圍壓條件下粒子沖擊破巖裂隙擴展機理研究

劉 勇, 李 興, 郭鑫輝, 魏建平, 宋大釗

(1. 河南理工大學(xué) 瓦斯地質(zhì)與瓦斯治理國家重點實驗室培育基地,河南 焦作 454000;2. 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,河南 焦作 454000;3. 北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院,北京 100083)

隨著資源開采深度增加,巖石逐漸處于高地應(yīng)力環(huán)境中,其力學(xué)性質(zhì)較淺部巖石明顯不同[1],如巖石強度增大、延性提升等,導(dǎo)致采掘工程中掘進刀具磨損增加。而鉆具磨損是制約深部掘進效率的主要因素。降低鉆具磨損、提高鉆具使用壽命是提升掘進效率的關(guān)鍵[2-4]。

輔助破巖是降低巖石強度、減小鉆具磨損、提升鉆進效率的有效技術(shù)手段。高壓水射流輔助破巖利用水錘效應(yīng)沖擊巖石表面導(dǎo)致巖石內(nèi)部裂隙萌生與擴展,降低巖石強度[5-7]。Wang等[8]通過開展水射流切割大理巖的試驗,研究發(fā)現(xiàn)高壓水射流輔助破巖能夠有效降低全斷面掘進機刀盤推進力和刀具磨損量。Zhang等[9]通過研究水射流噴射壓力等水射流參數(shù)對滾刀破巖載荷和破巖效率的影響,發(fā)現(xiàn)高壓水射流能夠使刀具破巖載荷降低約40%,提高破巖效率?？梢钥闯?高壓水射流能夠有效降低鉆具磨損,提升掘進效率。但高壓水射流輔助破巖壓力較高(200 MPa以上),存在安全隱患;且僅能通過增大壓力提升破巖效率,能量消耗較高[10]。除高壓水射流外,學(xué)者們提出了激光、微波等輔助破巖技術(shù)。研究表明激光、微波輔助破巖技術(shù)均基于熱效應(yīng)原理導(dǎo)致巖石內(nèi)部裂隙萌生、強度降低,具有高效、適用范圍廣等優(yōu)點,但能量轉(zhuǎn)換率低、成本高,且高溫加劇了鉆具的磨損[11-13]。

采用低壓、低溫破巖技術(shù)輔助機械掘進是重要的發(fā)展趨勢之一。粒子沖擊輔助破巖具有低壓、低能耗等優(yōu)點,具有廣泛的工程應(yīng)用前景。粒子沖擊破巖采用高速介質(zhì)加速粒子,使其具備高沖擊動能,沖擊巖石后,沖擊應(yīng)力波在巖石內(nèi)傳播并促使巖石原生裂隙擴展,實現(xiàn)巖石的整體破碎[14-16]。祝效華等[17]基于離散元顆粒流方法對粒子射流破巖過程進行數(shù)值模擬,研究了粒子粒徑、入射角度、入射速度等不同射流參數(shù)下輔助破巖規(guī)律,結(jié)果表明該技術(shù)是提高硬巖層掘進效率、降低鉆具磨損的有效手段。在深部巖體采掘活動中,巖石處于高圍壓狀態(tài),除粒子屬性外,圍壓也是影響破巖的主要因素。Zhao等[18]基于離散元方法分析了單軸和雙軸壓縮條件下巖石裂隙擴展行為,結(jié)果表明圍壓的增大能夠有效提升巖石強度,抑制拉伸裂隙的萌生和擴展。Chen等[19]采用離散元方法對不同圍壓下的節(jié)理巖石進行數(shù)值模擬,結(jié)果表明試件抗壓強度和彈性模量隨著圍壓的增加而增大,且圍壓的增大抑制拉裂隙的萌生和擴展,破壞模式由拉伸破壞向剪切-壓縮破壞轉(zhuǎn)變?？梢钥闯?圍壓能夠引起巖石強度參數(shù)及應(yīng)力場發(fā)生變化,進而影響巖石裂隙擴展。而巖石裂隙擴展特征是影響巖石殘余強度,決定刀具受力和磨損的主要因素。因此,研究圍壓對粒子沖擊作用下巖石裂隙擴展行為的影響具有重要意義。

