加载速率对含充填裂隙砂岩强度特征的影响_关广山.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：为研究加载速率对含充填裂隙砂岩强度特征的影响，采用离散元方法分析了不同加载速率下，含充填裂隙砂岩强度参数和AE计数的变化规律。结果表明：充填裂隙砂岩试样的起裂应力、峰值强度和峰值应变与加载速率呈正相关关系；随着加载速率的增加，试样声发射事件和声发射计数的最大值也逐渐增加；加载速率增加时，试样内部微裂纹不能充分发展，缩短了裂纹发育时间，使得试样内部损伤程度降低。关键词：加载速率；充填裂隙；离散元；AE计数中图分类号：TU4 5文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 0 8 0-0 3Effect of Loading Rate on Strength Characteristics of Sandstone with Filling FracturesGuan Guangshan（Shanxi Lanhua Kechuang Yuxi Coal Mine Co.,Ltd.,Jincheng,Shanxi 048214）Abstract:In order to study the effect of loading rate on the strength characteristics of sandstone with filling fractures，thevariation laws of strength parameters and AE count of sandstone with filling fractures under different loading rates are analyzed bydiscrete element method.The results show that the initiation stress，peak strength and peak strain of fractured sandstone samplesare positively correlated with the loading rate,with the increase of loading rate，the maximum values of acoustic emission eventsand acoustic emission counts of the samples also increase gradually,when the loading rate increases，the internal microcrack ofthe sample can not fully develop，which shortens the crack development time and reduces the internal damage degree of thesample.Key words:loading rate;filling fracture;discrete element;AE number加载速率对含充填裂隙砂岩强度特征的影响关广山（山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西晋城0 4 8 2 1 4）天然岩体中常赋存大量裂隙1，伴随长期地质作用（风化、侵蚀和水化学反应等），裂隙中会形成充填物质。同时，随着地下工程的不断深入，构造应力增强，对岩体产生的加载速率效应也随之增加，使地下工程处于不安全状态。因此，对不同加载速率下含充填裂隙岩石的力学特性及声发射特征的研究非常重要。目前关于加载速率对岩石的各类影响主要集中在预置裂隙和煤岩体中。高保彬等2从煤岩力学性质和声发射特性角度研究了煤体破坏的加载速率效应；王煜等3研究了加载速率及裂隙倾角复合因素对预置裂隙岩体强度及变形特征的影响规律，分析了力学参数及破坏特征与裂隙尖端应力的对应关系；罗可等4通过室内制备含不同倾角裂隙类岩石试件，基于室内试验对其进行不同加载速率下的单轴压缩试验。然而，由于室内试验受试样的局限性及设备限制，难以获得相关研究的全部信息。近年来，基于离散元方法的数值模拟被广泛应用于研究颗粒材料的各类行为。如，吕学刚等5通过离散元P F C研究了充填裂隙倾角对砂岩强度和变形行为的影响，认为充填裂隙对砂岩的峰值强度、峰值应变及弹性模量均有明显劣化作用。针对充填裂隙岩体和不同加载速率下岩体的各类行为已得到了广泛研究，而不同加载速率下充填裂隙岩体的强度特征的相关研究涉及较少。因此，基于离散元方法模拟含充填裂隙砂岩在不同加载速率下的强度特征，同时分析充填裂隙对试样A E特征的影响，具有一定的研究价值。1含充填裂隙模型及模拟方案鉴于离散元法对于岩土等颗粒材料强度和破坏行为描述的可靠性，选取P F C 2 D及其平行黏结模型进行模拟实验。通过指定最 大最小粒 径（0.3 0.4mm），在标准尺寸试样的区域中生成了颗粒1 16 2 2个。为了排除其他因素对模拟的影响，固定充填裂隙倾角、长度和厚度，保持充填裂隙颗粒粒径与砂岩颗粒相同，如图1所示。同时，为了区分两类8 0江西煤炭科技2023年第1期颗粒属性的不同，将充填裂隙颗粒细观参数设为砂岩颗粒的0.5倍。