循環載荷下煤樣裂隙演化試驗及數值模擬

郭軍杰，程曉陽

（1.河南工程學院 安全工程學院，河南 鄭州451191；2.瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室，重慶400037；3.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶400037）

在自然或人為工程條件下，煤巖體時常經歷載荷的重復加、卸載作用。應力的周期作用使得煤巖體的力學性質產生了很大改變，嚴重影響煤巖體工程活動的穩定性，引起一系列的災害。為此，國內外學者進行了煤巖體疲勞特性的研究：魏元龍等[1]研究了頁巖的力學特性；馬林建等[2]研究了鹽巖的力學特征；王鴻[3]研究了5 種因素對巖石材料力學性能的影響；劉杰等[4]對巖石能量轉化及變形參量進行了定量分析；許江等[5-6]從滯回環演化、變形規律角度分析了周期載荷下巖石損傷演化的動態過程。隨著科學技術的發展，學者們借助先進的實驗儀器研究煤巖體的損傷破裂過程。李樹春[7]采用聲發射及CT 掃描技術從細觀角度研究了巖石的損傷演化過程；唐曉軍[8]采用分形理論對損傷過程的聲發射序列進行了分析；田文玲等[9]采用PFC 數值模擬軟件對三軸循環載荷下煤樣的裂隙演化過程進行了細觀分析；劉建坡[10]、何俊[11]、任松[12]等均采用聲發射技術分別對幾種典型材質進行了疲勞損傷過程的監測分析。綜上所述，已有成果也多集中于均質材料，對于煤等多孔介質，基于其孔裂隙結構的客觀復雜性，煤體疲勞損傷過程的研究尚不充分，也制約了礦井動力災害防控機制的研究。為此，有必要從宏觀和細觀等角度綜合分析煤體的損傷破壞機制，為煤礦動力災害的防治提供指導依據。

1 試驗方法

1.1 煤樣制備

研究煤的裂隙演化過程首先需要考慮煤的構造作用及地質年代，故選用與原生結構更相近的原煤煤樣。試驗選取寺河煤礦的3#無煙煤，該煤塊的煤質堅硬、結構均一、層理分明，為原煤樣的制作奠定了良好的條件。將所取煤塊沿垂直層理方向取樣，并按規程[13]要求的精度加工制備標準煤樣（φ50 mm×100 mm）。

1.2 試驗內容

試驗在巖石力學試驗機及聲發射信號分析儀組成的試驗系統上進行。依據三軸壓縮試驗結果，確定在2 MPa 圍壓下，煤樣的平均三軸壓縮強度為53.42 MPa，故選擇等幅循環的應力幅值為20～45 MPa，循環波形為等幅三角波，循環波形示意圖如圖1。試驗過程中首先以0.1 MPa/s 的應力控制方式同時加載軸壓、圍壓至2 MPa，然后保持圍壓不變，以0.002 mm/s 的位移控制方式加載軸壓至循環幅值的均值，最后設置循環應力均值、循環幅值、循環頻率等參數，系統自動循環至煤樣破壞。

圖1 循環波形示意圖

2 試驗結果分析

試驗過程同步獲取了循環載荷下煤樣的變形及聲發射參量數據，從宏觀角度分析了煤樣了疲勞損傷過程。

2.1 變形規律分析

循環加、卸載條件下煤樣的應力-應變曲線如圖2。由圖2 可見：由于煤樣自身孔裂隙等缺陷的存在，使得煤樣的變形曲線具有非線性特征，即加、卸載階段曲線的不重合，形成塑性滯回環。對于煤樣的整個疲勞破壞過程而言，滯回環也具有明顯的階段性特征。初期循環過程，隨著循環次數的增加，單次循環產生的殘余變形量逐漸減小，滯回環由疏向密發展；中期循環過程中，單次循環完成后產生的殘余位移量相對較小，滯回曲線密集穩定；后期循環中，每1 次加、卸載產生的不可逆塑性變形顯著增大，滯回曲線相對前兩階段發展迅速，直至煤樣失穩破壞。

