不同速率下單雙釬頭破巖聲發(fā)射數(shù)值分析

張孟舉，趙伏軍,2，陳 珂，張 柏，李 玉，樊 勇

不同速率下單雙釬頭破巖聲發(fā)射數(shù)值分析

張孟舉1，趙伏軍1,2，陳 珂1，張 柏1，李 玉1，樊 勇1

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201）

選用脆性花崗巖為研究對(duì)象，利用巖石破裂過程分析軟件RFPA2D，分別對(duì)其進(jìn)行單、雙釬頭在不同加載速率下的數(shù)值模擬試驗(yàn)，得到RFPA2D應(yīng)力圖及相對(duì)應(yīng)同一加載步下的聲發(fā)射圖。結(jié)果表明：較單釬頭相比，巖石在雙釬頭協(xié)同作用下將會(huì)形成應(yīng)力疊加，且釬頭下面的裂紋會(huì)對(duì)相鄰裂紋產(chǎn)生影響，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，試件破壞釋放出的聲發(fā)射能量和聲發(fā)射計(jì)數(shù)更大；隨著加載速率的增大，試件釋放的聲發(fā)射總能量增大，且所得豎向載荷增大。

巖石破碎；單雙釬頭；加載速率；數(shù)值試驗(yàn)；聲發(fā)射

目前關(guān)于巖石破裂過程的數(shù)值分析方法已有了長(zhǎng)足的發(fā)展，其中有有限差分法、有限單元法、邊界元法等數(shù)值模擬方法[1]。這些方法在致力于解決復(fù)雜的巖土工程問題上發(fā)揮了巨大的作用[2-4]。然而，上述諸多程序由于介質(zhì)的不連續(xù)性和不均質(zhì)性，在模擬巖石變形過程中仍存在很大的局限性[5]。1995年，唐春安研究并開發(fā)了巖石破裂過程分析方法(Rock Failure Process Analysis，簡(jiǎn)稱RFPA2D)，有效地分析解決了巖石受載微細(xì)破裂至宏觀破裂的全過程[6-8]。以往學(xué)者將聲發(fā)射技術(shù)運(yùn)用到巖石力學(xué)領(lǐng)域并取得了大量的成果[9-14]，但針對(duì)巖石在受釬頭不同加載速率作用破碎時(shí)聲發(fā)射活動(dòng)規(guī)律研究較少，因此，本文以巖石破裂過程分析軟件—RFPA2D為媒介，開展不同加載速率、不同釬頭下破巖的聲發(fā)射數(shù)值試驗(yàn)，探討不同速率下單、雙釬頭破巖特點(diǎn)與聲發(fā)射特征參量變化規(guī)律，以期為工程中安全高效、快速地破碎巖石提供有益的參考。

1 數(shù)值試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

1.1 材料力學(xué)參數(shù)

RFPA2D建立模型的過程是基于巖石介質(zhì)的彈性損傷理論、判斷單元損傷程度的最大拉伸強(qiáng)度準(zhǔn)則、Mohr Coulomb等準(zhǔn)則基礎(chǔ)上的。本次數(shù)值試驗(yàn)所用花崗巖力學(xué)參數(shù)采用室內(nèi)試驗(yàn)中真實(shí)物理力學(xué)參數(shù)，釬頭材料參數(shù)以硬質(zhì)合金刀具參數(shù)為基礎(chǔ)，相關(guān)參數(shù)見表1、表2。

1.2 模型創(chuàng)建及加載條件

數(shù)值試驗(yàn)選用二維條件下的模型（圖1），花崗巖試件尺寸為兩種：?jiǎn)我烩F頭下模型尺寸為110 mm×150 mm，網(wǎng)格劃分110×150個(gè)單元；雙釬頭下模型尺寸為110 mm×220 mm，網(wǎng)格劃分110×220個(gè)單元，雙釬頭間距為20 mm。本次數(shù)值模擬試驗(yàn)方案依據(jù)程序自身的功能和細(xì)觀基元材料相變強(qiáng)度的限制，加載方式采用軸向位移加載，加載速率設(shè)定為0.003、0.004、0.005、0.006、0.007、0.008、0.009 mm/步，每種加載速率保持不變，直至花崗巖破裂。

圖1 加載模型Fig.1 The loading model

2 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

選取單、雙釬頭在不同加載速率試驗(yàn)中典型的應(yīng)力圖和聲發(fā)射圖進(jìn)行分析，這里我們選取了速率為0.007 mm/步的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。圖2中數(shù)值分析程序中應(yīng)力圖各單元亮度表示釬頭作用應(yīng)力分布程度，越亮區(qū)域代表高應(yīng)力區(qū)，黑色部分表示單元已破碎；聲發(fā)射圖中圓圈圓心代表巖石發(fā)生裂隙的聲發(fā)射源位置，圓圈半徑的大小代表聲發(fā)射釋放的相對(duì)能量。

