不同加载速率对磷块岩破坏特性的影响研究.pdf

岩 土 工 程化 工 矿 物 与 加 工INDUSTRIAL MINERALS&PROCESSING2023 年第 8 期 文章编号:()D O I:/j c n k i h g k w y j g 不同加载速率对磷块岩破坏特性的影响研究尹白琳,吝曼卿,石明汉,高成程,王国均(武汉工程大学 资源与安全工程学院,湖北 武汉 ;磷资源开发利用教育部工程研究中心,湖北 武汉 ;湖北宜化集团股份有限公司,湖北 宜昌 )摘要:为了探究磷块岩受力后的动态响应规律,开展了不同加载速率作用下的磷块岩单轴压缩试验,并结合P F C D颗粒流软件,对加载速率与峰值应力、破坏形态、裂纹扩展数量及位移变化的对应关系进行分析.室内试验结果表明:不同加载速率下磷块岩单轴压缩过程均经历了压密、弹性变形、塑性变形、峰后破坏等个阶段;随着加载速率的增大,试件峰值应力及其应变增大,弹性模量增幅显著,峰后破坏愈加剧烈.P F C D数值模拟结果表明:随着加载速率的增大,模型裂纹数量增多;模型由局部破坏转为剧烈的全局破坏.磷块岩强度随着加载速率的增大而增大,试件内部孔隙在较大加载速率作用下闭合不充分,各向异性较强,形成的宏观破裂面更明显,破坏范围更大.关键词:磷块岩;加载速率;单轴压缩;破坏特性;峰值应力;裂纹数量;位移变化中图分类号:TU 文献标志码:AS t u d yo nt h e e f f e c t o f l o a d i n gr a t e so nt h e f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp h o s p h a t er o c kY i nB a i l i n,L i nM a n q i n g,S h iM i n g h a n,G a oC h e n g c h e n g,W a n gG u o j u n(S c h o o l o fR e s o u r c e s&S a f e t yE n g i n e e r i n g,Wu h a nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,W u h a nH u b e i ,C h i n a;N a t i o n a lE n g i n e e r i n ga n dT e c h n o l o g yR e s e a r c hC e n t e r f o rD e v e l o p m e n t&U t i l i z a t i o no fP h o s p h a t eR e s o u r c e s,W u h a nH u b e i ,C h i n a;H u b e iY i h u aG r o u pC o,Y i c h a n gH u b e i ,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t of i n dt h ed y n a m i cr e s p o n s e l a wo fp h o s p h a t er o c ku n d e rs t r e s s,u n i a x i a l c o m p r e s s i o nt e s t so fp h o s p h a t er o c ka td i f f e r e n t l o a d i n gr a t e sw e r ec a r r i e do u t T h ec o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nl o a d i n gr a t ea n dp e a ks t r e s s,f a i l u r e f o r m,c r a c kg r o w t ha n dd i s p l a c e m e n t c h a n g e sw a s s t u d i e db yu s i n gP F C Dp a r t i c l e f l o ws o f t w a r e T h e r e s u l t s f r o mi n d o o r t e s t s s h o wt h a t a t d i f f e r e n t l o a d i n g r a t e s,t h eu n i a x i a l c o m p r e s s i o no f p h o s p h a t e r o c kw a sp r o c e e d i nf o u rs t a g e s:c o m p a c t i o n,e l a s t i cd e f o r m a t i o n,p l a s t i cd e f o r m a t i o na n dp o s t p e a kf a i l u r e W i t ht h er i s i n go fl o a d i n gr a t e,t h ep e a ks t r e s s a n ds t r a i n i n c r e a s e d,t h e e l a s t i cm o d u l u s i n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y,a n d t h ep o s t p e a k f a i l u r eb e c a m em o r eb a d l y T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sf r o m P F C Ds h o wt h a tt h en u m b e ro fc r a c k sg r o w nw i t ht h ei n c r e a