方向;基于弹性力学、断裂力学理论,建立了静态破碎剂作用力与裂纹扩展半径的关系,并通过试验结果验证了该模型的合理性。将研究结果应用于某高瓦斯矿实际地质条件下的强制放顶工程中,确定了静态破碎强制放顶的基本参数,获得了良好的工业效果。

单轴应力;石灰岩;静态破碎;裂纹扩展;声发射

煤矿综采工作面开采时逐步进入采空区的回采巷道,有多数锚索的锚具在服务期限内受动压及各种因素的影响[1-2],难于退锚和拆除,仍然在起悬吊和加固的作用,同时又处于采场顶板弧形三角板区域,因此巷道顶板不能随采面放顶而及时冒落,形成工作面上、下端头后部较大范围的悬顶,造成安全生产隐患,该问题具有普遍性。

目前处理悬顶的主要方法有:水压致裂和预裂爆破[3]。水压致裂对顶板的要求高、周期长,对含有裂隙的顶板处理效果较差,目前基本处于试验阶段[4-6]。预裂爆破具有周期短、施工方便、可行性好、成本低、效果好等优点,是处理顶板悬顶最有效的方法,在国内外的工程应用中最为普遍[7-10]。然而高瓦斯矿井采空区附近禁用火工品破岩,在高瓦斯矿井中采用预裂爆破方法处理顶板悬顶问题受到限制。静态破碎技术具有无震动、无粉尘、无毒气、安全性高等优点,是高瓦斯矿井处理坚硬顶板的最佳选择。

静态破碎技术作为一种破岩技术,广泛应用于多个领域,目前,在破碎机理、破碎裂缝的形成方面做了一些工作。郭瑞平等研究了静态破碎剂的膨胀机理及可控性[11];王玉杰对静态破碎技术膨胀机理及破岩机理进行了研究[12];唐烈先等对静态破碎剂作用下混凝土模型的破坏过程进行了物理和数值模拟试验,得到了先发生裂纹的破坏形式,及先发生裂纹的萌生、扩展到最后的失稳扩展过程[13];杨仁树等利用高速摄像技术研究了砂浆试样静态破碎过程中裂纹的扩展特征[14];李岩等研究静态破碎剂在不同水剂比及不同的水温条件下反应溶液温度即体积膨胀规律[15]。

已有的关于静态破碎过程中裂纹演化规律的研究不多,并且仅涉及人工配制的材料,如砂浆、混凝土,并且是在试样自由状态下进行的。而实际工程(如煤矿井下的巷道)中,进行静态破碎的对象——岩体,是受地应力场的影响。而目前关于应力条件下岩体在静态破碎过程中的裂纹演化规律的研究不多,考虑采场回采巷道悬顶处于顶板弧形三角区域,在巷道顶板临采空区的轴向和垂向均失去水平力联系,可认为只受垂直应力影响。因此,本文单轴应力状态下的实验条件与工程实际相符,利用声发射空间定位技术对石灰岩体(200 mm×200 mm×200 mm)在静态破碎过程中裂纹的演化规律进行研究,有一定的现实意义,并将研究结果应用于高瓦斯矿井强制放顶现场实际,获得了良好的工业效果。

1 试 验

1.1 试验试样与设备

试验所用的材料为K2石灰岩,将试样毛坯在岩石加工机上加工成200 mm×200 mm×200 mm立方体试样,沿垂直于层理方向在试样的中心位置设置一个直径50 mm、深度150 mm的孔,如图1所示。

图1 石灰岩试样Fig.1 Experimental samples of limestone

静态破碎剂采用太原理工大学矿业工程学院自制的矿用高效静态煤岩胀裂剂,产生的最大膨胀压力为80 MPa。试样加载采用太原理工大学自制的真三轴岩石力学试验机系统。

采用美国物理声学公司(PAC)生产的disp多通道声发射仪对裂纹演化特征进行实时监测和空间定位[16-17]。

1.2 试验步骤

(1)将石灰岩试样按照试验真三轴岩石力学试验规程安放在真三轴压力机上,然后分别沿轴向和一个侧向施加0.5 MPa的压力使试样固定,如图2(a)所示。

图2 试样和声发射探头安放及试样表面编号Fig.2 Installation of sample and AE sensors andnumber of sample faces