2.1 單釬頭作用花崗巖破碎數(shù)值模擬結(jié)果分析

圖2表明，單釬頭初始作用于巖石時(shí)，釬頭與巖石間產(chǎn)生接觸擠壓，此時(shí)釬頭正下方和兩側(cè)下面的巖石內(nèi)出現(xiàn)白亮區(qū)，且該部分白亮區(qū)的明亮程度隨巖石單元與釬頭距離的增加而減弱，在集中載荷作用下，力學(xué)性質(zhì)較弱的單元首先發(fā)生破裂，從而產(chǎn)生聲發(fā)射。隨著載荷的持續(xù)增加，釬頭兩側(cè)的巖石開始出現(xiàn)小的損傷繼而形成微小裂紋，繼續(xù)增加載荷，兩側(cè)巖石開始出現(xiàn)明顯的損傷破壞，裂紋得到進(jìn)一步擴(kuò)展，且聲發(fā)射事件數(shù)也隨損傷程度和裂紋的增大而增加，如圖中第70步。運(yùn)行至第130步時(shí)，釬頭左右兩側(cè)裂紋擴(kuò)展程度不盡相同，右側(cè)裂紋明顯比左側(cè)裂紋更加發(fā)育，巖石的非均質(zhì)性是造成這種現(xiàn)象的主要原因，該數(shù)值模擬結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)較為吻合。巖石模型單元的性質(zhì)是隨著裂紋的擴(kuò)展而動(dòng)態(tài)變化的，軟弱單元按Weibull規(guī)律隨機(jī)分布在裂紋擴(kuò)展的方向周圍，這些軟弱性質(zhì)單元的破裂導(dǎo)致裂紋在載荷的作用下持續(xù)萌生、擴(kuò)展，進(jìn)而形成比較大的宏觀裂紋，單元的破裂也是聲發(fā)射事件產(chǎn)生和聲發(fā)射能量釋放的源點(diǎn)。隨著載荷的逐漸增加，第150步時(shí)裂紋貫穿致巖石破裂，聲發(fā)射事件與巖石破裂形態(tài)對(duì)應(yīng)分布。

表1 釬頭及花崗巖模型材料參數(shù)Tab.1 The parameters of the drill bits and granite model material

表2 強(qiáng)度準(zhǔn)則控制參數(shù)Tab.2 The control parameters of the strength criterion

圖2 單釬頭作用花崗巖破碎數(shù)值模擬結(jié)果(0.007 mm/步)Fig.2 The numerical simulation results of the granite crushing under single bit (0.007 mm/step)

2.2 雙釬頭作用花崗巖破碎數(shù)值模擬結(jié)果分析

由圖3可知，兩種類型雙釬頭初始作用巖石時(shí)，每個(gè)釬頭附近巖石內(nèi)的應(yīng)力分布情況同單釬頭作用下的初始階段幾乎一致。隨著載荷逐漸增加，雙釬頭相互作用，巖石中心區(qū)域應(yīng)力相互疊加形成更高的集中應(yīng)力，釬頭中間的巖石單元首先出現(xiàn)破碎，加劇裂紋的萌生、擴(kuò)展，同時(shí)，對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的聲發(fā)射事件主要集中在應(yīng)力疊加區(qū)，如圖3第50步所示。加載步從50步到80步，相鄰釬頭兩側(cè)的裂紋并沒有呈理想狀態(tài)下的對(duì)稱擴(kuò)展，而是左邊裂紋發(fā)育程度更加明顯，曲折地向巖石深部擴(kuò)展，導(dǎo)致此種情況的原因是應(yīng)力疊加使得裂紋擴(kuò)展后裂紋附近單元發(fā)生相變，單元彈性模量急劇下降，單元的承載能力減弱，應(yīng)力重新分布，而左側(cè)裂紋尖端附近有較多單元?jiǎng)偠热趸?，其抵抗剪切破壞的能力削弱，故左?cè)裂紋迅速得到擴(kuò)展，聲發(fā)射能量急劇增加。右側(cè)釬頭下的裂紋迅速擴(kuò)展，最終與左側(cè)裂紋貫通，形成破碎塊體，試件破裂。

圖3 雙釬頭作用花崗巖破碎數(shù)值模擬(0.007 mm/步)Fig.3 The numerical simulation results of the granite crushing under dual drill bits (0.007 mm/step)