图1数值模型通过上下端墙体对试样进行加载，加载速率设 为0.0 1mm/s、0.1mm/s、1mm/s、1 0mm/s，通过P F C中的F I S H语言定义A E计数，取应变微元内的裂纹数变化作为A E事件。加载过程中监测试样轴向应变、轴向应力、拉压裂纹数等数据。2加载速率对试样强度特征的影响不同加载速率下含充填裂隙砂岩试样的强度特征如图2所示。在0.0 1mm/s、0.1mm/s、1mm/s、1 0mm/s四级加载速率下，含充填裂隙砂岩的起裂应力分别为1 3.5 8M P a、1 3.5 9M P a、1 3.8 1M P a和1 8.9 8M P a（如图2（a）所示），分别提高了0.0 0 7%、1.6%和3 7.3%；含充填裂隙砂岩的峰值强度分别为7 9.1 0M P a、7 9.6 7M P a、8 6.0M P a和1 4 0.1M P a（如图2（b）所示），分别提高了0.7%、7.9%和5 4.1%；含 充 填 裂 隙 砂 岩 的 峰 值 应 变 分 别 为0.0 1 6 0、0.0 1 6 3、0.0 1 8 7和0.0 3 0 3（如图2（c）所示），分别提高了2.4%、1 4.1%和6 2.3%；含充填裂隙砂岩的弹性模量分别为5.1 2 G P a、5.0 9 G P a、5.0 7 G P a和4.6 2 G P a（如图2（d）所示），分别降低了0.7%、0.4%和8.9%。整体上看，随着加载速率的增加，含充填裂隙砂岩试样的起裂应力、峰值强度和峰值应变都逐渐增加，其中起裂应力增幅最小，峰值应变增幅最大。相反，弹性模量与加载速率呈负相关关系。（a）加载速率对起裂应力的影响（b）加载速率对峰值强度的影响（c）加载速率对峰值应变的影响（d）加载速率对弹性模量的影响图2加载速率对试样强度参数的影响3充填裂隙对砂岩AE计数的影响为分析含充填裂隙砂岩在不同加载速率下声发射计数的变化规律，将不同加载速率下的试样进行对比分析，结果如图3所示。在加载初期，在低加载速率下，试样声发射处于平静期，随着加载速率的增加，当加载速率为1mm/s和1 0mm/s时，试样声发射事件（A E）明显增加。在不同加载速率下，含充填裂隙砂岩试样的A E特征具有统一的特点，即声发射计数峰值都出现在应力应变曲线的峰值强度附近，也就是在试样发生破裂的前后。同时，随着加载速率的增加，试样声发射计数的最大值也逐渐增加。在准静态加载条件下，含充填裂隙试样的微裂纹发育更加充分，当加载速率增加时，含充填裂隙砂岩试样内部损伤和微裂纹得不到充分时间发展，缩短了裂纹发育时间，使得试样内部损伤程度降低，进而增加了煤样的起裂应力、峰值强度。8 1江西煤炭科技2023年第1期参考文献著录格式及示例（1）期刊文章：格式：序号作者名.文献题名 J.期刊名(外文刊名需按规范缩写,缩写后的首字母应大写),年，卷(期号)：起止页码.示例:1 胡传亭，郭爱民，乔理学，等.湖西矿井深部回采巷道变形让压锚杆的应用 J.煤炭科学技术，2 0 0 9，3 7（8）：1 8-2 0.2 Singh S H.Adaptive Control of Chaos in Lorenz System J.Dynamic Contr Lett,1 9 9 4，1 0(4)：1 2-1 7.（a）加载速率为0.01 mm/s（b）加载速率为0.1 mm/s（c）加载速率为1 mm/s（d）加载速率为10 mm/s图3不同加载速率下试样AE特征4结论基于离散元方法，选取P F C 2 D建立了含有充填裂隙的砂岩试样模型，分析了不同加载速率下试样的强度特征和A E变化规律，主要结论如下：1）随着加载速率的增加，含充填裂隙砂岩试样的起裂应力、峰值强度和峰值应变都逐渐增加，其中起裂应力增幅最小，峰值应变增幅最大。2）加载初期，在低加载速率下试样声发射处于平静期，随着加载速率的增加，试样声发射事件明显增加，试样声发射计数的最大值也逐渐增加。3）在准静态加载条件下，含充填裂隙试样的微裂纹发育更加充分，当加载速率增加时，试样内部微裂纹不能充分发展，缩短了裂纹发育时间，使得试样内部损伤程度降低。参考文献：1Chen Shaojie，Ren Mengzi，Wang Feng，et al.Mechanicalproperties and failure mechanisms of sandstone withpyriteconcretionsunderuniaxialcompressionJ.Geomechanics and Engineering，2 0 2 0，2 2（5）：3 8 5-3 9 6.2 高保彬，钱亚楠，吕蓬勃.加载速率对煤样破坏力学及声 发 射特 征研 究J.重庆：地下空 间与工程 学 报，2 0 2 0，1 6（2）：4 6 3-4 7 4.3 王煜，付建新，汪杰.单裂隙岩石力学特性的单轴加载速率效应及破裂细观机理研究J.长沙：矿业研究与开发，2 0 2 0，4 0（8）：6 6-7 4.4 罗可，招国栋，曾佳君，等.加载速率影响的含裂隙类岩石材料破断试验与数值模拟J.武汉：岩石力学与工程学报，2 0 1 8，3 7（8）：1 8 3 3-1 8 4 2.5 吕学刚，任梦梓，杨维弘，等.条状缺陷倾角对砂岩力学特性影响的模拟研究J.重庆：矿业安全与环保，2 0 2 0，4 7（6）：4 3-4 7，5 3.作者简介：关广山（1 9 7 7），男，山西高平人，2 0 2 2年毕业于山西兵器工业职工大学煤矿开采技术专业，助理工程师，现从事煤矿安全管理工作。收稿日期：2 0 2 2-0 6-0 4编辑：彭呈喜8 2