复合缺陷类岩石裂纹扩展规律及力学特性试验研究

李杨杨，颜浩东，张士川，张 磊，张书磊，李宗凯

(1.山东科技大学 能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590； 2.济宁矿业集团有限公司安居煤矿，山东 济宁 272063； 3.山东能源临矿集团王楼煤矿，山东 济宁 272063)

煤矿开采会不可避免地造成一定程度的地表沉陷破坏与环境损伤及水资源流失，顶板突水灾害会极大程度地对上覆含水层造成伤害。近年在我国煤矿发生的突水事故中，断层作为主导因素引起的占80%以上[1]。矿井发生突水事故须具备充足的水源和导水通道两方面条件，断层作为一种天然的地质缺陷，会在采动影响下发育为导水的主要通道，成为矿井顶板突水灾害发生的主要原因。而由于断层构造引起的自开采工作面孕育扩展的导水裂隙与岩石整体强度改变也是水害发生过程中不可忽视的问题。探究采动影响下断层不同倾角引起的裂纹扩展规律，是研究防治矿井顶板突水灾害的重要思路。

国内众多学者在物理相似模拟与数值分析方面均进行了相关研究，许家林等[2]通过理论分析、模拟试验和工程探测等方法，就覆岩主关键层位置对导水裂隙带高度的影响进行了深入研究，很好地解释了部分煤矿顶板异常突水灾害的发生机制，并指导神东矿区补连塔煤矿顶板突水灾害防治实践，取得显著的经济效益。张晓峰等[3]针对焦煤马兰矿18506带压工作面突水实际问题进行模拟，发现断层带的存在导致工作面前方应力集中程度不断增大，最终底板岩体达到承载极限而产生裂隙，并在采动应力及承压水共同作用下，裂隙进一步扩大，与断层发生导通，导致承压水涌入工作面。师文豪等[4]对连续开挖过程断层活化顶板突水进行有限元模拟，并从力学角度研究断层带应力和损伤区迁移过程，发现连续开挖是造成断层损伤区产生、累积扩展到贯通的主要诱因； 随着开挖推进断层损伤区状态由压剪变为拉剪，并不断扩展；损伤区在断层揭露时完全贯通，形成导水通道并诱发突水灾害。

上述研究针对断层作为主要突水通道与主要损伤区进行了深入探讨，但没有考虑实际工程中断层不同倾角对采空区上覆裂隙产生的不同影响。卜万奎等[5]针对上述问题，分析了含断层缺陷底板的受力特征，建立简化力学模型，通过数值模拟发现断层倾角越大，断层越容易活化发生突水。郑功等[6]利用FLAC3D软件对不同倾角正断层情况进行模拟，揭示了断层构造对于底板突水规律的影响。已有研究中大多通过数值模拟的方法对底板突水规律进行探讨。岩石裂纹扩展在材料外力等不同因素的影响下会表现出截然不同的现象，本研究采用物理模拟的试验方法，利用含复合缺陷石膏类岩石试样，预制裂隙用来模拟断层与采区，研究岩石试件在模拟断层不同倾角条件下裂隙扩展规律及应力应变信息变化特征。

1 试验部分

1.1 总体试验方案

为了探究断层倾角改变对裂纹扩展倾向造成的影响，采取系列试验包括类岩石试件研究、数值模拟研究和相似材料模拟研究。作为系列试验研究的开端，采用物理模拟的方法制作含复合缺陷石膏类岩石试样，并进行单轴压缩试验，观察与分析不同预制裂纹倾角对岩石整体裂纹扩展倾向及力学特性的影响。

1.2 试验设计

样品中水占模型石膏的比例达到40%时，类岩石材料单轴压缩条件下的破坏形式与原岩最为相近，且具有良好的脆性，可以有效模拟真实脆性岩石破坏特征及裂纹扩展过程[7]。试件材料组分为石膏、水泥浆、细沙及彩色橡皮泥，试件为边长70 mm的立方体，采用切割法制作高度为2 mm，宽度为35 mm模拟采场扰动的裂隙面，裂隙面前后贯通试件用于模拟采空区。为观察模拟断层活化情况，利用打孔器在裂隙面下方制作直径为2 mm，排列在同一平面钻孔形成的相对弱面模拟断层，模拟断层与试件下部端面的夹角α分别为20°、40°、60°、80°，试件制作后用直径小于0.2 mm的细沙对试件的裂隙行进行填充，并利用彩色橡皮泥在裂隙边沿进行密封以防止细沙流出。考虑到钻孔对周围围岩应力状态的影响范围(3～5倍的钻孔半径)，钻孔间距选为7 mm，试验开始前布置应力应变传感器并用树脂凝胶固定在试件的裂隙面与弱面距离最近的线段中间位置，用于监测弱面裂隙局部区域之间的扩展情况，由此分析整体与局部间的应变关系。同时在试样右端面几何中心位置布置声发射探头，以此对剧烈活动区域能量幅值变化过程进行自动采集和记录，类岩石试样立体预制组合缺陷示意如图1所示。

