裂隙及充填裂隙對砂巖破壞特征的影響

王延輝 于后瑞 黨崇哲

（山東新巨龍能源有限責(zé)任公司，山東 菏澤 274918）

由于包含孔隙[1-2]、裂隙[3-4]、節(jié)理[5-6]和異質(zhì)結(jié)構(gòu)[7]等缺陷結(jié)構(gòu)，自然界中的巖石大多為典型的非均質(zhì)體。其中，裂隙結(jié)構(gòu)和充填裂隙結(jié)構(gòu)作為比較常見的缺陷結(jié)構(gòu)，會(huì)極大影響巖石的破壞特征，威脅煤礦的安全開采。

在裂隙結(jié)構(gòu)方面[3-6]，學(xué)者們主要通過數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)以及理論分析等方法展開研究。當(dāng)巖石試樣中預(yù)置一條或多條裂隙結(jié)構(gòu)時(shí)，加載作用下裂隙尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中并出現(xiàn)裂紋，此類試樣的破壞過程往往與裂隙傾角、尺寸等因素有關(guān)。相比裂隙結(jié)構(gòu)，針對充填裂隙方面的研究相對較少，主要通過配制類巖石試樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)的方法分析含充填裂隙試樣的強(qiáng)度和破壞特征。李斌等[7]研究了裂隙充填情況對不同巖橋傾角下雙裂隙巴西圓盤試樣力學(xué)特性的影響，并結(jié)合聲發(fā)射和數(shù)字散斑應(yīng)變測量系統(tǒng)分析了試樣的裂紋擴(kuò)展特征；董晉鵬[8]等研究了共面雙裂隙對巖石材料抗拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果表明裂隙充填一定程度上增加了試樣的完整性，使其抗拉強(qiáng)度有所增加，且充填裂隙傾角決定試樣破壞模式；王鵬飛等[9]研究了不同粗糙度和隙寬貫通充填裂隙對巖石滲流特性的影響。

針對裂隙和充填裂隙結(jié)構(gòu)的研究已取得了許多成果，然而巖石中往往同時(shí)賦存裂隙和充填裂隙，此時(shí)巖石強(qiáng)度及承載作用下裂隙擴(kuò)展路徑更為復(fù)雜。針對此問題，本文基于PFC2D 軟件模擬不同賦存狀態(tài)的裂隙及充填裂隙結(jié)構(gòu)對砂巖裂紋發(fā)育擴(kuò)展的影響，研究含裂隙及充填裂隙試樣的破壞特征，以期為相關(guān)工程圍巖穩(wěn)定性評價(jià)提供參考。

1 模型建立及模擬方案

模型尺寸為50 mm×100 mm，設(shè)置粒徑范圍為0.3～0.4 mm，共生成顆粒11 634 個(gè)，通過運(yùn)算使生成的顆粒間形成良好的接觸。選擇可以較好反映巖體實(shí)際破壞過程的平行黏結(jié)模型進(jìn)行模擬。為了研究裂隙及充填裂隙對砂巖破壞行為的影響差異，制定了6 種方案如圖1：（1）完整砂巖試樣；（2）含單一裂隙結(jié)構(gòu)試樣；（3）含單一充填裂隙結(jié)構(gòu)試樣；（4）含兩條裂隙結(jié)構(gòu)試樣；（5）含兩條充填裂隙結(jié)構(gòu)試樣；（6）含一條裂隙和一條充填裂隙試樣。為盡可能消除其他因素對模擬結(jié)果的影響，將裂隙及充填裂隙傾角均設(shè)為45°，充填裂隙顆粒粒徑與砂巖顆粒相同，將充填裂隙顆粒屬性設(shè)為砂巖顆粒的0.5 倍。當(dāng)試樣中含有兩條缺陷結(jié)構(gòu)時(shí)，其位置關(guān)于試樣中心對稱，以消除缺陷結(jié)構(gòu)位置對模擬結(jié)果的影響。

圖1 模擬方案

2 裂隙及充填裂隙對砂巖破壞特征的影響

2.1 裂隙及充填裂隙對試樣聲發(fā)射特征的影響

在模擬過程中實(shí)時(shí)記錄試樣裂紋發(fā)育擴(kuò)展過程，通過編寫Fish 語言監(jiān)測應(yīng)變微元內(nèi)平行黏結(jié)斷裂數(shù)來模擬試樣聲發(fā)射特征。各方案試樣應(yīng)力-應(yīng)變及AE 曲線如圖2。當(dāng)試樣中賦存缺陷結(jié)構(gòu)時(shí)，含裂隙結(jié)構(gòu)試樣在裂隙尖端起裂，含充填裂隙結(jié)構(gòu)試樣在充填裂隙與砂巖基質(zhì)交界處起裂，這兩類起裂模式導(dǎo)致了試樣裂紋發(fā)育擴(kuò)展路徑相對固定，AE事件數(shù)明顯降低。圖2（f）中試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線在峰后階段出現(xiàn)臺(tái)階狀下降現(xiàn)象，這反映了試樣中的充填裂隙結(jié)構(gòu)在試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后仍起一定的承載能力。

