不同高度比煤岩组合体的力学特性及裂纹演化数值模拟.pdf

第 卷 第 期 年 月 黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 .不同高度比煤岩组合体的力学特性及裂纹演化数值模拟侯宪港 韦宇翔 秦 涛(黑龙江科技大学 黑龙江省普通高等学校采矿工程重点实验室 哈尔滨)摘 要:为探究不同高度比煤岩组合体的力学特性和裂纹演化规律利用 数值模拟软件开展了煤岩高度比分别为 、的“煤 岩”组合体模拟试验 研究结果表明:不同高度比煤岩组合体的强度均介于煤、岩单体强度之间且煤岩高度比越小组合体的抗压强度越大两者之间呈负相关随着煤体所占比例的减小组合体煤体部分从倾斜角破坏转为“”型破坏岩体部分保持较好的完整性组合体的裂纹演化可以分为裂纹平稳发育阶段、裂纹快速发育阶段以及残余破坏阶段裂纹主要集中在煤体部分并且逐渐积累发育扩展到上部岩体最终造成组合体的失稳破坏关键词:煤岩组合体 不同高度比 力学特性 裂纹演化:./.中图分类号:文章编号:()文献标志码:():.:收稿日期:基金项目:黑龙江省省属高等学校基本科研业务费项目()第一作者简介:侯宪港()男山东省菏泽人讲师博士研究方向:岩石破裂与失稳:.引 言深部环境下煤岩体的变形破坏不仅受其自身物理力学特性、赋存地质条件的影响更重要的是受围岩与煤体相互作用的影响深部开采区属于高应力区域诸多矿山灾害如冲击地压、煤与瓦斯突出等其实质就是在工程扰动下不同煤岩厚度的“煤体 岩体”组合体发生失稳破坏造成的结果 因此以煤岩组合体为研究对象研究在不同高度比情况下煤岩组合体的力学特性与裂纹扩展演化规律对煤炭资源深部环境下的安全性、高效性开采具有重要意义近年来国内外学者通过室内单轴、三轴试验和数值模拟等方法对煤岩组合体进行了深入研究杨科等以 种不同高比的“岩 煤 岩”()组合体为研究对象分析并获得了 组合体在不同高度比下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律 等通过室内试验和数值模拟两种方法观察到在单轴加载条件下复合岩煤试样的应变爆发现象研究了煤岩组合体能量的吸收 转变过程 齐庆新等开展了煤岩体的摩擦滑动试验指出组合煤岩体的不同结构方式对滑动效果的影响和对节理面处应力造成的差异性验证了冲击地压灾害的失稳机理 等通过对煤岩组合体进行单轴压缩试验得出了煤岩高度比越大组合体整体单轴抗压强度越小的规律 等通过采用 方法建立煤 岩组合体的单轴压缩数值模型计算出其破坏过程中裂纹的数量、长度和宏观面积分析了裂纹的扩展过程和能量演化规律 余伟健等通过不同高比“岩 煤 岩”组合体单轴加载试验得出了组合体的破坏受中间煤体高度影响的结论并运用 模拟分析了组合体裂隙发育过程的四个阶段 蔡永博等在单轴压缩条件下探究了煤岩单体、原生煤岩组合体和人工煤岩组合体的应力应变规律通过采集声发射信息分析了不同形态下组合体的界面差异及其变形损伤特征 何涛等通过改变组合体煤体部分的厚度从裂纹扩展演化过程和不同介质间相互作用的角度深入分析了组合体变形破坏过程的一般规律 郭伟耀等通过 软件对不同高度比的煤岩组合体进行模拟研究得到四种组合体破裂形态并得出煤岩高度比越小组合体的极限抗压强度及弹性模量越大的规律 郑建伟等对含有不同层面数量的煤岩组合体开展单轴压缩试验得出随着层面数量的增加组合体等效弹性模量、承载能力及抗压强度有降低的趋势 李春元等通过开展原生煤岩组合体三轴加卸荷试验研究了不同初始围压下组合体的裂隙分类特征及轴压强度特征获得了其主导破裂模式的力学机制 