煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制

王云飞,黄正均,崔 芳

(1.河南理工大学土木工程学院,河南焦作 454000;2.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083)

煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制

王云飞1,黄正均2,崔 芳1

(1.河南理工大学土木工程学院,河南焦作 454000;2.北京科技大学土木与环境工程学院,北京 100083)

为了有效监测煤岩巷道围岩的损伤稳定程度,以漳村矿煤岩为例开展了煤岩损伤破坏特性的研究,首先对该矿煤岩进行单轴压缩试验测得其力学参数,然后通过颗粒流软件获得其细观力学参数进行了不同围压下煤岩试验。分析了煤岩破坏过程的声发射和应变能变化规律,并从煤岩损伤萌生、成核、扩展和贯通的过程研究了损伤演化机制,获得以下结论:最大声发射强度与峰值应力并不同时出现,具有一定滞后性,低围压范围滞后效应随围压变化敏感,高围压范围围压对其影响减弱;随着围压增加在最大声发射前会出现明显的平静期,并指出平静期的出现是由煤岩内部严重损伤区的产生和损伤愈合吸收应变能所致;将煤岩损伤破坏过程分为微损伤弥散分布、损伤局部集中发展成核、裂纹稳步扩展形成局部裂隙、局部裂隙贯通煤岩失稳4个阶段,指出围压对各个阶段的影响异同。

煤岩;围压;声发射;损伤演化;颗粒流;应变能

在外力作用或开采扰动岩体内部应力重分布的过程中,煤岩会发生变形甚至破坏,并局部伴随有应变能的快速释放而产生弹性波的现象,称为声发射AE(acoustic emission)。声发射特征能够反映煤岩的损伤破坏特性,其变化规律与煤岩内部损伤发展演化过程有密切关系。通过对不同围压下煤岩破坏过程的声发射信号进行分析和研究,可推测煤岩内部损伤发展程度,进而揭示煤岩损伤演化机制。目前,声发射监测技术已应用在岩土工程等诸多领域,因此,其研究成果具有重要的工程应用价值。

声发射技术源于E.J.Kaiser对材料声发射特性的研究。国内外学者对声发射的研究有:含瓦斯煤[1]和加卸载作用下[2]煤岩的声发射特性研究,Kaiser效应[3-5]和单轴多级加载[5]岩石声发射特征,饱和含水煤岩[6]和不同应力路径下加载-卸载扰动[7]的声发射特性。还有苗金丽等[8]对三轴应力状态的突然卸载岩石声发射的波形进行了频谱和时频分析。张黎明等[9]对大理岩在加载和卸载两种应力路径下声发射的差异进行了研究。宿辉等[10]研究了不均质性对岩石声发射特性的影响。任松等[11]通过改变加载速率研究了盐岩的疲劳损伤声发射特性。M.Cai等[12]根据岩石声发射特性分析了岩石初始裂纹开裂时间与应力之间的关系。孙强等[13]开展了砂岩单轴试验,研究了试验整个过程中声发射信息。Moradian Z.A.等[14]通过直剪试验研究不同材料接触间的声发射特征。Vilhelm等[15]研究指出岩样的声发射特性是单轴载荷的自相关函数。李庶林等[16]通过岩石单轴试验得到了破坏过程的声发射特性。秦虎等[17]利用自行研制的煤岩固气耦合力学试验装置,对不同含水率煤样单轴压缩下的声发射特征进行了研究。徐速超等[18]研究了单轴循环荷载下矽卡岩的强度和声发射特性,指出随着循环次数增加费拉西蒂比逐渐减小和卸载阶段仍有大量声发射。陈炳瑞等[19]开展了施工过程中声发射监测试验,研究了其损伤演化规律。潘鹏志等[20]对脆性岩石单轴压缩破坏过程岩石的破裂模式和声发射特性进行了分析。

国内外的研究成果不断增进对岩石声发射特性的认识,还进一步促进了声发射技术在工程中的应用。但目前还没有直接的方法用于岩石试件内部损伤演化发展的研究,因而本研究结合单轴室内试验和不需定义本构关系的颗粒流离散元软件对煤岩内部损伤发展的空间特性进行了研究,以期明确煤岩破坏的声发射时空特征与应力应变的关系和内部损伤的空间演化规律,研究成果可为支护煤柱合理设计,煤柱和煤岩巷道稳定性的声发射监测技术所利用。