為揭示粒子沖擊下圍壓對巖石裂隙形成及擴展機制的影響,本文開展了不同圍壓下粒子沖擊破巖試驗和工業(yè)CT掃描試驗,分析了粒子沖擊作用下不同圍壓下巖石裂隙擴展特征。采用顆粒流構(gòu)建粒子沖擊破巖等效晶質(zhì)模型,開展不同圍壓條件下粒子沖擊破巖數(shù)值模擬,分析粒子沖擊作用下巖石的應(yīng)力場和裂隙場的演化過程,揭示圍壓對裂隙擴展行為的影響。

1 試驗研究

1.1 試驗原理

巖石破壞是微觀晶體間膠結(jié)斷裂、裂隙擴展聯(lián)通的結(jié)果。為明確粒子沖擊下巖石破壞特征,分析圍壓對巖石裂隙擴展行為的影響,需獲得巖石試樣內(nèi)部微觀裂隙擴展變化,而微納米工業(yè)CT掃描技術(shù)是觀測巖石內(nèi)部微觀裂隙分布的有效技術(shù)手段。因此,采用自行研制的粒子沖擊破巖試驗系統(tǒng)開展不同圍壓條件粒子沖擊破巖試驗,并基于微納米工業(yè)CT掃描試驗分析不同圍壓條件下巖石微觀裂隙特征及擴展變化規(guī)律。

1.2 試驗系統(tǒng)

1.2.1 粒子沖擊破巖試驗系統(tǒng)

自行研制的粒子沖擊破巖試驗系統(tǒng)主要由壓縮空氣供給系統(tǒng)、粒子沖擊系統(tǒng)和圍壓加載系統(tǒng)組成,如圖1所示?？諝鈮嚎s裝置主要由空壓機(40 MPa、2 m3/min)、高壓儲罐和控制組件組成。粒子沖擊系統(tǒng)由儲氣倉、活塞、電磁開關(guān)、粒子沖擊腔、復(fù)位裝置和控制組件組成。圍壓加載系統(tǒng)由手動加壓泵和圍壓加載室組成。圍壓加載室由外層鋼體和內(nèi)層可變形承壓復(fù)合材料層組成,通過手搖泵將液態(tài)水注入外層鋼體與復(fù)合材料層形成的空隙層,復(fù)合材料層擠壓巖樣達到加載圍壓的目的。在試驗前將巖石試樣放入圍壓加載室,轉(zhuǎn)動手動加壓泵搖桿將圍壓加載至指定壓力。壓縮空氣供給系統(tǒng)通過控制組件和監(jiān)測系統(tǒng)將一定壓力的壓縮空氣儲存至粒子沖擊系統(tǒng)中的儲氣倉。電磁開關(guān)處于常閉狀態(tài),在儲氣過程中,通過活塞密封儲氣倉。當(dāng)壓力達到指定壓力時,電磁開關(guān)開啟,壓縮空氣驅(qū)動活塞加速并加速粒子,使粒子具備高沖擊能量,對巖石進行沖擊破碎。同時活塞在復(fù)位裝置作用下,返回儲氣倉出口并觸發(fā)電磁閥關(guān)閉,密封儲氣倉。

圖1 粒子沖擊破巖試驗系統(tǒng)Fig.1 Particle impact rock breaking experiment system

1.2.2 微納米工業(yè)CT掃描系統(tǒng)

微納米工業(yè)CT掃描系統(tǒng)(型號為phoenix v|tome|x s)工作原理是利用X射線對試樣進行逐層切片掃描,穿過試樣的射線被路徑中物質(zhì)吸收或散射而發(fā)生強度衰減,對衰減后射線收集并利用三維重構(gòu)算法以圖像形式呈現(xiàn)試樣內(nèi)部結(jié)構(gòu)。試驗設(shè)備如圖2所示,本系統(tǒng)配備2個X射線管用以發(fā)射X射線,其中微米級射線管掃描分辨率為2 μm,納米焦點射線管掃描分辨率為0.5 μm。采用微納米工業(yè)CT掃描系統(tǒng)對不同圍壓下粒子沖擊巖石試樣進行掃描獲得其微觀裂隙擴展變化。

圖2 微納米工業(yè)CT掃描系統(tǒng)Fig.2 Micro nano industrial CT scanning system

1.3 試驗方案

試驗巖樣采用花崗巖的主要成分為微風(fēng)化中粗粒黑白云母、長石、石英等。為了減少試驗結(jié)果的離散性,巖樣取自同一塊巖石。利用取芯機、巖石切割機、雙端面磨石機將巖樣加工成Φ50 mm×25 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸;試驗所用粒子為6 mm的硬質(zhì)合金球體,密度為7 850 kg/m3,如圖3所示。為明確圍壓對粒子沖擊破巖效果的影響,考慮實際工程情況,開展了10 MPa和20 MPa圍壓條件下粒子沖擊破巖試驗,用以模擬開采深度為400 m和800 m巖層賦存情況,試驗方案如表1所示。