秦涛等对三种不同煤厚的煤岩组合体进行单轴压缩声发射试验得到组合体变形破裂过程中煤厚对其声发射特征和峰前损伤特性的影响规律 郭晓亚等基于 数值模拟软件对不同形态的煤岩组合体进行单轴压缩试验得出煤体中的能量是导致组合体发生变形破坏的能量积聚载体和内在因素 左建平等分析了煤岩组合试样中煤体、岩体的弹性能密度演化规律并据此提出以煤岩系统的峰值弹性能密度差与失稳持续时间的比值作为评价煤岩组合体冲击倾向性的指标上述通过室内试验或者数值模拟方式对不同高度比煤岩组合体的研究可为深部开采条件下矿山灾害发生机理提供理论依据但煤岩体受不同地域条件的影响其自身结构存在差异性西部矿区煤岩层地质构造简单其地层具有独特的弱胶结软岩特性例如内摩擦角偏小内聚力偏低等易导致围岩失稳灾害的发生给矿井安全生产带来挑战 文中选取了西部某矿 工作面煤岩样进行了室内单轴压缩实验并用 建立相应的“煤 岩”组合体模型模拟得到在单轴压缩条件下不同高度比煤岩组合体的应力 应变、单轴抗压强度等力学特性对比分析了组合体在不同加载阶段的破裂形态及裂纹数量变化进而得出不同高比煤岩组合体的裂纹扩展演化规律 数值模拟方案.数值模型的建立首先建立尺寸为 的数值模型如图 所示 利用软件自带的 进行建模块体的平均边长为 三角形单元平均边长为.模拟试验共设计了 组方案:即煤比岩分别为、的二元组合体 通过上下垫板对试样进行固定选用位移控制方式进行加载加载速度为./在 建模中每个计算周期中的时间步长会自动调整到一个极小的值(例如)因此./的加载速率大约相当于 /步这意味着将加载板移动 需要 万步 通过自编译的 语句实现对轴向应力、轴向应变、裂隙数量等信息的监测记录各组模型模拟加载过程中的应力 应变曲线及其破坏特征第 期侯宪港等:不同高度比煤岩组合体的力学特性及裂纹演化数值模拟图 数值试件模型.细观参数的确定将模型块体设置为各向同性线弹性模型节理面的本构模型选用库伦滑移模型 对煤岩体的力学参数和节理面参数分别进行参数标定 通过对采集的煤岩样进行室内单轴压缩实验获得其应力 应变曲线求出试验煤岩样的杨氏模量 和泊松比 根据公式计算出煤岩体的体积模量、剪切模量、节理法向刚度 和切向刚度 运用 建立相同尺寸模型将模拟结果与实验室测量的宏观参数进行比较仔细调整细微参数直到模拟结果与实验室试验近似一致 表 为室内试验和模拟峰值强度的比较校准后的模型力学参数列于表 表 室内实验和数值模拟峰值强度对比 类型/实验模拟误差煤.泥岩.表 数值模型细观参数 类型/()/()煤.泥岩.类型/()/()/煤.泥岩.力学特性.煤岩组合体强度参数模拟不同煤岩高度组合体的应力 应变曲线如图 所示 试样为致密的块体集合体模拟结果未体现煤岩的初始压密阶段因此忽略压密阶段的影响图 不同高度比煤岩组合体的应力 应变曲线.由图 可知 组煤岩组合体模型的应力 应变曲线均在接近峰值点时表现出波动性岩体所占的比例越大组合体的弹性模量也越大且弹模增加的速率也逐渐变快 煤岩组合体强度均介于煤单体强度和岩单体强度之间当煤岩高度比为 时组合体单轴抗压强度为.由于岩石比煤的抗压强度大此时高高比 的煤岩组合体的强度要大于煤样的强度 随着岩样在组合体中所占比例的增加煤岩组合体整体的抗压强度也越来越大当煤样和岩样的高度比为 时其抗压强度增大到.随着岩样占比的持续增大当高度比变为 时组合体的强度增大到.从模拟结果可以得到岩体部分通过限制煤体的变形来提高组合体强度随着岩体所占比例的增加煤体的变形破坏进一步受到上部岩体强度的限制导致组合体强度增大 在峰后阶段三组煤岩组合体都存在残余强度当高度比为 时模型试件在达到峰值强度后快速破坏组合体强度骤降到.而当高度比为 和 时组合体的残余强度分别为.