1 颗粒流理论与模型

P.A.Cundall和O.D.Strack在离散元法的基础上,引入分子动力学思想创建了颗粒流理论,着重从细观力学的角度解释材料的损伤断裂机制,分析线弹性阶段直至断裂破坏的大变形过程,能直观处理裂纹的萌生、扩展过程[21]。主要用于岩石类等材料的力学和工程特性研究。构建的颗粒模型无需事先定义材料的本构关系,只是通过设定颗粒间的接触模型和细观力学参数,便能够表现出材料复杂的非线性应力应变关系。

在PFC中提供的颗粒间常用接触模型有:接触刚度模型、滑动模型、黏结模型等,其中黏结模型包括接触黏结和平行黏结两种。接触黏结模型中颗粒与颗粒间是点接触,当颗粒间发生相对移动时便在接触点处产生法向和切向力,由于是点接触(认为接触发生在接触点处很小范围内),因而只能传递力而不能传递弯矩。而平行黏结发生在接触颗粒间半径为的圆形或方形范围内,因而可以同时传递力和弯矩。如图1所示,A和B表示两个接触颗粒,和分别表示A,B颗粒和平行黏结中心,和分别为平行黏结半径和厚度,i和3为平行黏结所承受的力和弯矩,在平行黏结形成时将力i和3都初始化为0,i分解为法向和切向分量如下:

图1 平行黏结模型Fig.1 Parallel bond model

作用在平行黏结上的法向应力σ和切向应力τ可按式(5)和式(6)计算。

当平行黏结受到的应力超过其黏结强度时,黏结发生断裂,法向和切向应力超过其对应的黏结强度分别产生张拉型和剪切型微裂纹[22]。

2 煤岩特性与细观力学参数

2.1 煤岩特性与力学参数

试验所用煤岩为潞安矿区漳村煤矿3号煤层煤岩,漳村煤矿3号煤层位于二叠系下统山西组中下部,为本区主要可采煤层,3号煤层厚度大且层位稳定,全区可采,厚度5.31～7.88 m,平均厚度6.57 m,煤层倾角3°～10°,为不易自燃,有爆炸危险性煤层。煤层直接顶为泥岩,基本顶为细粒砂岩,直接底为泥岩,基本底为细粒砂岩。将采集的煤岩加工成直径50 mm、高度100 mm的试样,不平行度小于0.05 mm,满足《煤和岩石物理力学性质测定方法》的要求。测得煤岩的单轴抗压强度为14.92 MPa,弹性模量为3.59 GPa,泊松比为0.32。图2为煤岩破坏试样。

图2 煤岩破坏试样Fig.2 Coal rock failure samples

2.2 煤岩细观力学参数

煤岩数值试样尺寸采用50 mm×100 mm,由大小不同且服从正态分布的12 092个颗粒单元组成,最大粒径与最小粒径之比为1.66,最小粒径为0.25 mm,通过颗粒填充、半径扩张、浮子消除等过程形成颗粒单元排列十分紧密的煤岩试样。颗粒间摩擦因数为0.5,采用平行黏结模型。

颗粒流软件通过赋予的细观力学参数表征煤岩的宏观力学行为,试样形成后通过墙体施加压力,进行煤岩单轴试验,使所得煤岩的宏观力学参数与以上单轴物理试验结果基本吻合时获得煤岩的细观力学参数,见表1。

表1 煤岩的细观力学参数Table 1 Mesomechanics parameters of coal rock

根据建立的煤岩数值试样模型,分别进行单轴和围压为4,8,12 MPa的三轴试验,分析煤岩破坏中声发射和损伤的时空演化特征。

3 煤岩声发射与损伤演化机制

3.1 煤岩声发射机制

煤岩颗粒模型在荷载作用下,颗粒间会产生相应的力和弯矩,当局部颗粒间平行黏结的应力超过其黏结强度时,平行黏结断裂并同时释放储存在相应黏结中的应变能,释放的应变能以波的形式向外传播,这一过程和实际岩体损伤耗能并伴随声发射的现象非常相似。