(2)试样安装固定后,对试样的6个面进行编号,如图2(b)所示。然后在另一个侧向未施加压力的两个平行面的对角线上分别安放声发射探头,并标记为1,2,3和4号,其中1和2号,3和4号共面,并且1-2连线、3-4连线相互交叉,而非平行,如图3所示。

(3)设定声发射监测系统基本参数。

(4)将静态破碎剂与水按质量比7∶3混合,升起轴压压头,将充分搅拌均匀后的水剂混合物倒入孔内,然后施加轴压,待轴压加至0.5 MPa时卸掉单向侧压,然后将轴压加至5 MPa,并保压,启动声发射监测系统。试验时室温为10℃,共对3个试样进行试验,每组试验均按上述步骤进行,试验结果一致性较强。

图3 声发射探头的空间位置Fig.3 Spatial layout of AE sensors

2 试验结果

试验过程中,钻孔中下部首先出现声发射事件集中,平行于Y轴的两个方向声发射事件逐渐增多。图4为1号石灰岩试样静态破碎过程中声发射事件的空间分布,图5为声发射累计事件数。

图4 石灰岩试样静态破碎时声发射事件的空间分布Fig.4 Spatial distribution of AE events in limestone during static demolition

结合图4和图5可以看出:

(1)试验开始的15 min内,声发射事件数较少。至20 min时,事件数明显增加,说明静态破碎剂开始反应;30 min时,事件数迅速增加,主要集中在孔壁中下部,事件发生密度较大,由此可以推断,裂纹先从该处起裂。

(2)40 min时,声发射事件继续增加,沿X方向并向孔底集中,说明破裂裂纹首先沿X方向起裂扩展,且向孔底部的扩展速度大于向孔口的扩展速度; 50 min时,在Z方向也产生了声发射事件的集中,说明此时在Z方向也产生了裂纹,从图5看出此时声发射事件数急剧增大。并且此时X方向裂纹沿Y方向(Y方向为轴压方向)贯通整个试样。

(3)60 min后,X方向的两条先生裂纹继续扩展,两条后生裂纹逐渐发育清晰;从图5看出80 min后声发射事件数直线增加,说明先生裂纹和后生裂纹进一步扩展。240 min以后静态破碎剂反应速度降低,裂纹扩展过程完成,最终在试样内部形成近乎相互垂直的“+”字形裂纹。

图5 石灰岩试样静态破碎过程中累计AE事件Fig.5 Accumulative AE events during static demolition in limestone

3 讨 论

3.1 单轴应力作用下静态破碎裂纹起裂规律

从图4声发射监测的结果来看,单轴应力条件下静态破碎裂纹起裂位置是孔中下部孔壁处。静态膨胀剂在孔内产生的膨胀压力向四周方向的大小基本相等,但封闭钻孔的压力仅为5 MPa(即轴压),因此,在孔中下部膨胀压力大于孔口处的膨胀压力,裂纹先从孔中下部孔壁形成。从图4(c)～(d)看,裂纹先在X方向沿孔壁对称形成,记朝向X负向的为裂纹A、朝向X正方向的为裂纹B。裂纹A和B大致位于一条直线上,并且裂纹A和B几乎同时产生。在Z方向也同时出现两条裂纹,分别记朝向Z正向的为裂纹C和朝向Z负向的为裂纹D。裂纹C和D的起裂位置也大致位于孔中下部的孔壁处,大致也在一条直线上。从起裂的时间来看,裂纹A和B先于裂纹C和D起裂。图6为试样静态破碎后裂纹分布状态。可以看出,单轴应力条件下单孔方形石灰岩静态破碎后形成两组裂纹,即裂纹A和B、裂纹C和D,每组裂纹几乎同时沿孔中下部对称起裂,两组裂纹按顺序起裂。