和.从模拟试验结果可以得出煤岩高度比越小煤岩组合体的抗压强度越大且组合体在峰后阶段的破坏强度逐渐减小残余强度越高根据模拟出的试验数据对不同煤岩高度比 与组合体的单轴抗压强度 进行拟合可以得到:.()对式()求一阶导数得到煤岩高度比与组合体单轴抗压强度拟合方程为黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷.()由式()可得煤岩高度比 与组合体的单轴抗压强度 呈负相关煤样在组合体中所占比例越小其组合体的抗压强度越大.煤岩组合体破坏形态图 显示了 组不同高度比煤岩组合体的垂直位移场及其破坏形态图 不同煤岩高度比组合体的破坏模式.由图 可知随着模拟加载的进行上部岩体都保持了较为完整的形态且在垂直方向的位移量稳步增加但在下方煤体中表现出了不同的位移变化在三组模拟试验中组合体右下角的部分煤块都出现了脱离崩坏当高度比为 时组合体形成了一条从煤岩交界面左上角到煤体右下角的贯穿裂隙与水平面的夹角约为 当煤岩高度比为 和 时组合体的宏观破坏主要集中在煤体部分岩体部分保持较好的完整性随着岩体部分所占比例的增大煤体中的破坏越剧烈组合体的破坏模式都表现出煤体部分的倾斜“”型破坏形态破坏面与竖直方向的夹角大约为 当模型试件达到极限强度之后煤岩交界面两侧附近的煤岩和底部两端的煤体出现较为严重的错动破坏模型煤体部分左右下角出现煤片脱离主体且随着岩体所占比例的增大煤体两侧煤片脱离越剧烈这是因为组合体在达到峰值强度后储存在岩体中的弹性能被释放到煤体中并最终转变为动能岩体所占比例越大煤体在应力冲击过程中的动能就越大造成煤体两侧煤片的崩坏越明显 从上述分析可知组合体的破坏主要集中在煤体部分煤体的破坏诱导了顶板岩体的破坏而岩体的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度 随着煤岩高度比的减小岩体部分能量越高在达到峰值强度后释放大量能量并传递至煤体中促使煤体破坏时的动力显现更加剧烈 裂纹演化.裂纹演化过程编写 语言记录煤岩组合体试件压缩过程中的拉伸裂纹数量与剪切裂纹数量以及煤体和岩体分区的拉伸和剪切裂纹数量可得到裂纹演化规律如图 所示其中 、分别代表组合体整体的拉伸裂纹和剪切裂纹数量 、分别代表岩体中的拉伸裂纹和剪切裂纹数量 、分别代表煤体中的拉伸裂纹和剪切裂纹数量由图 可知模型内部裂纹在达到.时开始发育煤体内部出现细微裂纹这些微裂纹在发育初期没有对模型的整体结构造成影响此时的应力 应变曲线继续保持增长的趋势当加载至 时煤体内部拉伸裂纹和剪切裂纹数量快速增加岩体中的拉伸和剪切裂纹数量增长较为缓慢说明试件达到峰值强度后煤体内部迅速破坏在出现细微裂纹之后裂纹不断的发育、延伸并相互贯通形成较大尺度的宏观裂隙影响了模型的整体结构降低了模型的承载能力最终导致了试件破坏在破坏后阶段因为组合体破坏后还存在残余强度试件内部的裂纹数量还保持一定速率的增长但随着进一步加载组合体的裂纹增长趋势开始放缓第 期侯宪港等:不同高度比煤岩组合体的力学特性及裂纹演化数值模拟图 高度比为 时组合体裂纹数量变化过程.图 高度比为 时组合体裂纹数量变化过程.图 高度比为 时组合体裂纹数量变化过程.由图 可知裂纹数量在达到.时开始发育当加载至.时煤体中的剪切裂纹迅速发育短时间内达到剪切裂纹总数量的 拉伸裂纹也开始增长但增长速率远不及剪切裂纹的增长速率在峰后阶段当试件强度降到.时岩体部分的拉伸和剪切裂纹开始增长但不久后就达到了峰值数量说明煤体部分的破坏导致了上部岩体部分也产生了不同程度的损伤由图 可知组合体裂纹数量同样在达到.时开始发育当加载至.