裂隙及充填裂隙對砂巖破壞特征的影響

王延輝 于后瑞 黨崇哲

（山東新巨龍能源有限責任公司，山東 菏澤 274918）

由于包含孔隙[1-2]、裂隙[3-4]、節理[5-6]和異質結構[7]等缺陷結構，自然界中的巖石大多為典型的非均質體。其中，裂隙結構和充填裂隙結構作為比較常見的缺陷結構，會極大影響巖石的破壞特征，威脅煤礦的安全開采。

在裂隙結構方面[3-6]，學者們主要通過數值模擬、室內試驗以及理論分析等方法展開研究。當巖石試樣中預置一條或多條裂隙結構時，加載作用下裂隙尖端出現應力集中并出現裂紋，此類試樣的破壞過程往往與裂隙傾角、尺寸等因素有關。相比裂隙結構，針對充填裂隙方面的研究相對較少，主要通過配制類巖石試樣進行室內試驗的方法分析含充填裂隙試樣的強度和破壞特征。李斌等[7]研究了裂隙充填情況對不同巖橋傾角下雙裂隙巴西圓盤試樣力學特性的影響，并結合聲發射和數字散斑應變測量系統分析了試樣的裂紋擴展特征；董晉鵬[8]等研究了共面雙裂隙對巖石材料抗拉強度的影響，結果表明裂隙充填一定程度上增加了試樣的完整性，使其抗拉強度有所增加，且充填裂隙傾角決定試樣破壞模式；王鵬飛等[9]研究了不同粗糙度和隙寬貫通充填裂隙對巖石滲流特性的影響。

針對裂隙和充填裂隙結構的研究已取得了許多成果，然而巖石中往往同時賦存裂隙和充填裂隙，此時巖石強度及承載作用下裂隙擴展路徑更為復雜。針對此問題，本文基于PFC2D 軟件模擬不同賦存狀態的裂隙及充填裂隙結構對砂巖裂紋發育擴展的影響，研究含裂隙及充填裂隙試樣的破壞特征，以期為相關工程圍巖穩定性評價提供參考。

1 模型建立及模擬方案

模型尺寸為50 mm×100 mm，設置粒徑范圍為0.3～0.4 mm，共生成顆粒11 634 個，通過運算使生成的顆粒間形成良好的接觸。選擇可以較好反映巖體實際破壞過程的平行黏結模型進行模擬。為了研究裂隙及充填裂隙對砂巖破壞行為的影響差異，制定了6 種方案如圖1：（1）完整砂巖試樣；（2）含單一裂隙結構試樣；（3）含單一充填裂隙結構試樣；（4）含兩條裂隙結構試樣；（5）含兩條充填裂隙結構試樣；（6）含一條裂隙和一條充填裂隙試樣。為盡可能消除其他因素對模擬結果的影響，將裂隙及充填裂隙傾角均設為45°，充填裂隙顆粒粒徑與砂巖顆粒相同，將充填裂隙顆粒屬性設為砂巖顆粒的0.5 倍。當試樣中含有兩條缺陷結構時，其位置關于試樣中心對稱，以消除缺陷結構位置對模擬結果的影響。

圖1 模擬方案

2 裂隙及充填裂隙對砂巖破壞特征的影響

2.1 裂隙及充填裂隙對試樣聲發射特征的影響

在模擬過程中實時記錄試樣裂紋發育擴展過程，通過編寫Fish 語言監測應變微元內平行黏結斷裂數來模擬試樣聲發射特征。各方案試樣應力-應變及AE 曲線如圖2。當試樣中賦存缺陷結構時，含裂隙結構試樣在裂隙尖端起裂，含充填裂隙結構試樣在充填裂隙與砂巖基質交界處起裂，這兩類起裂模式導致了試樣裂紋發育擴展路徑相對固定，AE事件數明顯降低。圖2（f）中試樣應力-應變曲線在峰后階段出現臺階狀下降現象，這反映了試樣中的充填裂隙結構在試樣達到峰值強度后仍起一定的承載能力。

圖2 試樣應力-應變及AE 曲線

2.2 裂隙及充填裂隙對砂巖裂紋擴展的影響

如圖3（a）所示，完整試樣的起裂位置相對隨機，持續加載后在試樣左上角出現裂紋群，試樣內部持續出現分布隨機的微裂紋。當加載到一定程度后，微裂紋急劇增加并相互貫通，最終導致試樣破壞。當試樣中賦存單一裂隙時（圖3b），試樣首先在裂隙尖端出現應力集中，裂紋在此處產生并在載荷作用下形成翼型裂紋。持續加載后試樣沿翼型裂紋擴展最終破壞。充填裂隙由于顆粒屬性與砂巖顆粒不同，導致了試樣內部均質性破壞，容易在充填裂隙顆粒與砂巖顆粒交界處產生應力集中并起裂。但由于砂巖顆粒強度大，裂紋僅能在充填裂隙內部發育。如圖3（c）所示，當載荷達到一定程度后，裂紋足以穿透砂巖顆粒，在充填裂隙端部形成翼型裂紋，試樣破壞后主裂紋基本沿充填裂隙形成。試樣中含有兩條裂隙時，由于尖端起裂造成兩條裂隙端部均出現翼型裂紋，其發育擴展路徑相對固定，在足夠的載荷作用下端部裂紋貫通（圖3d），最終導致試樣破壞。當試樣中同時包含裂隙及充填裂隙時（圖3e），裂紋首先在裂隙尖端出現，值得注意的是，當裂隙尖端裂紋發育至充填裂隙位置處時，充填裂隙內部仍未出現微裂紋，試樣最終破壞形態主要由裂隙結構決定。當試樣中含有兩條充填裂隙時，試樣起裂位置依然為充填裂隙與砂巖基質交界處，并在載荷作用下在充填裂隙內部發育，持續加載后裂紋穿透充填裂隙在尖端產生翼型裂紋并最終導致試樣破壞。

圖3 裂隙及充填裂隙對砂巖破壞行為的影響

整體而言，裂隙和充填裂隙結構對試樣破壞行為的影響顯著，試樣起裂及裂紋擴展路徑在很大程度上取決于裂隙和充填裂隙結構的形態。裂隙結構與充填裂隙結構對試樣破壞行為的影響方式不同，裂隙結構產生應力集中的位置為裂隙尖端，所需應力水平較低。充填裂隙結構產生應力集中的位置為砂巖顆粒與充填裂隙顆粒交界處，起裂所需應力水平較高。當裂隙與充填裂隙同時存在時，起主導作用的是裂隙結構，試樣最終破壞模式也決定于裂隙結構的賦存形態。

3 結論

相比完整試樣，含缺陷結構試樣AE 事件明顯降低，試樣中的充填裂隙結構在試樣達到峰值強度后仍起一定的承載能力。

含充填裂隙試樣在砂巖顆粒與充填裂隙顆粒交界處起裂，所需應力水平較高。當裂隙與充填裂隙同時存在時，起主導作用的是裂隙結構，試樣最終破壞模式也決定于裂隙結構的賦存形態。