裂隙長(zhǎng)度對(duì)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(yīng)急管理部研究中心，北京 100713；2.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

巖體裂隙發(fā)育以及演化貫通是造成工作面突水等災(zāi)害事故的本質(zhì)原因。迄今為止，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家們針對(duì)礦井災(zāi)害問(wèn)題，對(duì)含不同裂隙長(zhǎng)度的巖體貫通機(jī)制和破裂特性，采用理論分析、模擬試驗(yàn)、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等手段進(jìn)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(dòng)巖體的裂隙類(lèi)型，分析了不同類(lèi)型巖體裂隙的起裂和擴(kuò)展判據(jù)。

以上研究對(duì)象大多是室內(nèi)小尺寸巖樣，從中獲得的研究結(jié)果對(duì)現(xiàn)場(chǎng)災(zāi)害預(yù)防及控制的參考意義不大。研究發(fā)現(xiàn)，巖石是一種非均質(zhì)材料，巖樣各個(gè)點(diǎn)的力學(xué)特性存在差異。實(shí)驗(yàn)中巖樣的尺寸大小對(duì)巖石的力學(xué)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(xué)特性才逐漸趨于穩(wěn)定[6]。為探究預(yù)制裂隙的不同長(zhǎng)度對(duì)大尺寸巖樣破裂的影響規(guī)律，筆者對(duì)長(zhǎng)400 mm、寬200 mm 大尺寸巖樣開(kāi)展了單、雙預(yù)制裂隙加載實(shí)驗(yàn)。

1 單裂隙擴(kuò)演化的數(shù)值試驗(yàn)

1.1 模擬方案

將裂隙試樣長(zhǎng)、寬分別設(shè)定為400 mm、200 mm，由此劃分為400×200=80 000 個(gè)細(xì)觀單元，通過(guò)單軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲得了巖樣相關(guān)參數(shù)。預(yù)制裂隙參數(shù)及方案見(jiàn)表1。

表1 單裂隙模擬方案

1.2 模擬結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)模擬加載發(fā)現(xiàn)，三種不同預(yù)制單裂隙長(zhǎng)度巖樣的裂隙發(fā)育以及巖樣破壞過(guò)程大體上相同，現(xiàn)以圖1（裂隙長(zhǎng)度為40 mm）為例，探究不同裂隙長(zhǎng)度對(duì)巖石單裂隙擴(kuò)展的影響特征。與下部均出現(xiàn)了次生共面裂隙。該裂隙方向沿預(yù)制裂隙內(nèi)部方向且呈近似對(duì)稱分布，同時(shí)伴有聲發(fā)射信號(hào)的不斷產(chǎn)生，如圖1（c）、（d）所示。伴隨著加載的進(jìn)行，底部、翼裂隙、次生共面裂隙不斷擴(kuò)展，同時(shí)開(kāi)度不斷減小。從整個(gè)階段可以看出，拉伸破壞是引起巖樣裂隙擴(kuò)展的主要原因，這與文獻(xiàn)[7]中的結(jié)論一致。

圖1 單裂隙擴(kuò)展過(guò)程和聲發(fā)射特征（裂隙長(zhǎng)度為40 mm）

三種不同裂隙長(zhǎng)度的巖樣裂隙擴(kuò)展演化特征點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 不同裂隙長(zhǎng)度下單裂隙的發(fā)育特征

2 雙裂隙擴(kuò)展演化及貫通模式的數(shù)值試驗(yàn)

2.1 模擬方案

模擬巖樣尺寸、網(wǎng)格單元的劃分與1.1 中相同，裂隙幾何屬性和模擬方案見(jiàn)表3。

表3 雙裂隙模擬方案

從圖1 可以得出，大尺寸巖樣預(yù)制單裂隙的演化過(guò)程主要有以下四個(gè)特點(diǎn)：

（1）裂隙起裂。受載初期，巖石預(yù)制裂隙受壓力作用被壓密，在此過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)；隨著加載的進(jìn)一步進(jìn)行，由于拉應(yīng)力的作用，裂隙尖端出現(xiàn)起裂，同時(shí)產(chǎn)生翼裂隙，此時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)，此時(shí)上下端翼裂隙的起裂角分別為89°、99°。