时煤体中的剪切裂纹快速发育但是增长速率相比前两组试验要小岩体中的剪切裂纹数量也同步增加但是增长速率相比前两组试验要更快拉伸裂纹的数量要比煤体中拉伸裂纹的数量多说明随着岩体部分所占比例的增大岩体内部的裂纹发育更为明显并且得出在岩体高度足够大时煤体部分由自身裂纹发育导致试件发生破坏到煤体与岩体共同作用导致模型破坏的破坏机制因此组合体的裂纹演化可以分为裂纹平稳发育阶段、裂纹快速发育阶段和残余破坏阶段 在裂纹平稳发育阶段煤体内部出现少量的剪切裂纹拉伸裂纹也随后开始产生发育在裂纹快速发育阶段黑 龙 江 科 技 大 学 学 报 第 卷煤体内部的剪切裂纹开始迅速发育并向岩体内部延伸最终形成贯穿的裂隙在残余破坏阶段煤岩高度比值影响了模型的裂纹发育煤体部分所占比例越小岩体内部裂隙破坏越明显.煤岩组合体裂纹分布图 为不同高度比的煤岩组合体裂纹发育过程其中黑色为拉伸裂纹红色为剪切裂纹图 裂纹分布.在图 中可以直观的看出 组试验组合体的裂纹数量都主要集中在煤体部分且随着煤岩高度比的减小煤体部分的破裂损伤越剧烈拉伸破坏与剪切破坏逐渐延伸构成了较大范围的贯通裂隙岩体中主要为拉伸破坏从煤岩交界面处开始向上发育最终形成了 条拉伸裂隙并且从三组试件裂隙发育状态可以看出拉伸裂纹只在微小裂纹集中发育的主裂纹延展方向上延伸至岩体内部且不同高度比时的裂纹角度不同高度比为 时裂纹与水平面的夹角约为 高度比为 时裂纹与水平面呈近似 夹角而高度比为 时裂纹与水平面的夹角约为 煤体内部裂纹快速发育且越过煤岩交界面与上方岩体部分导通岩体内部也表现出明显的拉伸破坏形成不同数量的拉伸裂纹 试件破坏时煤岩内部的剪切裂纹和拉伸裂纹分布比较均匀并且随着煤体部分所占比例的降低裂纹在煤体内部的分布越密集而岩体部分的裂纹分布取决于煤体的高度煤体高度越小岩体内部的拉伸裂纹分布越广这说明了煤岩高度比越小即岩体所占的比例越大岩体中裂隙发育、贯通所消耗的能量越多上述细观裂纹演化过程解释了组合体的破坏模式 由于岩体的抗压强度和弹性模量高于煤体在加载过程中裂纹损伤首先发生在煤体中 由于上部岩体的存在组合体仍具有承载能力这导致其峰值强度进一步增加裂纹逐渐从界面延伸至岩体最终导致模拟试样的破坏 结 论()煤岩组合体强度均介于煤单体强度和岩单体强度之间并且煤体部分在组合体中所占比例越小组合体的抗压强度越大同时对所得出的试验数据进行拟合计算较为直观的表现出煤岩高度比与组合体抗压强度呈负相关关系()组合体的裂纹演化主要分为裂纹平稳发育阶段、裂纹快速发育阶段及残余破坏阶段 裂纹平稳发育阶段时煤体内部开始产生细小裂纹裂纹快速发育阶段煤体内部裂隙迅速发育并最终影响到上部岩体在残余破坏阶段试件的裂纹发育受煤岩高度比影响煤体部分所占比例越小岩体内部裂纹破坏越明显()不同煤岩组合的破坏方式都表现为煤体部分的“”型剪切破坏组合体的宏观破坏主要集中在煤体部分细观裂纹首先在煤体内发育在煤体破坏时裂纹进一步发育贯通煤岩交界面两侧附近的煤岩和底部两端的煤体出现较为严重的错动破坏且煤岩高度比越大煤体两侧的动能越大造成煤片弹射破坏加剧 裂隙从煤岩交界面处向岩体部分的(下转第 页)第 期侯宪港等:不同高度比煤岩组合体的力学特性及裂纹演化数值模拟性数值模拟研究.采矿技术 ():.冯兴隆 苗元丰 李争荣 等.拉底过断层区喷锚支护巷道稳定性研究.采矿技术 ():.苏晓建.赵固二矿大采高综采工作面矿压显现规律研究.煤炭技术 ():.廖 鹏.东庞矿孤岛工作面沿空掘巷围岩控制技术研究.徐州:中国矿业大学.弓 昊 李 铮 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