图1 类岩石试样立体预制组合缺陷示意图Fig. 1 Diagram of three-dimensional prefabricated combination defects of rock-like specimens

图2 试验设备控制系统Fig. 2 Control system of experimental equipment

1.3 试验设备及加载方式

试验设备主要包括单轴加载系统、应力应变数据采集系统、声发射仪器和高速摄像机。加载系统采用岛津AG-X250万能试验机，采用位移控制，加载速度0.005 mm/s。采用MISTRAS系列PCI声发射系统，该系统在复杂的噪声干扰下仍具有较高的监测数据稳定性和良好的监测效果，即时提取数据参数，并对波形进行进一步处理。试验加载控制系统与声发射监测系统如图2所示，使用高速摄像机记录试件加载过程中其表面裂纹扩展过程。采用国产BFH120-3AA-Y3型号的应变片进行数据采集，试验开始前在试件的裂纹面与弱面距离最近的线段中间位置设置应力应变传感器，并用502胶固定，用于监测弱面区域裂隙扩展情况。

2 结果分析

2.1 试件表面裂纹扩展规律分析

如图3所示，模拟断层倾角为20°，随着荷载增加，裂纹自底板处开始孕育，当荷载达到1.81 MPa时自底部向模拟断层延伸一条起裂裂纹A-1，起裂后逐渐向裂纹尖端扩展，由于荷载较小，A-1并未与断层发生沟通。荷载达到14.61 MPa时试件表皮开始发生“剥落”，且这时A-1与模拟断层产生沟通，并出现新的裂纹。自试件顶部端面产生A-2、A-3两条裂纹，其中A-2在远离断层区上方顶板开始孕育，且自出现起即表现出向模拟采空区右侧的断层区扩展的倾向；当荷载达到试件荷载极限15.83 MPa，表面剥落加剧，具有明显的破坏特征，裂纹大量出现并密集分布在远离模拟采空区一侧的模拟断层上方，模拟采空区上方只有极少数裂纹，且大部分裂纹展现出向模拟断层区域扩展的倾向。

如图4所示，模拟断层倾角为40°时与倾角20°时表现出相似的现象，荷载0.80 MPa时预制裂纹尖端出现表皮“剥落”的现象，从试件上部端面产生向模拟采空区延伸的一条起裂裂纹A-1；当荷载达到9.08 MPa时，从试件底部位置产生一条与主应力方向一致的裂纹A-2，该裂纹迅速扩展至模拟采空区前端发生连接，同时模拟断层区产生少量孔间裂纹A-3；当荷载达到12.37 MPa时，从试件顶部产生裂纹A-4并迅速扩展与模拟采空区相连，孔间裂纹A-3随着试件发生破坏出现与裂纹A-1贯通连接的现象，同时裂纹A-1与A-2不断扩展至模拟采空区前端发生连接，试件发生破坏。但裂纹总量相比断层倾角为20°时有所减少，且远离裂纹面一侧的钻孔上方裂纹比例有所减少，裂纹面上方裂纹比例也有所增加，裂纹面与钻孔交接区域上方裂纹扩展倾向表现出向模拟采空区靠拢，但试件整体也有部分裂纹展现出向模拟断层区域扩展的倾向。