圖2 循環載荷下煤樣的應力-應變曲線

2.2 聲發射規律分析

循環載荷下煤樣的聲發射參量特征如圖3。由圖3 可見：對應煤樣變形的3 個階段，煤樣的峰值振鈴計數也出現了降低、穩定和升高，如圖3（a）；煤樣的累計能量和撞擊計數變化曲線整體表現為“階梯狀”上升趨勢，呈倒S 型。循環初期曲線呈“上凸”狀，循環中期曲線呈現“階梯狀直線上升”狀，循環后期曲線呈“下凹”狀。其倒S 型曲線中點的切線斜率的大小變化趨勢為降低、穩定和升高3 個階段，如圖3（b）。

3 裂隙演化數值模擬

煤巖損傷破壞的實質從細觀層面講是裂紋的形成、擴展及貫通過程。因此，采用基于顆粒流離散元理論的PFC2D模擬軟件，從細觀角度深入研究煤巖體的裂隙演化過程，對于煤巖破裂機理的研究提供了新的方法。

3.1 PFC建模過程

PFC 模擬過程中首先需要對顆粒及黏結的細觀參數進行定義，但PFC2D軟件中沒有宏觀力學參量及材料本構模型的概念，試驗中僅能得到煤巖的宏觀力學參數，因此采用“試錯法”[9]對模擬的細觀力學參數進行多次調試，使得模擬結果更為接近煤巖的真實情況。經反復調試，最終的確定模型顆粒的細觀參數見表1。

圖3 循環載荷下煤樣的聲發射參量特征

表1 模型細觀參數

本次模擬建立模型尺寸設定為100 mm×50 mm的矩形，共生成顆粒16 490 個，顆粒間的連接模式選擇平行連接。模擬時通過模型四周墻體的移動模擬載荷的施加過程，左右邊界通過軟件內置的伺服程序保持圍壓在整個模擬過程恒定在2 MPa，循環加載過程采用位移控制方式，通過賦予頂、底兩墻體恒定的移動速度來模擬相應的加載方式，卸載過程則采用應力控制方式。在整個循環過程中，程序將實時自動記錄相關參數及裂紋的發展狀態。

3.2 模擬結果分析

循環載荷下煤樣微裂紋演化過程如圖4。由圖4可見：在初期循環過程中，煤樣內部的微裂紋隨機分布于煤樣內部，并未形成明顯的微裂紋聚集區，但有少量的微裂紋緊密相連，隨著循環過程的進行，微裂紋不斷增加，并在局部聚集、連接，形成初步的剪切破裂帶。當初步剪切破裂面形成后，加載過程中由于應力集中作用，新產生的損傷裂紋會在剪切帶附近明顯增多，匯合、貫通形成主破裂帶，與此同時，之后循環產生的微裂紋也會以此為基礎向外擴展，導致煤樣的最終破壞。

圖4 循環載荷下煤樣的裂紋擴展過程

從煤樣的最終破壞模式可以看出：致使煤樣最終破壞的裂紋不僅有剪切裂紋，也有拉伸裂紋，但是剪切裂紋的數量占有絕對優勢，僅在煤樣端部會有少量的拉伸裂紋存在，因此，數值模擬中煤樣的破裂模以剪切破壞為主。

4 結 論

1）循環載荷作用下，單次循環產生的殘余變形量經歷減小、穩定和增大3 個階段，變形曲線表現為“疏-密-疏”3 個階段。

2）循環載荷下煤樣的聲發射參量也表現為降低、穩定和升高階段，峰值振鈴計數呈“U”型，累計能量和撞擊計數呈倒“S”型。

3）數值模擬結果顯示：循環初期煤樣的微裂紋隨機分布，隨著循環次數的增加，微裂紋穩定增加，并逐漸形成初步剪切破裂帶，循環后期微裂紋在剪切破裂帶附近匯合、貫通，形成主破裂帶，最終導致煤樣失穩破壞，煤樣的破壞以剪切破壞為主。