蒋进军等[18]的研究发现大理石第1条裂纹产生后,在其对称连线上产生第2条裂纹。本试验结果也发现裂纹的产生具有对称性,这一点与蒋进军等研究的结果相同。但与唐烈先等[12]关于混凝土静态破碎的研究结果存在显著的差异性,他们得出混凝土静态破碎后产生沿孔口分布的3条主裂纹。分析认为,这种差异性源于天然形成的岩石与人工制作的混凝土在物质组分、颗粒大小及分布、各组分的连接情况等方面的差异。具体到某个具体试件,其破坏形态有一定差异,但裂纹发生位置均在最小抵抗线附近。

图6 静态破碎后裂纹分布Fig.6 Fractures distribution of limestone after testing

3.2 单轴应力作用下静态破碎裂纹扩展速度变化规律

宏观裂纹的产生和扩展是许多微裂纹不断增加和聚集的结果,因此,声发射事件密集区域反映了裂纹形成和扩展的位置。从声发射监测的数据中,提取事件点主要集中区域的坐标,计算事件集中区域范围,可将其作为裂纹的扩展长度,图7是图4中XY平面内声发射事件集中区域计算图示,它反映了两条先生裂纹(裂纹A和裂纹B)扩展长度的计算范围。由此,获得了不同时间内裂纹A和B在X方向和Y方向的扩展长度,如图8所示。

图7 先生裂纹A和B对应的声发射事件在XY平面的分布Fig.7 AE events distribution of fractures A and B in X-Y direction during static demolition

通过计算单位时间内的扩展长度,可以计算裂纹A和B在试验过程中的扩展速度,如图8所示。可以看出:

(1)膨胀剂在20 min左右开始发生反应,在20 min的预反应期内,没有裂纹出现。

(2)膨胀剂发生化学反应以后,反应速率逐渐加快,40 min左右时,反应速率最快,此时裂纹产生速率也最大。

图8 裂纹A和B的扩展长度、扩展速度变化曲线Fig.8 Variation of fracture propagation length and velocity of fractures A and B

(3)裂纹扩展速率整体呈现“先快后慢,最后趋于平稳”的趋势;20～30 min,Y方向裂纹扩展速率快速增长,30 min后扩展速率快速下降,下降期裂纹扩展速率小于增长期扩展速率;20～40 min,X方向裂纹扩展速率快速增长,40 min后扩展速率快速下降,下降期裂纹扩展速率小于增长期扩展速率。Y方向裂纹的扩展速度明显大于X方向裂纹扩展速度,这是因为Y方向是钻孔的轴向,整个钻孔内充满了破碎剂,利于裂纹沿Y方向扩展。80 min时,A和B裂纹基本贯通试样。

采用同样的方法计算图4中YZ平面内声发射事件集中区域范围,它反映了两条后生裂纹(裂纹C和裂纹D)的扩展长度。获得了不同时间内裂纹C和D在Y方向和Z方向的扩展长度,同时计算单位时间内的扩展长度,得到裂纹C和D在试验过程中的扩展速度,如图9所示。

图9 裂纹C和D扩展长度、扩展速度变化曲线Fig.9 Variation of fracture propagation lengthand velocity of fractures C and D

由图9可知:

(1)0～40 min,C和D裂纹基本没有变化,说明裂纹A和B出现40 min后,裂纹C和D出现。

(2)裂纹C和D扩展速率整体也呈现先快后慢的趋势;40～60 min,Y方向裂纹扩展速率急剧增长, 60 min后扩展速率快速下降,下降期裂纹扩展速率小于增长期扩展速率;40～50 min,Z方向裂纹扩展速率急剧增长,50 min后扩展速率快速下降,下降期裂纹扩展速率小于增长期扩展速率。并且Y方向裂纹的扩展速度大于Z方向裂纹扩展速度。在240 min时,C和D裂纹基本贯通试样。