煤岩的声发射是内部局部损伤快速释放应变能产生的瞬态弹性波现象,声发射强度与内部损伤程度直接相关。PFC模型中一个平行黏结的断裂会产生一次能量释放,发生一次声发射,形成一处微裂纹如图3所示。在煤岩的数值试样中,通过设定黏结强度来反映煤岩的宏观非线性行为。在荷载作用下,一旦黏结法向或切向应力超过其黏结强度,黏结便会断裂对应一次声发射现象。通过记录煤岩加载破坏过程中每一时步声发射数,可获得声发射随煤岩变形的时序特征曲线,同时煤岩内部对应声发射的微损伤萌生、成核、发展和贯通过程可以实时显示出来。反映的规律对认识煤岩损伤发展和声发射特性很有帮助。

3.2 煤岩声发射特性

从图4可知,煤岩在压缩的初始阶段没有声发射事件发生,进入弹性阶段声发射事件开始出现但其强度较小,随着荷载增加应力-应变曲线偏离直线进入屈服阶段,声发射事件增加显著,达到峰值强度时声发射事件急剧增大,在峰后初期阶段声发射保持较高强度并达到最大,随后进入残余强度阶段声发射强度陡然降低并在某一范围内波动。

图3 煤岩与颗粒流模型裂纹产生及声发射机制Fig.3 Crack generation and acoustic emission mechanism of coal rock and particle flow mode

图4 煤岩破坏过程全应力-应变曲线与声发射关系Fig.4 Relationship between stress-strain curves and acoustic emission in coal rock failure process

从图4可知,煤岩压缩破坏过程中声发射的最大强度与峰值应力并不一致,最大声发射强度相对煤岩峰值应力有一定滞后现象。单轴压缩时最大声发射强度在峰后峰值应力的94%,围压4 MPa时最大声发射强度在峰后峰值应力的88%,围压为8 MPa和12 MPa时分别在86%和84%,表明围压越高声发射的滞后效应越明显,单轴和低围压范围下声发射滞后效应受围压的影响显著,随着围压增大,围压对声发射滞后效应影响的敏感性减弱。

煤岩在压缩破坏过程中,围压对声发射特性有明显影响,在低围压作用下声发射呈连续增长趋势(图4(a)),且在最大声发射强度前没出现相对的平静期,随着围压的增加声发射连续增长趋势发生变化,并在最大声发射前出现较明显的平静期(图4(d))。这说明岩石延性越大最大声发射前的平静期越明显,因围压增加煤岩的延性逐渐增大。

天然煤岩内部存在着大量的微裂隙等缺陷,这使得煤岩性质变得十分复杂。由于缺陷的存在,煤岩并非是一个连续完整实体,而是一个复杂的网状受力构架体系,由含有不同程度缺陷的矿物颗粒单元组成。因而,从细观层面上进行分析,用颗粒流的微小颗粒模拟煤岩内部的矿物颗粒单元,用颗粒及颗粒间平行黏结构成的网状构架模拟实际煤岩的网状受力构架是非常合理可行的;煤岩内部产生声发射现象是由于外荷载作用下矿物颗粒间的受力构架超过其承载能力发生破坏释放应变能所致;颗粒流模拟的声发射现象同样是在外荷载作用下,由微小颗粒间平行黏结的应力超过其黏结强度发生破坏断裂,释放应变能所致,因而在声发射模拟方面也是合理可行的。

煤岩受到外力作用后,颗粒间平行黏结应力不断增加,应力超过其黏结强度时发生断裂释放应变能并产生一次声发射,黏结初始断裂具有随机性并数量有限,表现为声发射出现初期强度较低。随着荷载增大,黏结断裂后相应的受力构架会发生应力调整,导致临近单元应力增加,临近单元应力水平达到黏结强度时也发生破坏,应力传递路径不断变化,受力构架不断消弱,同一时间破坏的黏结数急剧增加,表现为声发射强度逐渐增大。当受力构架消弱到一定程度时,平行黏结也不再逐步断裂,应力来不及逐步调整便沿构架薄弱处集中破坏,煤岩内部出现主控破裂面,表现为声发射持续时间短且强度大。主控破裂面形成后煤岩被分割,继续加载在煤岩切割块体中的微裂隙成核处又会出现应力调整、黏结断裂,局部受力构架消弱、沿局部框架薄弱部位集中破坏的连锁反应,体现为最大声发射强度后的声发射逐步增加和降低的反复过程。

