灌浆充填裂隙对煤岩强度及破坏模式的影响

2021-03-04朱克仁雷瑞德

煤矿安全 2021年2期

朱克仁，邓川，雷瑞德

（1.贵州盘南煤炭开发有限责任公司，贵州盘州553534；2.贵州安和矿业科技工程股份有限公司，贵州贵阳550023；3.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039；4.重庆大学资源与安全学院，重庆400044）

随着浅部资源枯竭以及深地工程快速发展，地下工程岩体将面临着“三高一扰动”的复杂地质力学环境[1-3]。再加上煤岩体自身的非均质性较高，大量节理裂隙赋存于煤岩体中，使其力学强度发生了不同程度的弱化降解[4-6]。众所周知，灌浆充填对提高瓦斯抽采孔的稳定性和降低裂隙周围应力积聚起到了非常重要的作用。因此，对灌浆充填裂隙煤岩体的强度特征及断裂演化过程进行表征和预测是非常重要的。国内外学者对张开裂隙岩石的力学行为及断裂机制取得了较多有意义的结论[7-9]。为了定量评价充填物对裂隙岩体力学强度及断裂行为的影响，在室内试验方面[10-12]，研究得到翼型裂纹和次生裂纹的断裂演化特征，并发现其力学参数与裂隙倾角具有一定的相关性。由于预制裂隙制备过程中易出现不同程度的损伤，从而导致试验结果误差较大，此外，物理试验很难捕捉裂隙的细微观损伤演化过程。因此，众多学者借助数值模拟方法对不同岩石材料的细微观扩展演化特征和贯通机制进行研究[13-14]。

基于上述研究发现，众多学者仅考虑非充填裂纹对煤岩体断裂失稳机制的影响。尽管少数学者对充填裂隙煤岩体的裂纹扩展过程及断裂机理进行了相关的研究，研究结果主要侧重宏观裂纹的断裂特征[15-19]。然而，关于细微观机理方面的研究甚少。因此，对灌浆裂隙岩石的力学强度、细微观裂纹扩展演化及贯通机制进行了详细的研究。

1 数值试验方案

1.1 平行黏结模型原理

采用PFC2D数值模拟软件，结合平行黏结模型（BPM）模拟颗粒之间的运动与变形行为，该平行黏结键不仅能在颗粒间能够传递力和向量，而且也能够在接触点处产生接触力。因此，采用平行黏结模型模拟裂隙岩样的强度、变形及断裂演化特征。平行键模型如图1[20]。

图1 平行黏结键示意图[20]Fig.1 Diagram of parallel bond[20]

PFC2D模型中，应力是通过作用在每个颗粒上的平行黏结力与接触的方法获得，平均应力向量σij的计算公式如式（1）[20]。

式中：Np为球的质心；NC为球的接触；n 为孔隙度；V(P)为颗粒体积)分别为颗粒质心和接触的位置为接触单位法向量；为接触作用力。

1.2 参数标定和数值模拟方案

基于PFC2D离散元数值模拟软件建立75 mm×150 mm（宽×高）的二维数值计算模型，其中，基质颗粒直径为0.2～0.3 mm，充填物颗粒直径为0.1～0.15 mm，颗粒总数为51 257 个，颗粒间的接触个数为129 360。

基于宏观物理试验结果，通过反复调试的方法确定数值计算模型的细观参数。数值模型细观参数见表1。此外，为确保整个加载过程为准静态加载，墙体加载速率为0.05 m/s。

数值计算模型几何结构示意图如图2。

表1 数值模型细观参数Table 1 The mesoscopic parameters of numerical model

图2 数值模型几何结构图Fig.2 Geometry of numerical model

图中蓝色颗粒表示岩石基质，绿色颗粒表示充填物。预制裂纹长度2a 为14 mm，岩桥长度2b 为16 mm，裂纹宽度为1.6 mm。详细模拟方案为：①当预制裂隙倾角α 固定不变时，岩桥倾角β 依次为0°、30°、60°、90°、120°、150°；②当岩桥倾角β 固定不变时，裂隙倾角α 分别为15°、45°、75°。

