復(fù)合缺陷類巖石裂紋擴展規(guī)律及力學(xué)特性試驗研究

李楊楊，顏浩東，張士川，張 磊，張書磊，李宗凱

(1.山東科技大學(xué) 能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.濟寧礦業(yè)集團有限公司安居煤礦，山東 濟寧 272063； 3.山東能源臨礦集團王樓煤礦，山東 濟寧 272063)

煤礦開采會不可避免地造成一定程度的地表沉陷破壞與環(huán)境損傷及水資源流失，頂板突水災(zāi)害會極大程度地對上覆含水層造成傷害。近年在我國煤礦發(fā)生的突水事故中，斷層作為主導(dǎo)因素引起的占80%以上[1]。礦井發(fā)生突水事故須具備充足的水源和導(dǎo)水通道兩方面條件，斷層作為一種天然的地質(zhì)缺陷，會在采動影響下發(fā)育為導(dǎo)水的主要通道，成為礦井頂板突水災(zāi)害發(fā)生的主要原因。而由于斷層構(gòu)造引起的自開采工作面孕育擴展的導(dǎo)水裂隙與巖石整體強度改變也是水害發(fā)生過程中不可忽視的問題。探究采動影響下斷層不同傾角引起的裂紋擴展規(guī)律，是研究防治礦井頂板突水災(zāi)害的重要思路。

國內(nèi)眾多學(xué)者在物理相似模擬與數(shù)值分析方面均進行了相關(guān)研究，許家林等[2]通過理論分析、模擬試驗和工程探測等方法，就覆巖主關(guān)鍵層位置對導(dǎo)水裂隙帶高度的影響進行了深入研究，很好地解釋了部分煤礦頂板異常突水災(zāi)害的發(fā)生機制，并指導(dǎo)神東礦區(qū)補連塔煤礦頂板突水災(zāi)害防治實踐，取得顯著的經(jīng)濟效益。張曉峰等[3]針對焦煤馬蘭礦18506帶壓工作面突水實際問題進行模擬，發(fā)現(xiàn)斷層帶的存在導(dǎo)致工作面前方應(yīng)力集中程度不斷增大，最終底板巖體達(dá)到承載極限而產(chǎn)生裂隙，并在采動應(yīng)力及承壓水共同作用下，裂隙進一步擴大，與斷層發(fā)生導(dǎo)通，導(dǎo)致承壓水涌入工作面。師文豪等[4]對連續(xù)開挖過程斷層活化頂板突水進行有限元模擬，并從力學(xué)角度研究斷層帶應(yīng)力和損傷區(qū)遷移過程，發(fā)現(xiàn)連續(xù)開挖是造成斷層損傷區(qū)產(chǎn)生、累積擴展到貫通的主要誘因； 隨著開挖推進斷層損傷區(qū)狀態(tài)由壓剪變?yōu)槔簦⒉粩鄶U展；損傷區(qū)在斷層揭露時完全貫通，形成導(dǎo)水通道并誘發(fā)突水災(zāi)害。

上述研究針對斷層作為主要突水通道與主要損傷區(qū)進行了深入探討，但沒有考慮實際工程中斷層不同傾角對采空區(qū)上覆裂隙產(chǎn)生的不同影響。卜萬奎等[5]針對上述問題，分析了含斷層缺陷底板的受力特征，建立簡化力學(xué)模型，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)斷層傾角越大，斷層越容易活化發(fā)生突水。鄭功等[6]利用FLAC3D軟件對不同傾角正斷層情況進行模擬，揭示了斷層構(gòu)造對于底板突水規(guī)律的影響。已有研究中大多通過數(shù)值模擬的方法對底板突水規(guī)律進行探討。巖石裂紋擴展在材料外力等不同因素的影響下會表現(xiàn)出截然不同的現(xiàn)象，本研究采用物理模擬的試驗方法，利用含復(fù)合缺陷石膏類巖石試樣，預(yù)制裂隙用來模擬斷層與采區(qū)，研究巖石試件在模擬斷層不同傾角條件下裂隙擴展規(guī)律及應(yīng)力應(yīng)變信息變化特征。

1 試驗部分

1.1 總體試驗方案

為了探究斷層傾角改變對裂紋擴展傾向造成的影響，采取系列試驗包括類巖石試件研究、數(shù)值模擬研究和相似材料模擬研究。作為系列試驗研究的開端，采用物理模擬的方法制作含復(fù)合缺陷石膏類巖石試樣，并進行單軸壓縮試驗，觀察與分析不同預(yù)制裂紋傾角對巖石整體裂紋擴展傾向及力學(xué)特性的影響。