3.3 煤岩破坏过程中的能量分析

煤岩受力变形进入塑性状态时产生微裂纹并释放储存在岩体中的相应弹性应变能,对实际煤岩的这一现象颗粒流同样能够实现。颗粒离散元通过颗粒间的接触和黏结来储存岩体弹性应变能,随着荷载增大颗粒间的相互作用力增加,储存的弹性应变能也随之增加。对于岩石类材料采用平行黏结模型更加接近其实际物理力学行为,因而在屈服阶段之前岩体弹性应变能全部积蓄在平行黏结中,当进入屈服阶段以后部分平行黏结断裂同时释放应变能,平行黏结断裂的岩体颗粒处于相互分离或接触状态,故煤岩中的应变能为储存在平行黏结中的应变能[22]。储存在颗粒间平行黏结中的应变能由式(7)计算,即

式中,Epb为平行黏结总应变能;Npb为平行黏结数。

以下对围压12 MPa时煤岩破坏过程的能量变化和声发射特性进行分析。

图5表明,可将破坏过程煤岩应变能率和声发射特征曲线分为5个区域。Ⅰ区加载初期,外力做功除了克服围压外全部以应变能的形式储存在颗粒黏结中,应变能率曲线呈现线性增加趋势。Ⅱ区应变能在增加过程中有所波动,小范围的波动是由于该区低强度声发射事件间或释放应变能所致。Ⅲ区应变能率曲线整体呈山谷型,应变能率曲线急转直下表明应变能的瞬间释放过程,在谷底对应第1次声发射小爆发事件,随后应变能率曲线上升较快表明应变能有显著的增加和集聚现象,此时的声发射强度很小即进入了声发射平静期。在能率曲线下降段煤岩内部形成了谢和平等[23]所称的“严重损伤区”(多处微裂隙集聚区如图6(a)(ⅱ)),能率曲线上升阶段,在外力作用下严重损伤区愈合吸收应变能,降低了用来破坏岩体的能量,产生的损伤裂纹较少从而出现了声发射平静期。Ⅳ区应变能率曲线整体急速向下偏转表明积蓄在煤岩内部的应变能在该区段内的持续快速释放,对应于峰后初期高强度的声发射阶段。Ⅴ区能率曲线在接近同一水平上反复波动,主要是因为煤岩此时已破坏承载力显著下降,在后续加载过程中煤岩块体不断积蓄和释放应变能进一步破碎块体所致。

3.4 煤岩损伤演化特性分析

从煤岩单轴加载破坏过程损伤发展图6(a)可见,在加载初期煤岩内部出现微损伤裂隙,呈现随机零星分布状态(图6(a)(i))。随着荷载增加,微损伤出现局部集中化趋势,在试样上下部位形成了第1批裂纹源图(图6(a)(ii)),继续加载出现第2批裂纹源,仍在试样上下部位但数量相对较少。随后在裂纹源处形成明显的裂纹扩张方向和演化形态,表明试样内局部裂纹开始稳步扩张,并延伸形成1,2号局部裂隙;此后,在试样中央部位出现第3批裂纹源,裂纹源整体排列方向大致与两条局部裂隙的裂尖连线一致(图6(a)(iii)),在微裂纹源处的裂纹继续发展贯通形成3号局部裂隙并与1,2号局部裂隙连通将煤岩一分为二,发生脆性张拉破坏(图6(a)(iv))。

图6 煤岩破坏过程损伤演化机制Fig.6 Damage evolution mechanism in coal rock failure process

图6表明,煤岩损伤发展破坏大致经历4个阶段:①微损伤弥散分布阶段;②损伤局部集中发展成核阶段;③裂纹稳步扩展形成局部裂隙阶段;④局部裂隙贯通煤岩失稳阶段。围压对煤岩破坏发展4个阶段的具体影响:①损伤的弥散分布阶段基本没有影响;②首批裂纹源(局部损伤成核区)的分布,单轴集中在试样上下部位,高围压时试样的上下和中央部位都有分布,且随围压的增大裂纹源数量增多,主要原因在于围压越大对煤岩试样的侧向约束越明显,侧向变形越难,裂纹源的裂尖闭合压力较大扩展困难,因而在裂纹源处的集中扩展受到限制,进一步损伤表现为内部多处裂纹源的同时出现;③不论围压高低,处在主控裂隙上的裂纹源裂隙扩张速度较快,且扩展方向逐渐趋于一致,直至相互连通形成局部裂隙。在形成主控破裂面前,随着围压增加煤岩内部局部裂隙增多;④煤岩由单轴脆性张拉破坏逐渐过渡为高围压的塑性剪切破坏,其剪切带角度随围压增加逐渐减小。高围压下煤岩破坏时被切割块数较多。随着围压增加,主控破裂面的宽度加大形成破碎带,其内煤岩呈粉碎性破坏状态。主要原因在于高围压对煤岩块体的侧向移动受到约束,外力做功更多的用来破坏较大块体和破裂面两侧煤体。