图3 试件1-1裂纹扩展示意图Fig. 3 Crack propagation diagram of specimen 1-1

图4 试件1-2裂纹扩展示意图Fig. 4 Crack propagation diagram of specimen 1-2

如图5所示，断层倾角为60°时，与之前试验现象截然不同。当荷载达到2.06 MPa时，从试件下部底板区域产生起裂裂纹A-1，孕育后迅速扩展与模拟断层面的钻孔相连；当荷载达到3.04 MPa 时，从试件上部顶板区域产生一条大裂纹A-2并迅速扩展与模拟采空区前端发生连接，采空区下方出现一小段裂纹A-4；荷载达到10.93 MPa时，自顶板孕育扩展的大裂纹A-2宽度不断增加，裂纹A-4不断扩展，但并未表现出向模拟断层区域扩展的倾向。孔间裂纹A-3通过不断扩展延伸至整个模拟断层并与试件上下部端面连接，最终试件破坏。倾角为60°时岩石试件并没有出现大量裂纹，仅在荷载达到3.04 MPa时一条自顶部孕育的剪切裂纹延伸到了裂纹面与钻孔的交接处。试件最终破坏时远离裂纹面一侧的钻孔区域只有极少一部分孔间裂纹，而采空区上方出现大裂纹，且裂纹A-4在扩展过程中并未表现出向模拟断层区域扩展的倾向，这说明60°时首次发生裂纹扩展倾向的完全转移，自模拟断层区域转至模拟采空区区域。

如图6所示，断层倾角为80°，荷载达到2.73 MPa时，从试件上部顶板产生起裂裂纹A-1，起裂后与弱面中的钻孔相连并向裂隙面前端开始扩展，表现出很强的向采空区扩展的倾向；当荷载达到4.45 MPa时，从试件上部顶板处产生一条新的裂纹A-2并迅速扩展与裂纹面前端产生的裂纹发生连接，同时，从试件下部出现一条裂纹A-3，该裂纹也表现很强的向采空区扩展的倾向，迅速扩展与模拟采空区发生连接；荷载达到14.12 MPa时，裂纹A-2不断孕育扩展，与裂纹A-1、A-6相互连接，试件下部端面与上部端面之间产生一条贯穿采空区的裂纹A-4，同时试件也发生破坏。与断层倾角为60°时相比，试件再次出现大量裂纹，裂纹自裂纹面上方孕育扩展，并大量出现，而远离裂纹面一侧的钻孔上方只有极少部分的孔间裂纹，试件绝大部分裂纹均表现出向模拟采空区扩展的倾向。

图5 试件1-3裂纹扩展示意图Fig. 5 Crack propagation diagram of specimen 1-3

图6 试件1-4裂纹扩展示意图Fig. 6 Crack propagation diagram of specimen 1-4

上述试验现象表明，随着模拟断层倾角的变化，裂纹扩展倾向出现转移的迹象，当模拟断层倾角为20°时，裂纹集中出现在远离模拟采空区的模拟断层上方。随着模拟断层倾角增大，裂纹出现几率自模拟断层向模拟采空区偏移。当模拟断层倾角为60°时，试件裂纹初次发生完全转移并第一次出现剪切裂纹，试件最终发生剪切破坏。为进一步探究是否是模拟断层倾角变化导致的上述现象，增加两组试验。如图7所示，增加试件1-3-2，裂纹长度为12 mm，模拟断层角度为60°；增加试件1-3-3，裂纹长度为24 mm，模拟断层角度为60°。探究当倾角一定，而模拟采空区长度变化时，试件是否会出现剪切破坏特征，裂纹是否会倾向于裂纹面扩展。

图7 增设试验组合示意图Fig. 7 Diagram of added experimental combinations

如图8所示，模拟断层倾角为60°，裂纹长度为12 mm。当荷载为10.18 MPa时，从试件下部底板区域产生一条向采空区扩展的裂纹A-1，虽然模拟采空区的长度十分有限，裂纹还是表现出很强的扩展倾向；当荷载为13.24 MPa时，裂纹A-1与模拟采空区前端发生连接，同时从试件上部顶板区域产生裂纹A-2也向模拟采空区前端扩展；当荷载为15.56 MPa时试件发生破坏。与试件1-3破坏时现象相似，试件破坏特征不明显，裂纹数量较少，且裂纹扩展倾向均为向模拟采空区方向扩展。

图8 试件1-3-2裂纹扩展过程Fig. 8 Crack propagation diagram of specimen 1-3-2

如图9所示，模拟断层倾角为60°，裂纹长度为24 mm。当荷载为2.55 MPa时，从试件下部底板区域产生裂纹A-1，裂纹起裂后同样表现出很强的向模拟采空区面扩展倾向；当荷载为6.10 MPa时，裂纹A-1扩展至模拟采空区前端发生连接；当荷载为11.97 MPa时，由于试件即将发生破坏，模拟断层区域中产生大量的孔间裂纹连通钻孔形成裂纹A-3。虽然试件破坏时在模拟断层区域也出现部分裂纹，但总体与试件1-3破坏特征相似，试件抗压强度较低，破坏特征不明显，裂纹数量较少，且裂纹扩展倾向均为向模拟采空区方向扩展。