1.2 試驗設(shè)計

樣品中水占模型石膏的比例達(dá)到40%時，類巖石材料單軸壓縮條件下的破壞形式與原巖最為相近，且具有良好的脆性，可以有效模擬真實脆性巖石破壞特征及裂紋擴展過程[7]。試件材料組分為石膏、水泥漿、細(xì)沙及彩色橡皮泥，試件為邊長70 mm的立方體，采用切割法制作高度為2 mm，寬度為35 mm模擬采場擾動的裂隙面，裂隙面前后貫通試件用于模擬采空區(qū)。為觀察模擬斷層活化情況，利用打孔器在裂隙面下方制作直徑為2 mm，排列在同一平面鉆孔形成的相對弱面模擬斷層，模擬斷層與試件下部端面的夾角α分別為20°、40°、60°、80°，試件制作后用直徑小于0.2 mm的細(xì)沙對試件的裂隙行進行填充，并利用彩色橡皮泥在裂隙邊沿進行密封以防止細(xì)沙流出?？紤]到鉆孔對周圍圍巖應(yīng)力狀態(tài)的影響范圍(3～5倍的鉆孔半徑)，鉆孔間距選為7 mm，試驗開始前布置應(yīng)力應(yīng)變傳感器并用樹脂凝膠固定在試件的裂隙面與弱面距離最近的線段中間位置，用于監(jiān)測弱面裂隙局部區(qū)域之間的擴展情況，由此分析整體與局部間的應(yīng)變關(guān)系。同時在試樣右端面幾何中心位置布置聲發(fā)射探頭，以此對劇烈活動區(qū)域能量幅值變化過程進行自動采集和記錄，類巖石試樣立體預(yù)制組合缺陷示意如圖1所示。

圖1 類巖石試樣立體預(yù)制組合缺陷示意圖Fig. 1 Diagram of three-dimensional prefabricated combination defects of rock-like specimens

圖2 試驗設(shè)備控制系統(tǒng)Fig. 2 Control system of experimental equipment

1.3 試驗設(shè)備及加載方式

試驗設(shè)備主要包括單軸加載系統(tǒng)、應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、聲發(fā)射儀器和高速攝像機。加載系統(tǒng)采用島津AG-X250萬能試驗機，采用位移控制，加載速度0.005 mm/s。采用MISTRAS系列PCI聲發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)在復(fù)雜的噪聲干擾下仍具有較高的監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性和良好的監(jiān)測效果，即時提取數(shù)據(jù)參數(shù)，并對波形進行進一步處理。試驗加載控制系統(tǒng)與聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)如圖2所示，使用高速攝像機記錄試件加載過程中其表面裂紋擴展過程。采用國產(chǎn)BFH120-3AA-Y3型號的應(yīng)變片進行數(shù)據(jù)采集，試驗開始前在試件的裂紋面與弱面距離最近的線段中間位置設(shè)置應(yīng)力應(yīng)變傳感器，并用502膠固定，用于監(jiān)測弱面區(qū)域裂隙擴展情況。

2 結(jié)果分析

2.1 試件表面裂紋擴展規(guī)律分析

如圖3所示，模擬斷層傾角為20°，隨著荷載增加，裂紋自底板處開始孕育，當(dāng)荷載達(dá)到1.81 MPa時自底部向模擬斷層延伸一條起裂裂紋A-1，起裂后逐漸向裂紋尖端擴展，由于荷載較小，A-1并未與斷層發(fā)生溝通。荷載達(dá)到14.61 MPa時試件表皮開始發(fā)生“剝落”，且這時A-1與模擬斷層產(chǎn)生溝通，并出現(xiàn)新的裂紋。自試件頂部端面產(chǎn)生A-2、A-3兩條裂紋，其中A-2在遠(yuǎn)離斷層區(qū)上方頂板開始孕育，且自出現(xiàn)起即表現(xiàn)出向模擬采空區(qū)右側(cè)的斷層區(qū)擴展的傾向；當(dāng)荷載達(dá)到試件荷載極限15.83 MPa，表面剝落加劇，具有明顯的破壞特征，裂紋大量出現(xiàn)并密集分布在遠(yuǎn)離模擬采空區(qū)一側(cè)的模擬斷層上方，模擬采空區(qū)上方只有極少數(shù)裂紋，且大部分裂紋展現(xiàn)出向模擬斷層區(qū)域擴展的傾向。