表1 不同圍壓粒子沖擊破巖試驗方案

圖3 花崗巖試樣與剛性粒子Fig.3 Granite rock samples and particles

1.4 試驗結(jié)果與分析

試驗結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

圖4 0圍壓粒子沖擊破巖效果Fig.4 Rock damage effect after particle impact under 0 confining pressure

圖6 20 MPa圍壓粒子沖擊破巖效果Fig.6 Rock damage effect after particle impact under 20 MPa confining pressure

由圖4、圖5和圖6可知,高速粒子沖擊作用后,在巖石內(nèi)部形成破碎程度較大的破碎區(qū)和主裂隙擴展區(qū)。且隨著圍壓增大,主裂隙擴展區(qū)逐漸消失。當(dāng)圍壓為0時,花崗巖顆粒在壓應(yīng)力作用下擠壓、變形發(fā)生破壞形成壓剪破碎區(qū)。隨著裂隙進一步沿晶體間擴展、貫通,巖石發(fā)生軸向張拉劈裂破壞。當(dāng)圍壓為10 MPa時,主裂隙沿晶體間膠結(jié)擴展,裂隙數(shù)量減少,且未貫通形成宏觀破壞。當(dāng)圍壓為20 MPa時,僅在粒子撞擊區(qū)域形成破碎區(qū)。

對圍壓為10 MPa、20 MPa的試樣進行工業(yè)CT掃描試驗,并對試樣內(nèi)部裂隙進行三維重構(gòu),如圖7所示。粒子沖擊作用后,在撞擊區(qū)域形成破碎區(qū),且主裂隙以破碎區(qū)為中心向巖石試樣軸向及徑向擴展延伸,根據(jù)裂隙形態(tài)特征可以看出,主裂隙以軸向張拉裂隙為主。統(tǒng)計不同圍壓條件下花崗巖試樣裂隙體積,圍壓由10 MPa增大至20 MPa后,裂隙體積由362.86 mm3減少至214.47 mm3。圍壓的增大使破碎區(qū)體積降低、晶間主裂隙數(shù)目減小。這說明圍壓增大能夠抑制裂隙的產(chǎn)生,使巖石試樣裂隙總體積降低。

圖7 不同圍壓條件粒子沖擊巖石裂隙三維重構(gòu)Fig.7 Three dimensional reconstruction of rock cracks impacted by particles under different confining pressures

為進一步分析圍壓對花崗巖試樣破碎區(qū)及晶間主裂隙擴展區(qū)的影響,以撞擊面為起始面,50 μm為間隔,逐層提取不同圍壓下試樣不同位置處CT掃描切片。由于灰度值與樣品密度呈正相關(guān),圖中白色區(qū)域為高密度礦物晶體,黑色區(qū)域為巖石試樣內(nèi)部裂隙。10 MPa、20 MPa圍壓條件下花崗巖試樣破碎區(qū)工業(yè)CT掃描切片,如圖8、圖9所示。由圖8、圖9可知,圍壓由10 MPa增至20 MPa后,破碎區(qū)深度從2.50 mm減小至1.40 mm,破碎區(qū)體積明顯降低。

圖8 10 MPa圍壓條件下巖石破碎區(qū)CT掃描切片F(xiàn)ig.8 CT scan section of rock fracture zone under 10 MPa confining pressure

圖9 20 MPa圍壓條件下巖石破碎區(qū)CT掃描切片F(xiàn)ig.9 CT scan section of rock fracture zone under 20 MPa confining pressure

不同圍壓條件下花崗巖試樣主裂隙擴展區(qū)相同位置處CT掃描切片,如圖10所示。由圖10可知,圍壓由10 MPa增加至20 MPa,主裂隙數(shù)量明顯減少。試驗現(xiàn)象表明圍壓增大能夠抑制主裂隙的形成及軸向擴展。

圖10 不同圍壓條件下巖石晶間主裂隙擴展區(qū)CT掃描切片F(xiàn)ig.10 CT scan sections of intergranular main fracture extensions in rocks under different confining pressures