2 裂隙煤岩强度及变形特征

2.1 应力-应变曲线

不同裂隙倾角的应力-应变曲线如图3。

由图3 可知，与完整试样的应力-应变曲线相比，充填裂隙试样的直线斜率、峰值应力及其对应的应变均小于完整试样。总体来说，裂隙几何结构参数与应力-应变行为之间具有密切的相关性。当裂隙倾角为15°时，应力-应变曲线在峰值附近出现不同程度的波动现象。当裂隙倾角增至75°时，波动现象逐渐消失，该现象的主要原因为充填物与岩石基质表面之间的摩擦力作用以及法向作用力对其裂隙表面产生了一定的支撑作用。并且煤岩类材料具有较强的非均质性，当局部荷载超过其承受的最大拉伸应力时，试样会发生局部破坏。随着轴向力继续增加，新的支撑体再次出现，从而使得试样的承载能力再次增加。

图3 不同裂隙倾角的应力-应变曲线Fig.3 Stress-strain curves of sample with different flaw inclination angles

2.2 力学强度参数

不同裂隙几何结构下峰值应力随着岩桥倾角的演化规律如图4。

图4 不同裂隙几何结构峰值应力曲线Fig.4 Peak stress curves of sample with different flaw geometries

由图4 可知，峰值应力随着岩桥倾角的变化呈现出一定的相关性。不同裂隙倾角下，峰值应力随着岩桥倾角的变化呈现出先降低后增加的变化趋势。并且峰值应力均在岩桥倾角为60°时达到最小值，对应的应力值分别为38.5、45.1、57.3 MPa。该现象的主要原因，岩石剪切破裂角为45°+φ/2，φ 为内摩擦角，由于模拟采用的岩样内摩擦角为34°，因此，得到试样的剪切破坏面与水平方向的夹角为62°。再加上预制裂隙试样的裂隙尖端为高应力积聚区，试样的断裂失稳更易沿着预制裂隙的方向演化扩展。

不同裂隙几何结构下峰值应力对应的峰值应变随岩桥角度的变化规律如图5。

图5 不同裂隙几何结构峰值应变曲线Fig.5 Peak strain curves of sample with different flaw geometries

从图5 可以看出，峰值应变的变化规律与其对应的峰值应力一致。不同裂隙几何结构下，峰值应变呈现出先降低后增加的变化趋势。当岩桥倾角不变时，峰值应变随着裂隙倾角的增加而增加。岩桥倾角为60°时，峰值应变取得最小值。对应的最小峰值应变分别为0.004 62、0.005 17、0.006 32。

2.3 应变能演化规律

不同裂隙几何结构下应变能演化规律如图6。

图6 不同裂隙几何结构下应变能演化曲线Fig.6 Strain energy curves of sample with different flaw geometries

由图6 可知，整个加载过程中，岩样的应变能-轴向应变曲线与应力-应变曲线的演化规律一致。初始加载时，应变能呈现出向下凹的非线性变化趋势。该现象的主要原因为加载初期岩样内部的初始微裂纹及孔隙闭合，导致试样的变形量大于试样的承载作用力。随着变形的增加，应变能表现为线性增加的变化趋势。当应变增至峰值应变时，应变能曲线急剧跌落。

此外，从图中还可得知，峰值应变能的变化规律与峰值应力一致，均在岩桥倾角为60°时取得最小值。当岩桥倾角不变时，峰值应变能随着裂隙倾角的增加而增加。当裂隙倾角为15°时，不同岩桥倾角对应的峰值应变能分别为964.46、791.64、554.09、888.73、1 088.03、1 324.27 J/m3。当裂隙倾角为45°时，不同岩桥倾角对应的峰值应变能分别为1 154.55、1 028.68、729.13、948.11、1 277.85、1 334.96 J/m3。当裂隙倾角为75°时，不同岩桥倾角对应的峰值应变能分别为1 616.12、1 552.88、1 139.72、1 614.26、1 619.47、1 374.54 J/m3。此外，当岩桥倾角为0°、90°、120°时，应变能演化规律一致。