以上分析结果表明:颗粒流的模拟能够实时显示煤岩破坏过程中损伤裂隙萌生、成核、扩展和贯通的时空特征,这是室内物理试验无法获得的,从而从细观上揭示了煤岩破裂机理,弥补试验手段的不足。

4 结 论

(1)煤岩加载破坏过程声发射有如下特征:加载初期基本没有声发射,在弹性阶段有低强度声发射出现,进入塑性阶段声发射开始显著增加,在峰后临近处出现最大强度声发射,残余强度阶段声发射急剧降低并大致在一定范围波动。

(2)不同围压煤岩破坏时,最大声发射强度与峰值应力并不对应,而是具有一定的滞后性,在低围压范围这一滞后效应随围压变化较敏感,随着围压增加,围压对其的影响程度减弱。

(3)随着围压增加,煤岩的脆性降低而延性增加,并在最大声发射前出现了明显的声发射平静期,这表明岩石的延性越大,岩石破坏前声发射的平静期越明显。

(4)从细观力学角度诠释了用微小颗粒与颗粒间的平行黏结构成的受力构架模拟由矿物颗粒构成煤体的合理性,并从应力转移和受力框架消弱的角度合理解释了声发射规律。

(5)阐述了煤岩破坏的应变能积蓄和释放过程,并与声发射特性相结合,指出声发射平静期的出现是由煤岩内部严重损伤区的形成和损伤愈合吸收应变能所致。

(6)将煤岩损伤破坏过程分为微损伤弥散分布、损伤局部集中发展成核、裂纹稳步扩展形成局部裂隙、局部裂隙贯通煤岩失稳4个阶段。指出随着围压增加首批裂纹源数量增多,煤岩由脆性张拉破坏逐渐过渡为塑性剪切破坏。随着围压增大主控破裂面的角度逐渐减小,宽度变大形成破碎带。

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Damage evolution mechanism in the failure process of coal rock based on mesomechanics

WANG Yun-fei1,HUANG Zheng-jun2,CUI Fang1
(1.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2.School of Civil&Environment Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China)

In order to effectively monitor the damage and stability extent of coal rock roadway,conduct the studies of coalrock damage and failure characteristics in Zhangcun Coal Mine.Firstly,the mechanics parameters of coal rock measured through the uniaxial compression experiment in Zhangcun Coal Mine,then obtained the mesomechanics parameters of coal rock and experiments carried out under different confining pressures by particle flow code.Analyzing the acoustic emission and strain energy characteristics in the failure process of coal rock,and consequently revealed the coal rock failure mechanism through the generation,propagation and coalescence process of cracks.Some main research results are as follows:the maximum intensity of acoustic emission lags behind the peak stress,the lag is sensitive with confining pressure in lower confining pressure range,the effect is attenuated in higher range.Arise the significant quiet period of acoustic emission before the maximum intensity of acoustic emission with confining pressure increasing,and point out the quiet period caused by the strain energy absorption in the process of the generation of serious damage zone and damage healing.Coal rock failure process is divided into four stages:damage random dispersion, damage coalescence in local scope,fissure steady developing into local crack,crack extension bring about coal rockfailure.Analyzing the effect of confining pressure on the four stages.

coal rock;confining pressure;acoustic emission;damage evolution;particle flow code;strain energy

TU452

A

0253-9993(2014)12-2390-07

2014-01-22 责任编辑:王婉洁

河南省教育厅重点资助项目(13A440323);国家自然科学基金资助项目(51104057);河南理工大学博士基金资助项目(B2012-075)

王云飞(1978—),男,内蒙古乌盟人,博士。E-mail:wyf_ustb@126.com

王云飞,黄正均,崔 芳.煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制[J].煤炭学报,2014,39(12):2390-2396.

10.13225/j.cnki.jccs.2014.0111

Wang Yunfei,Huang Zhengjun,Cui Fang.Damage evolution mechanism in the failure process of coal rock based on mesomechanics[J].Journal of China Coal Society,2014,39(12):2390-2396.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2014.0111