圖2 試樣應(yīng)力-應(yīng)變及AE 曲線

2.2 裂隙及充填裂隙對砂巖裂紋擴(kuò)展的影響

如圖3（a）所示，完整試樣的起裂位置相對隨機(jī)，持續(xù)加載后在試樣左上角出現(xiàn)裂紋群，試樣內(nèi)部持續(xù)出現(xiàn)分布隨機(jī)的微裂紋。當(dāng)加載到一定程度后，微裂紋急劇增加并相互貫通，最終導(dǎo)致試樣破壞。當(dāng)試樣中賦存單一裂隙時(shí)（圖3b），試樣首先在裂隙尖端出現(xiàn)應(yīng)力集中，裂紋在此處產(chǎn)生并在載荷作用下形成翼型裂紋。持續(xù)加載后試樣沿翼型裂紋擴(kuò)展最終破壞。充填裂隙由于顆粒屬性與砂巖顆粒不同，導(dǎo)致了試樣內(nèi)部均質(zhì)性破壞，容易在充填裂隙顆粒與砂巖顆粒交界處產(chǎn)生應(yīng)力集中并起裂。但由于砂巖顆粒強(qiáng)度大，裂紋僅能在充填裂隙內(nèi)部發(fā)育。如圖3（c）所示，當(dāng)載荷達(dá)到一定程度后，裂紋足以穿透砂巖顆粒，在充填裂隙端部形成翼型裂紋，試樣破壞后主裂紋基本沿充填裂隙形成。試樣中含有兩條裂隙時(shí)，由于尖端起裂造成兩條裂隙端部均出現(xiàn)翼型裂紋，其發(fā)育擴(kuò)展路徑相對固定，在足夠的載荷作用下端部裂紋貫通（圖3d），最終導(dǎo)致試樣破壞。當(dāng)試樣中同時(shí)包含裂隙及充填裂隙時(shí)（圖3e），裂紋首先在裂隙尖端出現(xiàn)，值得注意的是，當(dāng)裂隙尖端裂紋發(fā)育至充填裂隙位置處時(shí)，充填裂隙內(nèi)部仍未出現(xiàn)微裂紋，試樣最終破壞形態(tài)主要由裂隙結(jié)構(gòu)決定。當(dāng)試樣中含有兩條充填裂隙時(shí)，試樣起裂位置依然為充填裂隙與砂巖基質(zhì)交界處，并在載荷作用下在充填裂隙內(nèi)部發(fā)育，持續(xù)加載后裂紋穿透充填裂隙在尖端產(chǎn)生翼型裂紋并最終導(dǎo)致試樣破壞。

圖3 裂隙及充填裂隙對砂巖破壞行為的影響

整體而言，裂隙和充填裂隙結(jié)構(gòu)對試樣破壞行為的影響顯著，試樣起裂及裂紋擴(kuò)展路徑在很大程度上取決于裂隙和充填裂隙結(jié)構(gòu)的形態(tài)。裂隙結(jié)構(gòu)與充填裂隙結(jié)構(gòu)對試樣破壞行為的影響方式不同，裂隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置為裂隙尖端，所需應(yīng)力水平較低。充填裂隙結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中的位置為砂巖顆粒與充填裂隙顆粒交界處，起裂所需應(yīng)力水平較高。當(dāng)裂隙與充填裂隙同時(shí)存在時(shí)，起主導(dǎo)作用的是裂隙結(jié)構(gòu)，試樣最終破壞模式也決定于裂隙結(jié)構(gòu)的賦存形態(tài)。

3 結(jié)論

相比完整試樣，含缺陷結(jié)構(gòu)試樣AE 事件明顯降低，試樣中的充填裂隙結(jié)構(gòu)在試樣達(dá)到峰值強(qiáng)度后仍起一定的承載能力。

含充填裂隙試樣在砂巖顆粒與充填裂隙顆粒交界處起裂，所需應(yīng)力水平較高。當(dāng)裂隙與充填裂隙同時(shí)存在時(shí)，起主導(dǎo)作用的是裂隙結(jié)構(gòu)，試樣最終破壞模式也決定于裂隙結(jié)構(gòu)的賦存形態(tài)。