s eo f l o a d i n gr a t e T h em o d e l p r e s e n t e dc h a n g e s f r o ml o c a l f a i l u r et ow h o l eb a df a i l u r e T h es t r e n g t ho fp h o s p h a t er o c k i n c r e a s e da s t h e l o a d i n gr a t ew e n tu p T h e i n t e r n a lh o l e so f t h e t e s t i n gs a m p l ew e r en o t c l o s e dc o m p l e t e l yw i t hs t r o n ga n i s o t r o p ya t ah i g h l o a d i n gr a t e,r e s u l t i n g i nt h eo b v i o u sa n dw i d e f a i l u r ee v e n t u a l l y K e y w o r d s:p h o s p h a t er o c k;l o a d i n gr a t e;u n i a x i a lc o m p r e s s i o n;f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c s;p e a ks t r e s s;n u m b e ro fc r a c k s;d i s p l a c e m e n t c h a n g e收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目(,);湖北省安全生产专项资金科技项目(S J Z X );湖北省重点研发计划项目(B C B );国家磷资源开发利用工程技术研究中心开放基金项目(N E C P ).作者简介:尹白琳(),女,硕士研究生,主要研究方向为深部岩体与安全,E m a i l:b a i l i n y i n c o m.通信作者:吝曼卿(),女,博士,副教授,主要研究方向为深部岩体与安全,E m a i l:m a n q i n g_l i n f o x m a i l c o m.引用格式:尹白琳,吝曼卿,石明汉,等不同加载速率对磷块岩破坏特性的影响研究J化工矿物与加工,():Y I NBL,L I N M Q,S H IM H,e ta l S t u d yo nt h ee f f e c to f l o a d i n gr a t e so nt h e f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp h o s p h a t e r o c kJ I n d u s t r i a lM i n e r a l s&P r o c e s s i n g,():尹白琳等:不同加载速率对磷块岩破坏特性的影响研究 年月引言磷矿石作为一种不可再生的重要战略性矿产资源,在我国经济发展中发挥了重要作用.随着浅层磷矿资源的枯竭,磷矿开采逐渐向深部延伸.在井下开挖卸荷过程中,磷块岩受开挖速度、开挖方 式 等 因 素 的 影 响,其 破 坏 特 征 复 杂 多样 ,故有必要开展井下矿岩的变形特性研究.岩石加载速率效应作为岩石力学研究的热点方向之一,国内外学者运用理论分析、试验研究等方法对其开展了大量研究,如:纪文栋等借助三轴压缩室内试验分析了应变加载速率对盐岩力学性能的影响;李永盛针对红砂岩开展了不同应变速率下的单轴压缩试验,发现红砂岩的峰值强度随着应变速率的增大而升高;苏国韶等通过应变型岩爆室内模拟试验,研究了不同加载速率下的岩爆碎块特征;宋义敏等在数字散斑分析试件变形场的基础上,对加载速率与红砂岩变形局部演化及能量特征的对应关系进行了分析,发现岩石试件能量释放速率随单轴加载速率的增大而增大;苏承东等针对大理岩开展了不同应变速率下的单轴压缩试验,发现泊松比与应变速率成指数关系.有学者从岩石的细观力学特征出发,利用迭代计算分析使数值试样的宏观力学特性更接近于岩石的真实力学特性,从而探究岩石的动力响应机制及岩石变形破坏的本质,如:尹小涛等运用P F C开展了砂岩在不同速率下的单轴压缩试验研究,分析了加载速率对岩石破坏形态、能量转换的影响;吕森鹏等 运用A B AQU S模拟了带孔岩板在不同加载速率下的不同承载能力和破坏形态;何忠明等 运用F L A C D数值模拟软件对层状岩体应力应变响应及强度特征进行了系统研究;张学朋等 开展了花岗岩在不同加载速率下的单轴压缩数值模拟试验,定量分析了应变能率、声发射随加载速率的变化规律;杨科等 利用P F C D探究了矸石集料的承载性能与破裂演化规律;罗可等 采用P F C D探究了加载速率对裂隙岩体变形特征和强度的影响规律.磷块岩由胶磷矿和白云岩胶结而成,作为各种矿物颗粒的集聚体,其独特的结构特性使其动态响应更加复杂,目前对于磷块岩在不同加载速率下的破坏形态研究甚少.基于此,本文针对磷块岩在不同加载速率下的力学特性,并根据室内试验下试件的破坏形态,基于颗粒流理论对岩样进行P F C D数值模拟,深入研究加载速率对磷块岩裂纹演化和破坏形态的影响,分析磷块岩在加载速率效应下的破坏失稳机制,以期为岩爆防治和岩石结构设计优化提供参考.试验条件与方法 试试验验条条件件)加载系统试验采用武汉工程大学岩爆可视化感知与智能预警实验室RMT 岩石与混凝土力学试验系统,该系统在加载过程中可实时采集载荷、位移、时间等数据,具有高刚度、高动态响应的特点.加载试验装置见图.使用高速摄像仪记录试验全程影像.图加载试验装置全景图F i g P a n o r a m i cv i e wo f t h e l o a d i n gt e s t试验前须校对各仪器时间,以保证压力机、摄影系统保持同步.)加载试件试验岩样取