基于顆粒流理論的加載速率對煤巖損傷演化特性的影響分析

張 磊 劉 玥

(山西大同大學煤炭工程學院，山西省大同市，037003)

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基于顆粒流理論的加載速率對煤巖損傷演化特性的影響分析

張 磊 劉 玥

(山西大同大學煤炭工程學院，山西省大同市，037003)

基于顆粒離散元程序PFC，利用黏結顆粒模型BPM設計了不同位移加載速率的單軸壓縮試驗，對加載過程中煤巖裂紋擴展情況及破壞形態進行了記錄，研究分析了加載速率對煤巖損傷演化規律及聲發射特性的影響。結果表明，隨著加載速率的增大，煤巖單軸抗壓強度及破壞程度增大；加載速率越大，煤巖破壞時的端面效應越大，破壞形態由單一的剪切破壞向多面剪切破壞轉變；加載速率對煤巖聲發射活動的影響主要集中在應力峰值附近，加載速率越大，煤巖峰值破壞時的聲發射活動越劇烈。試驗結果可為煤礦及巖體工程的損傷劣化監測提供一定的參考，并且對煤礦安全開采具有重要的指導意義。

加載速率 煤巖損傷 聲發射 顆粒流理論

地下煤礦開采過程中，由于巷道掘進速度和工作面推進速度的不同，使作為主要承載體的煤層和巖層處于不同的應力或應變影響下。理論和試驗證明，煤巖體在不同加載速率下的力學特性和本構關系有很大差異。因此，研究煤巖體在不同應變速率下的力學特性對煤礦掘進及開采速率的合理設計具有重要意義。

國內外學者就加載速率對煤體或巖體力學行為的影響做了大量研究。煤巖是由各種礦物顆粒黏聚而成的礦物集合體，從細觀角度對不同加載速率下煤巖力學特性及損傷演化規律進行研究，并且建立細觀裂紋的萌生、擴展、貫通過程和宏觀應力—應變、變形破壞特征之間的聯系，對從本質上認識加載速率影響下的煤巖破壞機制具有重要意義。然而，由于原巖試樣在物理力學性質方面的離散性，并且可重復性差，需先進行大量的物理試驗，再對試驗數據進行統計來減小試驗誤差。同時，由于試驗條件及設備的限制，在實驗室及現場很難對材料內部力學響應的過程進行有效的監測。鑒于此，本文借助于顆粒離散元程序PFC(particle flow code)建立黏結顆粒模型BPM(bonded particle model)，并對其進行單軸壓縮試驗，研究分析不同加載速率下的煤巖強度特性及損傷演化規律。

1 顆粒流簡介

1.1 顆粒流簡介

顆粒流程序PFC是在細觀離散單元法的基礎上開發的一種通過球形顆粒運動與相互作用模擬固體力學和顆粒介質特性的有效工具。該理論將物理域內真實的顆粒抽象為顆粒單元，通過顆粒單元構造試樣幾何形狀、接觸本構，形成相互作用及迭代分析，使得數值試樣的宏觀力學特性逼近真實材料的力學特性。利用PFC數值模擬不僅能夠降低物理試驗費用，而且便于進行深入分析，是進行巖石力學特性研究的有效工具。PFC數值建模流程如圖1所示。

在顆粒建模時，PFC能夠提供多種接觸模型，如接觸黏結模型、平行黏結模型、滑動模型等。平行黏結是顆粒之間面的黏結，可以傳遞力矩，并且接觸剛度和粘結剛度共同組成宏觀剛度，粘結破壞后會立即導致宏觀剛度的下降，適合模擬巖石類材料。因此，本文采用平行黏結模型建立巖石單軸壓縮模型，研究加載速率對煤巖損傷演化特性的影響。

1.2 模型建立及細觀物理力學參數

顆粒流程序PFC利用內嵌的FISH語言編寫程序，數值模型的細觀參數能夠顯著影響數值試樣的宏觀力學特性。本研究在參考以往研究的基礎上，通過“試錯法”反復調整，使數值試樣的宏觀力學響應及參數接近原巖試樣室內試驗的力學響應及參數。二維數值試樣的尺寸(寬×高)為50 mm×100 mm，最小粒徑為0.3 mm，粒徑比為1.67，顆粒密度為1800 kg/m3，摩擦系數為0.46，顆粒間的接觸模量為1.0 GPa，顆粒間的平行黏結模量為12.0 GPa，該參數下的數值模型的單軸彈性模量E、泊松比μ等力學響應參數與標準煤巖試件的室內單軸壓縮試驗的結果基本一致，具體模型如圖2所示。在數值試驗中，模型建立并達到平衡狀態后，通過FISH語言刪除模型左右兩側的墻，保留上下方向的墻，通過調整上下墻的位移速率給模型施加軸向荷載，完成單軸壓縮試驗。

圖1 建模及參數調節流程

圖2 數值模型

2 加載速率對煤巖強度及損傷演化的影響分析

在上述數值模型的基礎上設計了4種軸向位移加載方案，加載速率分別為0.02 mm/s，0.05 mm/s，0.10 mm/s，0.20 mm/s。

不同加載速率下數值試樣的軸向應力-應變曲線如圖3所示。由圖3可知，不同加載速率下應力—應變曲線的整體變化趨勢基本一致，但是其峰值強度及峰值應變有些差異。具體表現為，加載速率為0.02 mm/s時，峰值應力為28.38 MPa，峰值應變為0.407%；加載速率為0.05 mm/s時，峰值應力為28.46 MPa，峰值應變為0.411%；加載速率為0.10 mm/s時，峰值應力為28.58 MPa，峰值應變為0.412%；加載速率為0.20 mm/s時，峰值應力為30.09 MPa，峰值應變為0.446%。隨著加載速率的增加，峰值強度及峰值應變增大。這與李彥偉、李海濤等的研究結果基本一致，再此驗證了該數值模型在模擬煤巖單軸壓縮試驗時的可靠性。