2.4 滑移摩擦能演化规律

不同裂隙结构下滑移摩擦能演化规律如图7。

图7 不同裂隙几何结构下裂纹滑移摩擦能演化曲线Fig.7 Slipping energy curves of sample with different flaw geometries

由图7 得知，试样的滑移摩擦能从弹性阶段开始逐渐增加。当轴向应变接近峰值时，大量的宏观裂隙出现并伴随着滑移能的急剧增加。另外，从裂纹滑移能-轴向应变曲线的特征也能间接地获得试样的整个损伤演化过程。当裂隙倾角为15°时，不同岩桥倾角对应的滑移摩擦能分别为532、443、304、416、656、663 J/m3。与其它力学参数相似，滑移摩擦能在裂隙倾角为60°时取得最小值。此外，当裂隙倾角为45°时，不同岩桥角度对应的裂纹滑移摩擦能分别为589、550、449、506、631、704 J/m3。当裂隙倾角为75°时，不同岩桥角度对应的裂纹滑移摩擦能分别为718、793、517、733、837、670 J/m3。对比裂隙倾角15°和45°，当裂隙倾角为75°时，不同岩桥倾角对应的峰值裂纹滑移摩擦能呈现出不同程度的增加。

3 充填裂隙煤岩裂纹扩展特征分析

3.1 裂纹扩展演化过程分析

为了详细的分析裂纹起裂、扩展和贯通过程，限于篇幅，仅列举裂隙倾角为45°和岩桥倾角为60°工况的裂纹演化过程。轴向应力和累积微观裂纹数量及轴向应变演化示意图如图8。

从图8 可以看出，充填裂隙试样的微观累积总裂纹、拉伸裂纹和剪切裂纹同时萌生，随着应变的增加，累积总裂纹、拉伸裂纹及剪切裂纹呈阶梯状演化趋势。当试样接近峰值应力时，总裂纹和拉伸裂纹急剧增加，而剪切裂纹则缓慢的增加。整个加载过程中，试样微观拉伸裂纹与剪切裂纹比约为6。该研究结果与文献[21]所得结论一致，进一步说明该模拟试验中所取参数较合理。

图8 轴向应力和累积微裂纹数量与轴向应变示意图Fig.8 Axial stress, cumulative cracks quantity curves versus axial strain

为了详细分析裂纹的扩展演化过程，通过对比图8 中a、b、c、d、e 点处试样的裂纹形态演化规律，从而揭示不同应力阶段裂纹扩展演化特征。裂纹扩展演化过程示意图如图9。

图9 裂纹扩展演化过程示意图Fig.9 Schematic diagram of crack propagation evolution processes

从图9（a）可以看出，充填物颗粒间出现大量新生裂纹，而砂岩基质颗粒仍保持着初始的完整性。当荷载增加至40.5 MPa 时（图9（b）），新的翼型拉伸裂纹从砂岩基质预制裂隙尖端萌生扩展。当荷载逐渐的增至峰值应力时，除了翼型裂纹的范围逐渐变大外，岩桥区域的累积损伤增加导致岩样贯通联结（图9（c））。随着变形继续增加，当轴向应力降至峰后40.4 MPa 时，此时，宏观裂纹贯通整个试样，试样的左上端出现了远场裂纹，此外，预制裂隙左下端处萌生反翼型裂纹。随着变形继续增加，预制裂隙右上端出现拉剪混合裂纹，试样表面裂纹数量增加，并且试样的贯通破坏程度更严重。