图9 试件1-3-3裂纹扩展过程Fig. 9 Crack propagation diagram of specimen 1-3-3

上述试验现象证明，当模拟断层倾角为60°时，裂纹向模拟采空区方向扩展的倾向较强，且不会随着模拟采空区长度的减少而改变。

2.2 试件应力应变数据分析

为了进一步探究不同断层倾角对岩石整体强度的影响，从应力应变以及试件破坏特征角度进行分析。如表1与图10所示，试件1-1抗压强度最高，随着模拟断层的角度增大，试件抗压强度呈现出先降低后增大的趋势，在模拟断层角度为60°达到最低；同时对比断层倾角60°时，不同长度模拟采空区之间试件强度的变化发现，随着模拟采空区长度的增加，试件强度也随之呈降低的趋势。

表1 试件单轴抗压强度对比Tab. 1 Comparison of uniaxial compressive strength of test piece

图10 试件轴向抗压强度对比图Fig. 10 Comparison diagram of axial compressive strength of test piece

通过图11对比试件1-3-2与试件1-3-3发现，当模拟断层倾角为60°时，试件抗压强度曲线中均出现一次急剧的强度降低随后小幅增大的现象，这说明试件在该角度出现了剪切滑移的现象；试件会在表面破坏特征不明显时发生突然破坏，即断层倾角为60°时会使岩石整体脆性增强。以上两种现象均不会随着模拟采空区的长度减小而改变。

图11 试件关键点破坏特征与应变曲线Fig. 11 Failure features and strain curves of specimens′ key points

通过应变片监测结果分析，当断层倾角小于60°时，试件应变反馈较缓和，模拟采空区与断层交接区域没有发生明显的应变起伏变化。随着模拟断层的倾角增大，应变反馈也随着强烈，并在断层倾角60°时最为强烈，局部应变起伏较大。在倾角达到80°时相对60°时又有所减弱。对比试件1-3、1-3-2、1-3-3发现，随着模拟采空区长度的减小，应变起伏有所变缓，但相较于其他因素仍表现的较为强烈。这说明，断层倾角的改变对该区域产生的扰动影响更为严重，虽有所减弱，但是结合破坏特征与应力表现发现，模拟断层倾角的改变，不仅对岩石试件整体强度产生较大影响，且会在关键区域产生不同程度的损伤扰动。断层倾角60°时对采空区与断层交接区域产生较大损伤扰动，实际工程中极易活化断层，使裂纹与断层发生沟通，导致突水灾害。

3 结论

1) 模拟断层倾角20°时裂纹扩展倾向主要向模拟断层区靠拢，随着模拟断层倾角的变化，试件裂纹扩展倾向发生改变，并在倾角60°时首次发生裂纹扩展倾向的完全转移，自模拟断层区域转至模拟采空区区域；倾角80°时裂纹集中出现在模拟采空区的上方，而远离模拟采空区一侧的模拟断层上方裂纹只有极少部分，且模拟采空区与模拟断层交界区域上方裂纹扩展倾向于向采空区靠拢；试验揭示的裂纹在不同断层倾角下发生扩展倾向的变化，可为实际工程中复杂断层情况提供一定的理论支持。

2) 随着模拟断层倾角的增大，试件抗压强度呈先降低再增大的趋势，而倾角为60°时达到强度最低；对比断层倾角60°时不同长度模拟采空区之间试件强度的变化发现，随着模拟采空区长度的增加，试件强度呈降低的趋势；结合倾角60°时破坏特征发现，裂纹数量较少却有大裂纹，试件会在表面破坏特征不明显时发生突然破坏，峰后曲线中均出现急剧降低后又小幅增大的残余强度，试件出现剪切滑移的破坏现象。

3) 通过局部应变反馈发现，断层倾角改变不仅会影响整体强度的改变，还会对关键区域产生不同程度的损伤扰动，成为导致突水灾害发生的主要原因；而随着断层倾角的增大，这种影响呈先增强后减弱的趋势。