復(fù)合巖石力學(xué)性質(zhì)的數(shù)值仿真研究

閆 甫李自強(qiáng)邢 輝

（1.山東省煤炭技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 濟(jì)南 250032;2.中國(guó)十七冶集團(tuán)有限公司，安徽 馬鞍山 243000;3.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)與煤炭學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者在巖石力學(xué)性質(zhì)的數(shù)值仿真模擬[1-4]的建立和不同因素對(duì)巖石力學(xué)性能的影響分析等方面開展了大量研究[5-9]。本文擬根據(jù)復(fù)合巖石所受軸向壓力實(shí)際演化規(guī)律，開展復(fù)合巖體損傷模擬試驗(yàn)，分析不同壓力作用下對(duì)復(fù)合巖體破壞機(jī)制，旨在加深對(duì)復(fù)合巖體力學(xué)性質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

1 復(fù)合巖石方程理論

數(shù)值仿真模擬試件模型均為均質(zhì)復(fù)合巖石，則巖石中的“應(yīng)力狀態(tài)”是：

可以得出，在大應(yīng)力水平下，復(fù)合巖石也可近似地當(dāng)作均質(zhì)各項(xiàng)同性材質(zhì)。

2 復(fù)合巖石力學(xué)性質(zhì)的數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型及計(jì)算參數(shù)的確定

巖樣取自于四川華鎣山礦務(wù)局李子埡煤礦，取出的巖樣中含有砂巖、泥巖、灰?guī)r三種。在數(shù)值模擬試驗(yàn)中，采用規(guī)格為50 mm×40 mm 的試件，在模擬復(fù)合巖石力學(xué)性質(zhì)的數(shù)值仿真研究試驗(yàn)中，把這三種巖石試件粘結(jié)起來。其粘結(jié)的順序是上部為灰?guī)r、中間為泥巖、下部為砂巖，這三種單一巖復(fù)合后的試件規(guī)格為50 mm×120 mm。考慮到礦煤頂板巖層自然沉積需要經(jīng)歷很長(zhǎng)時(shí)間，巖層與巖層之間必然有相互滲透，采用的復(fù)合巖石試驗(yàn)試件的巖層之間相互重疊2 mm。復(fù)合巖石結(jié)構(gòu)圖如圖1。

圖1 復(fù)合巖石結(jié)構(gòu)圖

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 復(fù)合巖石力學(xué)參數(shù)分析

復(fù)合巖石力學(xué)參數(shù)如表1 所示，從表中可以看出巖石的彈性模量、抗壓強(qiáng)度和泊松比隨著載荷的增加呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。

由表1 可知，復(fù)合巖石的抗壓強(qiáng)度低于砂巖和灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度，但是大于泥巖的抗壓強(qiáng)度。當(dāng)三種巖石復(fù)合后，各自的彈性模量都有所增加，但是復(fù)合巖的彈性模量卻比各組成巖石中彈性模量最低的泥巖還要小。

表1 復(fù)合巖石力學(xué)參數(shù)表

2.2.2 復(fù)合巖石聲發(fā)射圖分析

復(fù)合巖石聲發(fā)射圖如圖2 所示。監(jiān)測(cè)巖石聲發(fā)射可以反映出巖石內(nèi)部的破壞過程，在巖石破壞開始圖（a）、圖（b）巖石內(nèi)的中部和下部出現(xiàn)了少量的聲發(fā)射現(xiàn)象并未出現(xiàn)明顯的破裂面，在破壞的中期圖（c）、圖（d）巖石的內(nèi)部聲發(fā)射逐漸密集在中部和上部開始形成傾斜的破裂面，在破壞后期聲發(fā)射進(jìn)一步加密并在中部和上部形成了兩個(gè)傾斜的破裂面。

圖2 復(fù)合巖石聲發(fā)射圖

2.2.3 復(fù)合巖石彈性模量圖分析

復(fù)合巖石彈性模量圖如圖3 所示。在巖石破壞開始圖（a）、圖（b）巖石內(nèi)的中部和下部出現(xiàn)了少量的巖石破裂現(xiàn)象并未出現(xiàn)明顯的破裂面，在破壞的中期圖（c）、圖（d）巖石的內(nèi)部逐漸密集在中部和上部開始形成傾斜的破裂面，在破壞后期進(jìn)一步加密并在中部和上部形成了兩個(gè)傾斜的破裂面。

圖3 復(fù)合巖石彈性模量圖

2.2.4 復(fù)合巖石最大剪應(yīng)力圖分析

復(fù)合巖石最大剪應(yīng)力圖如圖4 所示。在巖石破壞開始圖（a）、圖（b）巖石內(nèi)的中部和下部出現(xiàn)了少量的剪切破壞現(xiàn)象并未出現(xiàn)明顯的破裂面，在破壞的中期圖（c）、圖（d）巖石的內(nèi)部剪切破壞逐漸密集在中部和上部開始形成傾斜的破裂面，在破壞后期剪切破壞進(jìn)一步加密并在中部和上部形成了兩個(gè)傾斜的破裂面。

圖4 復(fù)合巖石最大剪應(yīng)力圖

2.2.5 復(fù)合巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖分析

復(fù)合巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖如圖5 所示。復(fù)合巖石的應(yīng)力-應(yīng)變曲線在初期壓密階段變化并不明顯，隨著載荷的不斷增大，巖石開始發(fā)生破壞現(xiàn)象。隨著載荷繼續(xù)增加，巖石內(nèi)部的裂隙隨之加速發(fā)育生成裂紋，且裂紋出現(xiàn)局部貫通的現(xiàn)象。載荷的繼續(xù)增大，四種巖石模擬試件的應(yīng)變值分別達(dá)到峰值，在達(dá)到峰值后，強(qiáng)度迅速變小，直至完全破壞。

圖5 能夠確定巖石及復(fù)合巖彈性模量均發(fā)生不同程度的變化，灰?guī)r彈性模量達(dá)到4213 MPa，砂巖與灰?guī)r彈性模量變化較小，即砂巖彈性模量在4 210.5 MPa，復(fù)合巖石和泥巖又有減小，其中復(fù)合巖石彈性模量為3 643.12 MPa，泥巖的彈性模量在2 817.45 MPa 左右，但是總體變化比較均勻，且四種巖石的彈性模量為E灰?guī)r＞E砂巖＞E復(fù)合巖石＞E泥巖。

圖5 復(fù)合巖石應(yīng)力—應(yīng)變曲線圖

3 結(jié)論

（1）受載過程中復(fù)合巖石的抗壓強(qiáng)度低于砂巖和灰?guī)r的抗壓強(qiáng)度，大于泥巖的抗壓強(qiáng)度。

（2）三種巖石復(fù)合后，各自的彈性模量都有所增加，但是復(fù)合巖的彈性模量卻比各組成巖石中彈性模量最低的泥巖還要小，但總體均滿足E灰?guī)r＞E砂巖＞E復(fù)合巖石＞E泥巖。

（3）破壞過程中，最先出現(xiàn)裂隙的是泥巖，然后是砂巖和灰?guī)r，最終才導(dǎo)致整個(gè)復(fù)合巖石的破壞，復(fù)合巖石的破壞是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。