比较图8和图9可以发现,两组裂纹各自的扩展速度及过程基本一致,但组间存在差异。先生裂纹A和B的扩展速度大于后生裂纹C和D,并且后生裂纹贯通的时间晚于先生裂纹。这说明静态破碎产生的裂纹明显存在主次之分。

3.3 静态破碎裂纹扩展半径模型

图10为静态破碎裂纹扩展模型,图中产生的裂纹长度包括先生裂纹长度a′(mm)和后生裂纹长度b′(mm)。

图10 静态破碎裂纹扩展模型Fig.10 Fracture propagation model during static demolition

如图10所示,当先生裂纹长度a′很小时,钻孔可以看成是先生裂纹的一部分,视整个模型处在一个无限的介质中,孔内随时间变化的膨胀压力为q(t),其应力强度因子[19]为

式中,K∗a为先发生裂纹尖端应力强度因子,N/ mm3/2;d为钻孔直径,mm。

静态破碎剂水化作用过程中体积膨胀,施加到孔的膨胀压力也在持续增加,钻孔周围裂纹尖端应力强度因子随之上升,当强度因子达到岩石断裂韧度时,裂纹开始向外扩展。从式(2)和(3)可以看出,当作用力p不变时,裂纹长度越小,应力强度因子反而越大,当达到岩石断裂韧度KIC(N/mm3/2)时,裂纹即开始扩展,随着裂纹长度的增加,应力强度因子迅速下降,小于KIC时,裂纹止裂;当p不断增大时,上述裂纹的扩展与止裂过程不断发生。

通过测得岩石的单轴抗压强度σc,可获得相应岩石的断裂韧度KIC[20],即

将式(2)和(4)代入式(5),得

式(6)即为裂纹扩展理论半径,由此可知:静态破碎法处理悬顶问题时钻孔的合理间距为

试验室内进行了水与静态破碎剂质量比为3∶7时的膨胀压力试验,将其产生的膨胀压代入式(6),计算出不同时间的裂纹扩展半径,如图11(a)所示,其中前80 min的膨胀压、裂纹扩展半径与时间的关系如图11(b)所示。

图11 膨胀压力、扩展半径与时间变化曲线Fig.11 Variation curves of expansion pressure and radius with time

图11(b)裂纹扩展半径与时间的关系曲线与图8中X方向主裂纹扩展长度与时间的曲线基本一致,在70 min时裂纹扩展半径与扩展长度基本达到75 mm,考虑孔径因素,此时恰好试样贯通,即通过模型计算的理论值与实际监测值具有很好的一致性。随着时间的延续,膨胀压力继续增大,贯通后的主裂纹只表现为宽度的增加,不同膨胀压力通过裂纹向外卸压,从而膨胀压力的增速率不断减小,变化为曲线斜率的减小,如图11(a)所示。

裂纹扩展模型从理论上解释了实验过程中膨胀压与裂纹扩展长度的关系,与实际数据是一致的,因此该模型是合理的。

4 工程应用

4.1 工程概况及孔距确定

某高瓦斯矿井,工作面开采15号煤层,回采巷道顶板为K2石灰岩,平均厚度7.18 m,单轴抗压强度50 MPa左右。工作面端头巷道顶板退锚、剪网作业完成后,悬顶长度达到20 m以上[22],极易造成安全隐患,为解决此问题,采用静态破碎技术进行顶板悬顶处理。

采用“矿用高效静态煤岩胀裂剂”,在理想试验条件下,其产生的最大膨胀压力为80 MPa,工程应用时,考虑压力、温度及岩体内裂隙卸压等因素影响,破碎剂实际产生的最大膨胀压小于理想条件下的最大膨胀压,结合以往使用经验,工业试验时利用系数为0.6,即48 MPa。根据式(6),计算得到裂纹扩展半径为417 mm。考虑实际锚索排拒800 mm,取钻孔间距800 mm。

