裂隙长度对大尺寸岩样裂隙演化及破裂的影响特征

2022-02-10程斌斌傅子群陈军涛

山东煤炭科技 2022年12期

程斌斌傅子群陈军涛

（1.应急管理部研究中心，北京 100713；2.山东科技大学，山东青岛 266590）

岩体裂隙发育以及演化贯通是造成工作面突水等灾害事故的本质原因。迄今为止，国内外专家们针对矿井灾害问题，对含不同裂隙长度的岩体贯通机制和破裂特性，采用理论分析、模拟试验、数值模拟和现场实测等手段进行了探索与研究，获得了大量研究成果[1-4]。如Juntao Chen[5]等提出了底板采动岩体的裂隙类型，分析了不同类型岩体裂隙的起裂和扩展判据。

以上研究对象大多是室内小尺寸岩样，从中获得的研究结果对现场灾害预防及控制的参考意义不大。研究发现，岩石是一种非均质材料，岩样各个点的力学特性存在差异。实验中岩样的尺寸大小对岩石的力学特性有较大影响，且只有尺寸不小于70 mm×210 mm 的岩样，其岩石力学特性才逐渐趋于稳定[6]。为探究预制裂隙的不同长度对大尺寸岩样破裂的影响规律，笔者对长400 mm、宽200 mm 大尺寸岩样开展了单、双预制裂隙加载实验。

1 单裂隙扩演化的数值试验

1.1 模拟方案

将裂隙试样长、宽分别设定为400 mm、200 mm，由此划分为400×200=80 000 个细观单元，通过单轴压缩实验获得了岩样相关参数。预制裂隙参数及方案见表1。

表1 单裂隙模拟方案

1.2 模拟结果分析

经过模拟加载发现，三种不同预制单裂隙长度岩样的裂隙发育以及岩样破坏过程大体上相同，现以图1（裂隙长度为40 mm）为例，探究不同裂隙长度对岩石单裂隙扩展的影响特征。与下部均出现了次生共面裂隙。该裂隙方向沿预制裂隙内部方向且呈近似对称分布，同时伴有声发射信号的不断产生，如图1（c）、（d）所示。伴随着加载的进行，底部、翼裂隙、次生共面裂隙不断扩展，同时开度不断减小。从整个阶段可以看出，拉伸破坏是引起岩样裂隙扩展的主要原因，这与文献[7]中的结论一致。

图1 单裂隙扩展过程和声发射特征（裂隙长度为40 mm）

三种不同裂隙长度的岩样裂隙扩展演化特征点见表2。

表2 不同裂隙长度下单裂隙的发育特征

2 双裂隙扩展演化及贯通模式的数值试验

2.1 模拟方案

模拟岩样尺寸、网格单元的划分与1.1 中相同，裂隙几何属性和模拟方案见表3。

表3 双裂隙模拟方案

从图1 可以得出，大尺寸岩样预制单裂隙的演化过程主要有以下四个特点：

（1）裂隙起裂。受载初期，岩石预制裂隙受压力作用被压密，在此过程中没有出现声发射信号；随着加载的进一步进行，由于拉应力的作用，裂隙尖端出现起裂，同时产生翼裂隙，此时开始产生声发射信号，此时上下端翼裂隙的起裂角分别为89°、99°。

（2）裂隙扩展方向逐步与加载方向相同。对于翼裂隙，伴随着模拟地进行，上部扩展方向首先开始接近加载方向，之后下部扩展方向开始转向加载方向。在时间上，裂隙尖端上部早于下部，这符合断裂力学中的力学规律。同时发现，随着裂隙的发育，有较大的能量和扩展驱动力出现。

（3）底端的中部出现破裂点。当模拟进行至第105 步时，岩样底端的中部出现了细小破裂现象，如图1（a）、（b）所示，裂隙扩展过程十分缓慢。

（4）裂隙尖端出现次生共面裂隙。当模拟进行至第175 步时，由于受压力作用，裂隙两端上部

2.2 模拟结果分析

经过模拟加载发现，三种不同预制双裂隙长度岩样的裂隙扩展过程大致相同，现以图2（裂隙长度为20 mm）为例，研究在不同裂隙长度下岩样双裂隙的演化规律。

加载初期，裂隙的扩展非常缓慢，当模拟进行至第108 步，裂隙才产生起裂，从而形成翼裂隙，同时开始产生声发射信号。如图2（a）、（b）所示，在模拟过程中，翼裂隙朝加载的方向扩展，同时椭圆应力区在双裂隙之间形成，且该椭圆区的长轴为两条裂隙的间距。当加载至第265 步时，其底端发生了轻度的拉剪破坏现象，与此同时，岩样出现了复合型破坏现象，该破坏主要以拉剪贯通为主，如图2（c）、（d）所示。在翼裂隙发育过程中，在扩展长度上，外端翼裂隙短于内部翼裂隙，该结果符合文献[8]的模拟结果。

图2 双裂隙演化模式和声发射行为特征（裂隙长度为20 mm）

其他两种岩样双裂隙的长度，对比裂隙长度为20 mm 时，岩样裂隙起裂速度加快，如表4 所示，随后裂隙扩展速度越来越快。随着模拟的进行，40 mm 和60 mm 裂隙长度的岩样底端由于受到拉力作用，分别在第161、90 步出现了破坏。最终，三种预制双裂隙长度的岩样分别在第265、231、200 步出现压拉复合型破坏的情况。