從圖3的模擬情況來(lái)看，加載步運(yùn)行至中后期時(shí)，受兩釬頭疊加應(yīng)力的影響，巖石中間部分承受很大的集中應(yīng)力，很多單元已經(jīng)發(fā)生破壞且還在持續(xù)破壞，聲發(fā)射事件密集地聚集在集中應(yīng)力區(qū)，說明在此過程有大量的新裂紋萌生、形成并延伸擴(kuò)展，由越來(lái)越多的細(xì)觀單元變形、破壞，繼而累積成大的宏觀裂隙，這些宏觀裂紋相互交叉貫通，致使巖石試件破裂后形成較多體積不等的離散塊體，破巖效果比較明顯。

2.3 不同加載速率單雙釬頭作用下破巖數(shù)值分析

下面從數(shù)值模擬的角度分析加載速率對(duì)單、雙釬頭侵入巖石破碎的影響。

由表3可知，單釬頭作用下，破巖最大豎向載荷隨加載速率的增加而增加，但載荷變化比較平緩，增加幅度較小。同時(shí)可以看出，巖石破碎聲發(fā)射總能量亦隨加載速率的增加而增加，由此可見，加載速率對(duì)巖石單元破碎及裂紋擴(kuò)展情況具有很大的影響。雙釬頭作用下破巖載荷及聲發(fā)射變化形式與單釬頭類似，同樣表現(xiàn)出豎向載荷和聲發(fā)射累積總能量隨加載速率的增加而增加。對(duì)比兩者可知，雙釬頭破巖釋放聲發(fā)射能量整體較單釬頭大，說明雙釬頭協(xié)同作用巖石時(shí)，巖石單元破碎數(shù)量較多，萌生新裂紋的數(shù)量也越多，同時(shí)由于雙釬頭破碎花崗巖所需加載步數(shù)遠(yuǎn)比單釬頭少，故破巖時(shí)間大大縮短，提高了破巖的效率。

表3 不同速率單、雙釬頭破碎花崗巖數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Tab.3 The results of granite crushing numerical experiment under different rates of single and dual drill bits

3 結(jié)論

1）釬頭作用于巖石的初始階段，集中應(yīng)力下靠近釬頭的力學(xué)性質(zhì)較弱的單元先破裂，初期聲發(fā)射事件和能量均比較少。隨著加載運(yùn)行至中后期，釬頭下方部分巖石出現(xiàn)明顯的損傷破壞，聲發(fā)射事件及能量釋放短時(shí)間內(nèi)急劇增加。

2）同一加載速率雙釬頭協(xié)同作用下巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展更加豐富，裂紋萌生、擴(kuò)展時(shí)間較短，破巖所需加載步數(shù)比單釬頭少，聲發(fā)射事件計(jì)數(shù)和釋放的聲發(fā)射能量遠(yuǎn)大于單釬頭，且雙釬頭下巖石破碎塊度較多、范圍廣。

3）相同加載速率下，雙釬頭破碎巖石所得的最大豎向載荷和聲發(fā)射總能量均比單釬頭大；不同加載速率下，最大豎向載荷隨加載速率的增加而增加，且破巖釋放的聲發(fā)射總能量亦隨速率的增加而增加，其中豎向載荷增加幅度較小。

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（責(zé)任編輯 王利君）

Numerical experiment of acoustic emission of rock fragmentation under single or dual drill bits and different loading rates

ZHANG Mengju1，ZHAO Fujun1,2，CHEN Ke1，ZHANG Bai1，LI Yu1，F(xiàn)AN Yong1

(1. School of Energy and Safety Engineering Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201 , China; 2. Hunan Provincial Key Laboratory of Safe Mining Techniques of Coal Mines, Xiangtan 411201 , China)

Using the rock failure process analysis software - RFPA2D, we selected brittle granite as the object and carried out numerical crushing experiment under different loading rates, got the RFPA2Dstress diagram and the acoustic emission diagram corresponding to the same loading. The results show that, compared to a single drill bit, the rock will form stress superposition inside when it is under dual drill bits, and the crack under the superposition of stress will impact on adjacent cracks, the crack tip can produce stress concentration, the crushing rock will release more energy and the counts of acoustic emission; with the increasing of loading rate, the total energy of acoustic emission and the vertical load released by the crushing rock will increase.

rock crushing; single and dual drill bits; loading rate; numerical experiment; acoustic emission(AE)

TD315

A

1673-9469（2017）01-0017-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.01.004

2016-09-20

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51474103)；湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（2015JJ2070）；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目（CX2015B508）

張孟舉（1989-），男，河南濮陽(yáng)人，碩士，研究方向?yàn)閹r石力學(xué)。