如圖4所示，模擬斷層傾角為40°時與傾角20°時表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象，荷載0.80 MPa時預(yù)制裂紋尖端出現(xiàn)表皮“剝落”的現(xiàn)象，從試件上部端面產(chǎn)生向模擬采空區(qū)延伸的一條起裂裂紋A-1；當(dāng)荷載達(dá)到9.08 MPa時，從試件底部位置產(chǎn)生一條與主應(yīng)力方向一致的裂紋A-2，該裂紋迅速擴展至模擬采空區(qū)前端發(fā)生連接，同時模擬斷層區(qū)產(chǎn)生少量孔間裂紋A-3；當(dāng)荷載達(dá)到12.37 MPa時，從試件頂部產(chǎn)生裂紋A-4并迅速擴展與模擬采空區(qū)相連，孔間裂紋A-3隨著試件發(fā)生破壞出現(xiàn)與裂紋A-1貫通連接的現(xiàn)象，同時裂紋A-1與A-2不斷擴展至模擬采空區(qū)前端發(fā)生連接，試件發(fā)生破壞。但裂紋總量相比斷層傾角為20°時有所減少，且遠(yuǎn)離裂紋面一側(cè)的鉆孔上方裂紋比例有所減少，裂紋面上方裂紋比例也有所增加，裂紋面與鉆孔交接區(qū)域上方裂紋擴展傾向表現(xiàn)出向模擬采空區(qū)靠攏，但試件整體也有部分裂紋展現(xiàn)出向模擬斷層區(qū)域擴展的傾向。

圖3 試件1-1裂紋擴展示意圖Fig. 3 Crack propagation diagram of specimen 1-1

圖4 試件1-2裂紋擴展示意圖Fig. 4 Crack propagation diagram of specimen 1-2

如圖5所示，斷層傾角為60°時，與之前試驗現(xiàn)象截然不同。當(dāng)荷載達(dá)到2.06 MPa時，從試件下部底板區(qū)域產(chǎn)生起裂裂紋A-1，孕育后迅速擴展與模擬斷層面的鉆孔相連；當(dāng)荷載達(dá)到3.04 MPa 時，從試件上部頂板區(qū)域產(chǎn)生一條大裂紋A-2并迅速擴展與模擬采空區(qū)前端發(fā)生連接，采空區(qū)下方出現(xiàn)一小段裂紋A-4；荷載達(dá)到10.93 MPa時，自頂板孕育擴展的大裂紋A-2寬度不斷增加，裂紋A-4不斷擴展，但并未表現(xiàn)出向模擬斷層區(qū)域擴展的傾向?？组g裂紋A-3通過不斷擴展延伸至整個模擬斷層并與試件上下部端面連接，最終試件破壞。傾角為60°時巖石試件并沒有出現(xiàn)大量裂紋，僅在荷載達(dá)到3.04 MPa時一條自頂部孕育的剪切裂紋延伸到了裂紋面與鉆孔的交接處。試件最終破壞時遠(yuǎn)離裂紋面一側(cè)的鉆孔區(qū)域只有極少一部分孔間裂紋，而采空區(qū)上方出現(xiàn)大裂紋，且裂紋A-4在擴展過程中并未表現(xiàn)出向模擬斷層區(qū)域擴展的傾向，這說明60°時首次發(fā)生裂紋擴展傾向的完全轉(zhuǎn)移，自模擬斷層區(qū)域轉(zhuǎn)至模擬采空區(qū)區(qū)域。

如圖6所示，斷層傾角為80°，荷載達(dá)到2.73 MPa時，從試件上部頂板產(chǎn)生起裂裂紋A-1，起裂后與弱面中的鉆孔相連并向裂隙面前端開始擴展，表現(xiàn)出很強的向采空區(qū)擴展的傾向；當(dāng)荷載達(dá)到4.45 MPa時，從試件上部頂板處產(chǎn)生一條新的裂紋A-2并迅速擴展與裂紋面前端產(chǎn)生的裂紋發(fā)生連接，同時，從試件下部出現(xiàn)一條裂紋A-3，該裂紋也表現(xiàn)很強的向采空區(qū)擴展的傾向，迅速擴展與模擬采空區(qū)發(fā)生連接；荷載達(dá)到14.12 MPa時，裂紋A-2不斷孕育擴展，與裂紋A-1、A-6相互連接，試件下部端面與上部端面之間產(chǎn)生一條貫穿采空區(qū)的裂紋A-4，同時試件也發(fā)生破壞。與斷層傾角為60°時相比，試件再次出現(xiàn)大量裂紋，裂紋自裂紋面上方孕育擴展，并大量出現(xiàn)，而遠(yuǎn)離裂紋面一側(cè)的鉆孔上方只有極少部分的孔間裂紋，試件絕大部分裂紋均表現(xiàn)出向模擬采空區(qū)擴展的傾向。