2 顆粒流數(shù)值模擬

2.1 模型建立

2.1.1 等效晶質(zhì)模型

為進一步明確粒子沖擊作用下巖石破壞特征形成機制,分析圍壓對裂隙擴展形成的影響機理,采用離散元方法開展數(shù)值模擬。在顆粒流(particle flow code, PFC)2D仿真分析中,巖石由若干微小顆粒構(gòu)成,并在顆粒間賦予不同的接觸模型。平行黏結(jié)模型(parallel-bonded model,PBM)在線性接觸模型(Linear)基礎(chǔ)上增加了黏結(jié)功能,使得接觸模型能夠傳遞力與力矩,巖石、混凝土等材料模型顆粒間常用PBM。然而PBM反演獲取的細觀力學(xué)參數(shù)進行單軸試驗?zāi)M往往具有較高的抗拉強度。POTYONDY[20]提出的等效晶質(zhì)模型(grain-base model,GBM)通過將PBM與光滑節(jié)理模型(smooth joint model,SJM)相結(jié)合,建立一種多邊形晶粒相互黏結(jié)的復(fù)雜巖石模型。GBM拉壓比在脆性巖石范圍,同時可以反映巖石晶體間摩擦、膠結(jié)破壞等力學(xué)行為,本文在GBM的基礎(chǔ)上開展研究。

GBM建模過程如圖11所示。在一定區(qū)域內(nèi)生成巖石顆粒,隨后將泰森多邊形疊加在巖石顆粒上對每個晶體內(nèi)顆粒分組;在晶體內(nèi)部顆粒賦予PBM,晶體邊界顆粒間賦予SJM,最終得到花崗巖GBM。GBM存在兩種力學(xué)模型失效形式,如圖12所示。

圖12 PBM和SJM失效形式Fig.12 Parallel-bonded model and smooth joint model failure forms

平行黏結(jié)接觸的顆粒發(fā)生相對運動時,黏結(jié)剛度會在接觸處產(chǎn)生力與力矩。顆粒間的最大法向應(yīng)力或剪切應(yīng)力超過PBM黏結(jié)強度時黏結(jié)斷裂,與黏結(jié)相關(guān)的力、力矩和剛度會被移除,黏結(jié)發(fā)生破壞,最大法向和切向應(yīng)力計算式為

(1)

(2)

而被賦予SJM球體的力學(xué)行為不再受顆粒黏結(jié)接觸方向影響。顆粒間接觸力一旦超過SJM的承受極限,顆粒將沿邊界面滑動,并不發(fā)生繞行行為。

2.1.2 細觀參數(shù)標(biāo)定

離散元模型所采用的細觀參數(shù)與室內(nèi)試驗所得的巖體宏觀力學(xué)參數(shù)之間尚未建立明確的量化關(guān)系。因此,為獲得合理的細觀參數(shù),需要選用不同的細觀參數(shù)進行模擬試算,將試算所得模擬結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果進行對比分析,直到模擬結(jié)果的宏觀力學(xué)參數(shù)及破壞形態(tài)與室內(nèi)試驗結(jié)果相似,則可認為試算所用的細觀參數(shù)是合理的[21-22]。

本文基于單軸壓縮和拉伸試驗進行顆粒微觀參數(shù)標(biāo)定,數(shù)值模擬所用試樣尺寸為Φ50 mm×25 mm,加載速度為0.005 m/s,保證模型試樣處于準(zhǔn)靜態(tài)平衡狀態(tài)[23],標(biāo)定結(jié)果如表2所示。單軸壓縮數(shù)值模擬應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖13所示。

表2 花崗巖離散元模型微觀參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

圖13 單軸壓縮仿真模擬應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.13 Uniaxial compression simulation stress-strain curve

標(biāo)定后巖石試樣模型與實際巖石試樣的物理及力學(xué)參數(shù)如表3所示。

表3 數(shù)值模擬與巖石試件宏觀力學(xué)參數(shù)

2.1.3 粒子沖擊破巖模型建立

在巖層掘進過程中,巖石在受載狀態(tài)下粒子以一定速度沖擊破碎巖體,降低巖石強度?？紤]計算效率,將粒子沖擊破巖過程簡化為二維數(shù)值模型。使用PFC2D軟件建立粒子沖擊破巖GBM,如圖14所示。在離散元數(shù)值模擬中,巖石模型通過兩側(cè)無摩擦剛性墻體和底部無摩擦剛性墻體對顆粒進行約束,并利用兩側(cè)墻體對巖石加載圍壓?？紤]計算效率及試驗真實情況,巖石顆粒流模型尺寸為25 mm×50 mm,共11 979個顆粒,黏結(jié)參數(shù)與表2一致。在巖石模型中心軸線右側(cè)生成密度為7 850 kg/m3、半徑為6 mm的剛性顆粒作為粒子,改變圍壓對剛性粒子施加速度進行粒子沖擊數(shù)值模擬。