（2）裂隙擴(kuò)展方向逐步與加載方向相同。對(duì)于翼裂隙，伴隨著模擬地進(jìn)行，上部擴(kuò)展方向首先開(kāi)始接近加載方向，之后下部擴(kuò)展方向開(kāi)始轉(zhuǎn)向加載方向。在時(shí)間上，裂隙尖端上部早于下部，這符合斷裂力學(xué)中的力學(xué)規(guī)律。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著裂隙的發(fā)育，有較大的能量和擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)力出現(xiàn)。

（3）底端的中部出現(xiàn)破裂點(diǎn)。當(dāng)模擬進(jìn)行至第105 步時(shí)，巖樣底端的中部出現(xiàn)了細(xì)小破裂現(xiàn)象，如圖1（a）、（b）所示，裂隙擴(kuò)展過(guò)程十分緩慢。

（4）裂隙尖端出現(xiàn)次生共面裂隙。當(dāng)模擬進(jìn)行至第175 步時(shí)，由于受壓力作用，裂隙兩端上部

2.2 模擬結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)模擬加載發(fā)現(xiàn)，三種不同預(yù)制雙裂隙長(zhǎng)度巖樣的裂隙擴(kuò)展過(guò)程大致相同，現(xiàn)以圖2（裂隙長(zhǎng)度為20 mm）為例，研究在不同裂隙長(zhǎng)度下巖樣雙裂隙的演化規(guī)律。

加載初期，裂隙的擴(kuò)展非常緩慢，當(dāng)模擬進(jìn)行至第108 步，裂隙才產(chǎn)生起裂，從而形成翼裂隙，同時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生聲發(fā)射信號(hào)。如圖2（a）、（b）所示，在模擬過(guò)程中，翼裂隙朝加載的方向擴(kuò)展，同時(shí)橢圓應(yīng)力區(qū)在雙裂隙之間形成，且該橢圓區(qū)的長(zhǎng)軸為兩條裂隙的間距。當(dāng)加載至第265 步時(shí)，其底端發(fā)生了輕度的拉剪破壞現(xiàn)象，與此同時(shí)，巖樣出現(xiàn)了復(fù)合型破壞現(xiàn)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(fā)育過(guò)程中，在擴(kuò)展長(zhǎng)度上，外端翼裂隙短于內(nèi)部翼裂隙，該結(jié)果符合文獻(xiàn)[8]的模擬結(jié)果。

圖2 雙裂隙演化模式和聲發(fā)射行為特征（裂隙長(zhǎng)度為20 mm）

其他兩種巖樣雙裂隙的長(zhǎng)度，對(duì)比裂隙長(zhǎng)度為20 mm 時(shí)，巖樣裂隙起裂速度加快，如表4 所示，隨后裂隙擴(kuò)展速度越來(lái)越快。隨著模擬的進(jìn)行，40 mm 和60 mm 裂隙長(zhǎng)度的巖樣底端由于受到拉力作用，分別在第161、90 步出現(xiàn)了破壞。最終，三種預(yù)制雙裂隙長(zhǎng)度的巖樣分別在第265、231、200 步出現(xiàn)壓拉復(fù)合型破壞的情況。

表4 不同裂隙長(zhǎng)度下雙裂隙的發(fā)育特征

3 結(jié)論

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

（2）巖樣預(yù)制裂隙擴(kuò)展速度伴隨著巖樣裂隙長(zhǎng)度的增加而加快，起裂角大小的變化毫無(wú)規(guī)律可言，裂隙承載應(yīng)力的能力越來(lái)越弱，因而破壞速度越來(lái)越快；在加載破壞之前，裂隙之間就已經(jīng)產(chǎn)生了剪切破壞。

（3）大尺寸巖樣模擬加載過(guò)程中不難看出，聲發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度越來(lái)越強(qiáng)，說(shuō)明裂隙擴(kuò)展是釋放能量的一種方式。

（4）在次生共面裂隙出現(xiàn)后接下來(lái)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(fā)性。