圖5 試件1-3裂紋擴展示意圖Fig. 5 Crack propagation diagram of specimen 1-3

圖6 試件1-4裂紋擴展示意圖Fig. 6 Crack propagation diagram of specimen 1-4

上述試驗現(xiàn)象表明，隨著模擬斷層傾角的變化，裂紋擴展傾向出現(xiàn)轉(zhuǎn)移的跡象，當(dāng)模擬斷層傾角為20°時，裂紋集中出現(xiàn)在遠(yuǎn)離模擬采空區(qū)的模擬斷層上方。隨著模擬斷層傾角增大，裂紋出現(xiàn)幾率自模擬斷層向模擬采空區(qū)偏移。當(dāng)模擬斷層傾角為60°時，試件裂紋初次發(fā)生完全轉(zhuǎn)移并第一次出現(xiàn)剪切裂紋，試件最終發(fā)生剪切破壞。為進一步探究是否是模擬斷層傾角變化導(dǎo)致的上述現(xiàn)象，增加兩組試驗。如圖7所示，增加試件1-3-2，裂紋長度為12 mm，模擬斷層角度為60°；增加試件1-3-3，裂紋長度為24 mm，模擬斷層角度為60°。探究當(dāng)傾角一定，而模擬采空區(qū)長度變化時，試件是否會出現(xiàn)剪切破壞特征，裂紋是否會傾向于裂紋面擴展。

圖7 增設(shè)試驗組合示意圖Fig. 7 Diagram of added experimental combinations

如圖8所示，模擬斷層傾角為60°，裂紋長度為12 mm。當(dāng)荷載為10.18 MPa時，從試件下部底板區(qū)域產(chǎn)生一條向采空區(qū)擴展的裂紋A-1，雖然模擬采空區(qū)的長度十分有限，裂紋還是表現(xiàn)出很強的擴展傾向；當(dāng)荷載為13.24 MPa時，裂紋A-1與模擬采空區(qū)前端發(fā)生連接，同時從試件上部頂板區(qū)域產(chǎn)生裂紋A-2也向模擬采空區(qū)前端擴展；當(dāng)荷載為15.56 MPa時試件發(fā)生破壞。與試件1-3破壞時現(xiàn)象相似，試件破壞特征不明顯，裂紋數(shù)量較少，且裂紋擴展傾向均為向模擬采空區(qū)方向擴展。

圖8 試件1-3-2裂紋擴展過程Fig. 8 Crack propagation diagram of specimen 1-3-2

如圖9所示，模擬斷層傾角為60°，裂紋長度為24 mm。當(dāng)荷載為2.55 MPa時，從試件下部底板區(qū)域產(chǎn)生裂紋A-1，裂紋起裂后同樣表現(xiàn)出很強的向模擬采空區(qū)面擴展傾向；當(dāng)荷載為6.10 MPa時，裂紋A-1擴展至模擬采空區(qū)前端發(fā)生連接；當(dāng)荷載為11.97 MPa時，由于試件即將發(fā)生破壞，模擬斷層區(qū)域中產(chǎn)生大量的孔間裂紋連通鉆孔形成裂紋A-3。雖然試件破壞時在模擬斷層區(qū)域也出現(xiàn)部分裂紋，但總體與試件1-3破壞特征相似，試件抗壓強度較低，破壞特征不明顯，裂紋數(shù)量較少，且裂紋擴展傾向均為向模擬采空區(qū)方向擴展。

圖9 試件1-3-3裂紋擴展過程Fig. 9 Crack propagation diagram of specimen 1-3-3

上述試驗現(xiàn)象證明，當(dāng)模擬斷層傾角為60°時，裂紋向模擬采空區(qū)方向擴展的傾向較強，且不會隨著模擬采空區(qū)長度的減少而改變。

2.2 試件應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)分析

為了進一步探究不同斷層傾角對巖石整體強度的影響，從應(yīng)力應(yīng)變以及試件破壞特征角度進行分析。如表1與圖10所示，試件1-1抗壓強度最高，隨著模擬斷層的角度增大，試件抗壓強度呈現(xiàn)出先降低后增大的趨勢，在模擬斷層角度為60°達(dá)到最低；同時對比斷層傾角60°時，不同長度模擬采空區(qū)之間試件強度的變化發(fā)現(xiàn)，隨著模擬采空區(qū)長度的增加，試件強度也隨之呈降低的趨勢。