圖3 不同加載速率下的應力—應變曲線

為了更深入的研究加載速率對試樣破壞機制的影響，對不同時步的裂紋擴展情況進行分析比較。不同加載速率下試樣在應力峰值點時的破壞形態如圖4所示。

圖4 不同加載速率下試樣在應力峰值點時的破壞形態

從應力峰值時的破壞形態明顯看出，試樣破壞主要沿著對角線的宏觀破壞面呈現出明顯的剪切破壞形態，并且隨著加載速率的增大，破壞形態從單斜面的剪切破壞向多剪切面破壞轉變，整體破壞程度增大。

3 加載速率對煤巖聲發射特性的影響分析

材料裂紋在形成或擴展時，造成應力松馳，儲存的部分能量以應力波的形式突然釋放出來，產生聲發射現象。巖石在載荷作用下的聲發射主要與巖石裂紋的產生、擴展及斷裂有關。因此，研究煤巖在變形破壞過程中的聲發射現象，對深入探討煤巖的損傷劣化機制具有重要意義。

不同加載速率下的煤巖聲發射特性如圖5所示。由圖5可知，煤巖試樣在不同加載速率下的聲發射變化規律基本一致。初始壓密階段及彈性變形階段前期如圖5(a)所示，此時幾乎沒有聲發射信號的產生；彈性變形階段的中期如圖5(b)所示，開始有微弱聲發射信號的產生，試件開始發生劣化損傷，并且隨著加載的繼續，信號越來越密集；非線性變形階段如圖5(c)所示，聲發射信號開始變強，直到應力的峰值點附近，聲發射信號大量產生，宏觀斷裂面基本形成，試件整體發生損傷破壞；峰后應變軟化階段如圖5(d)所示，由于試樣仍然具有一定的殘余承載能力，沿宏觀破壞面仍有裂紋的生成和擴展，聲發射信號繼續生成。

分析比較不同加載速率下聲發射變化規律發現，加載速率對聲發射的影響較大。隨著加載速率的增大，應力峰值附近聲發射信號越來越密集并且聲發射最大值呈遞增趨勢。這與加載速率對微小裂紋的擴展作用相關。較低加載速率下，微小裂紋不斷生成，加載過程中能量集聚程度變小，在一定程度上降低了峰值破壞時的能量集聚程度。隨著加載速率的增加，試樣內部微小裂紋沒有萌生和擴展的充分時間，而是在應力達到一定水平時，裂紋迅速貫通，從而在較短時間內產生較強的聲發射信號。

實際礦山開采過程中，由于不能準確把握工作面推進或巷道掘進速度，從而誘發了沖擊地壓、煤與瓦斯突出等煤巖動力災害事故，不僅影響煤礦正常生產而且還會造成嚴重的人員傷亡。本文對不同加載速率下煤巖損傷過程的研究，對采礦及深部巖體工程的合理支護與施工具有一定的參考價值；通過記錄變形破壞過程中聲發射信息，對現場利用聲發射、微震等技術對工程圍巖的穩定性進行監測具有重要的指導意義。

圖5 不同加載速率下的聲發射特性

4 結論

(1)在對煤巖物理力學特性進行研究時，顆粒流程序PFC在一定程度上可代替部分室內試驗，是研究巖石力學研究的有效途徑之一。

(2)加載速率能夠影響巖石內部裂紋的擴展過程及最終破壞形態。隨著加載速率的增大，巖石破壞時的端面效應越大，巖石由單一的剪切破壞向多面剪切破壞轉變。

(3)加載速率能夠影響煤巖聲發射活動。加載速率越大，煤巖峰值破壞時的聲發射活動越劇烈，主要與煤巖內部微小裂紋對加載速率的響應有關，為煤礦現場及深部巖體工程通過聲發射活動對煤巖受力及損傷劣化情況進行監測分析提供一定的借鑒。

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(責任編輯 郭東芝)

Influence analysis of loading rate on damage evolution characteristics of coal-rock based on particle flow theory

Zhang Lei, Liu Yue

(College of Coal Engineering, Shanxi Datong University, Datong, Shanxi 037003, China)

Based on particle flow code (PFC), uniaxial compression tests with different displacement loading rates were designed by using bond particle model (BPM), which recorded the cracks propagation process and failure pattern during the loading process, and studied the influences of loading rate on coal-rock damage evolution law and acoustic emission characteristics.The results showed that with the increasing of loading rate, the uniaxial compressive strength of coal-rock and the degree of damage increased constantly; the end face effect of coal-rock damage increased with the increasing of loading rate, and failure pattern transformed from the single shear failure to polyhedral shear failure; the influence of loading rate on coal-rock acoustic emission activity was concentrated upon the peak stress, and the acoustic emission activities were more intense along with the increasing of loading rate.The test results could provide certain reference for damage degradation monitoring of coal and rock mass engineering and had significant guiding significance for coal mine safety mining.

loading rate, coal-rock damage, acoustic emission, particle flow theory

張磊，劉玥.基于顆粒流理論的加載速率對煤巖損傷演化特性的影響分析[J].中國煤炭，2017,43(7)：85-88，107.ZhangLei,LiuYue.Influenceanalysisofloadingrateondamageevolutioncharacteristicsofcoal-rockbasedonparticleflowtheory[J].ChinaCoal, 2017, 43(7):85-88，107.

TD

A

張磊(1984-)，男，山西大同人，講師，碩士學歷，從事巖石力學與采礦工程方面的研究。