钻孔具体参数为:孔径40 mm,孔距和排距800 mm,深度5 000 mm,钻孔倾向采空区,与顶板夹角成45°,钻孔(图中实心圆)布置如图12所示。

图12 钻孔布置示意Fig.12 Drilling schematic layout

4.2 工业试验结果

当注浆作业完成数小时后,顶板岩体内发出明显的胀裂声。当工作面机头向前推进3.2 m后,落山巷道顶煤开始逐步冒落,这时基顶石灰岩逐步开始塌落;又推进9.6 m后,试验区域已完全塌落。该工作面顶板利用静态破碎方法将悬顶距离减少了7.2 m,有效地改善了工作面的安全生产环境。

5 结 论

(1)单轴应力下石灰岩静态破碎裂纹的起裂位置位于孔中下部孔壁处,并先后形成两组裂纹,每组裂纹沿孔壁对称分布并大致成一直线;两组裂纹的扩展速率均先快后慢,分为快速增长和快速下降两个阶段,并且下降阶段的裂纹扩展速率小于增长阶段扩展速率;先生裂纹的扩展速度大于后生裂纹;每条裂纹的扩展速度具有方向的差异性,即平行孔轴向方向大于与垂直孔轴向方向。

(2)基于弹性力学和断裂力学理论,建立了静态破碎剂作用力与裂纹扩展半径关系。

(3)静态破碎应用于某高瓦斯矿实际地质条件下的强制放顶工程中,确定了静态破碎强制放顶的基本参数,获得了良好的工业效果。

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Crack evolution of limestone induced by static demolition at axial stress and its application

HAO Bing-yuan1,HUANG Hui2,FENG Zi-jun1,WANG Kai3,FENG Guo-rui1,KANG Li-xun1
(1.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China;2.Department of Safety Engineering,Chongqing Vocational Institute of Safety and Technology,Chongqing 404000,China;3.Department of Mining Engineering,Shanxi Institute of Technology,Yangquan 045000,China)

In order to study the crack evolution during static demolition,the authors performed the test of static demolition in cubic limestone with the size of 200 mm×200 mm×200 mm at axial stress by true triaxial rock mechanics testing machine,and simultaneously monitored the acoustic emission from limestone fracture in the process of static demolition by dimensional location technology.The results are as follows,at axial stress,the crack initiation is located at the lower part of the borehole wall and the newly formed cracks can be divided into two groups according to the initiation time and location of crack.Every group cracks symmetrically appear near the borehole wall along a line.The propagation rate of two group cracks follows a trend of“from rapidness to slowness”.The process of propagation can be divided into rapid increasing phase and rapid decreasing phase and the rate at the rapid increasing phase is higher than that at the decreasing phase.The propagation rate of early formed cracks group is higher than that of late formed cracksgroup.For single crack,its propagation is highly directional that the rate parallel the borehole axis is greater than that perpendicular to the borehole axis.The authors also presented a model based on the theories of elastic mechanics and fracture mechanics which is a relationship between forces from the static demolition agent and crack propagation radius,and the model proved to be applicable by comparing with the test results.In accordance with the actual geological situation of some mines,the basic parameters of manpower manipulated caving with static demolition are determined, which shows a good industrial effects.

axial stress;limestone;static demolition;crack propagation;acoustic emission

TU452

A

0253-9993(2014)12-2397-08

2014-04-21 责任编辑:王婉洁

山西省科技重大专项资助项目(20121101009-03);国家自然科学基金资助项目(51422404,51174142)

郝兵元(1971—),男,山西昔阳人,副教授,博士。E-mail:15835109200@126.com。通讯作者:冯国瑞(1976—),男,山西阳城人,教授,博士生导师。E-mail:fguorui@163.com

郝兵元,黄 辉,冯子军,等.单轴应力状态下石灰岩体静态破碎裂纹演化规律及应用[J].煤炭学报,2014,39(12):2397-2404.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0529

Hao Bingyuan,Huang Hui,Feng Zijun,et al.Crack evolution of limestone induced by static demolition at axial stress and its application [J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2397-2404.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0529