表1 試件單軸抗壓強度對比Tab. 1 Comparison of uniaxial compressive strength of test piece

圖10 試件軸向抗壓強度對比圖Fig. 10 Comparison diagram of axial compressive strength of test piece

通過圖11對比試件1-3-2與試件1-3-3發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模擬斷層傾角為60°時，試件抗壓強度曲線中均出現(xiàn)一次急劇的強度降低隨后小幅增大的現(xiàn)象，這說明試件在該角度出現(xiàn)了剪切滑移的現(xiàn)象；試件會在表面破壞特征不明顯時發(fā)生突然破壞，即斷層傾角為60°時會使巖石整體脆性增強。以上兩種現(xiàn)象均不會隨著模擬采空區(qū)的長度減小而改變。

圖11 試件關(guān)鍵點破壞特征與應(yīng)變曲線Fig. 11 Failure features and strain curves of specimens′ key points

通過應(yīng)變片監(jiān)測結(jié)果分析，當(dāng)斷層傾角小于60°時，試件應(yīng)變反饋較緩和，模擬采空區(qū)與斷層交接區(qū)域沒有發(fā)生明顯的應(yīng)變起伏變化。隨著模擬斷層的傾角增大，應(yīng)變反饋也隨著強烈，并在斷層傾角60°時最為強烈，局部應(yīng)變起伏較大。在傾角達(dá)到80°時相對60°時又有所減弱。對比試件1-3、1-3-2、1-3-3發(fā)現(xiàn)，隨著模擬采空區(qū)長度的減小，應(yīng)變起伏有所變緩，但相較于其他因素仍表現(xiàn)的較為強烈。這說明，斷層傾角的改變對該區(qū)域產(chǎn)生的擾動影響更為嚴(yán)重，雖有所減弱，但是結(jié)合破壞特征與應(yīng)力表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，模擬斷層傾角的改變，不僅對巖石試件整體強度產(chǎn)生較大影響，且會在關(guān)鍵區(qū)域產(chǎn)生不同程度的損傷擾動。斷層傾角60°時對采空區(qū)與斷層交接區(qū)域產(chǎn)生較大損傷擾動，實際工程中極易活化斷層，使裂紋與斷層發(fā)生溝通，導(dǎo)致突水災(zāi)害。

3 結(jié)論

1) 模擬斷層傾角20°時裂紋擴展傾向主要向模擬斷層區(qū)靠攏，隨著模擬斷層傾角的變化，試件裂紋擴展傾向發(fā)生改變，并在傾角60°時首次發(fā)生裂紋擴展傾向的完全轉(zhuǎn)移，自模擬斷層區(qū)域轉(zhuǎn)至模擬采空區(qū)區(qū)域；傾角80°時裂紋集中出現(xiàn)在模擬采空區(qū)的上方，而遠(yuǎn)離模擬采空區(qū)一側(cè)的模擬斷層上方裂紋只有極少部分，且模擬采空區(qū)與模擬斷層交界區(qū)域上方裂紋擴展傾向于向采空區(qū)靠攏；試驗揭示的裂紋在不同斷層傾角下發(fā)生擴展傾向的變化，可為實際工程中復(fù)雜斷層情況提供一定的理論支持。

2) 隨著模擬斷層傾角的增大，試件抗壓強度呈先降低再增大的趨勢，而傾角為60°時達(dá)到強度最低；對比斷層傾角60°時不同長度模擬采空區(qū)之間試件強度的變化發(fā)現(xiàn)，隨著模擬采空區(qū)長度的增加，試件強度呈降低的趨勢；結(jié)合傾角60°時破壞特征發(fā)現(xiàn)，裂紋數(shù)量較少卻有大裂紋，試件會在表面破壞特征不明顯時發(fā)生突然破壞，峰后曲線中均出現(xiàn)急劇降低后又小幅增大的殘余強度，試件出現(xiàn)剪切滑移的破壞現(xiàn)象。

3) 通過局部應(yīng)變反饋發(fā)現(xiàn)，斷層傾角改變不僅會影響整體強度的改變，還會對關(guān)鍵區(qū)域產(chǎn)生不同程度的損傷擾動，成為導(dǎo)致突水災(zāi)害發(fā)生的主要原因；而隨著斷層傾角的增大，這種影響呈先增強后減弱的趨勢。