圖14 粒子沖擊破巖離散元模型Fig.14 Discrete element model of particle impact rock breaking

2.2 數(shù)值模擬方案

開展無圍壓條件下粒子沖擊破巖數(shù)值模擬研究,分析粒子沖擊作用下裂隙擴展特征及形成機制;為分析圍壓對裂隙擴展行為的影響,與試驗條件一致,開展不同圍壓條件下粒子沖擊破巖數(shù)值模擬,方案如表4所示。

表4 不同圍壓條件下粒子沖擊破巖模擬方案

2.3 裂隙擴展特征及形成機制

巖石應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變是巖石破壞直接原因。巖石顆粒間的拉應(yīng)力或剪切應(yīng)力超過其強度極限時,顆粒間膠結(jié)斷裂產(chǎn)生裂隙。在PFC中可通過在指定位置布置測量圓實現(xiàn)對該位置的應(yīng)力監(jiān)測。因此,為分析粒子沖擊作用下裂隙擴展特征及形成機制,在粒子沖擊破巖離散元模型上均布測量圓,得到巖石內(nèi)部應(yīng)力云圖,分析粒子沖擊破巖過程應(yīng)力演化。圍壓為0,粒子速度為50 m/s沖擊過程中x方向主應(yīng)力及裂隙演化如圖15所示,其中負值表示壓應(yīng)力、正值表示拉應(yīng)力。

圖15 無圍壓粒子沖擊巖石應(yīng)力及裂隙分布Fig.15 Stress and fracture distribution of rock in particle impact process without confining pressure

高速粒子在沖擊巖石后,在撞擊點產(chǎn)生壓應(yīng)力并以球面波形式在巖石內(nèi)部傳播。隨著粒子速度降低,能量以應(yīng)力波形式逐漸向巖石內(nèi)部傳遞,并使撞擊點附近巖石顆粒壓應(yīng)力快速升高。在壓應(yīng)力作用下,顆粒間法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力迅速增加,超過顆粒法向或切向黏結(jié)強度后,黏結(jié)斷裂形成張拉裂隙和剪切裂隙。在撞擊點附近,較高的壓應(yīng)力使巖石晶體內(nèi)產(chǎn)生張拉裂隙和剪切裂隙,且裂隙密度較高,形成破碎區(qū)。隨著破碎區(qū)的不斷增大,新增裂隙消耗沖擊應(yīng)力波能量逐漸增大。當(dāng)應(yīng)力波能量不足以使破碎區(qū)邊界處巖石顆粒間膠結(jié)斷裂,破碎區(qū)邊界停止向巖石內(nèi)部延伸,僅使強度較低的晶體間膠結(jié)發(fā)生斷裂,并在裂隙端部顆粒黏結(jié)處形成應(yīng)力集中區(qū),裂隙進一步發(fā)展,形成晶間主裂隙破壞區(qū)。

巖石宏觀破壞是微觀巖石顆粒間膠結(jié)在應(yīng)力作用下破壞,同時裂隙貫通的結(jié)果。為進一步分析粒子沖擊巖石顆粒微裂隙裂的形成和擴展機理,在粒子撞擊點中心軸線上間隔3 mm布置兩個測量圓,提取應(yīng)力時程曲線,如圖16所示測量圓A位于破碎區(qū),測量圓B位于晶間主裂隙破壞區(qū)。

圖16 測量圓位置Fig.16 Measurement circle position

測量圓A區(qū)域處應(yīng)力波x方向正應(yīng)力σx、y方向正應(yīng)力σy及剪切應(yīng)力σxy時程曲線及裂隙數(shù)曲線,如圖17所示。粒子撞擊巖石3.5 μs后,應(yīng)力波到達A區(qū)域,隨后A區(qū)域法向正應(yīng)力迅速上升至94.1 MPa(壓應(yīng)力);在壓應(yīng)力作用下,剪切應(yīng)力在12 μs時上升至25.2 MPa。A區(qū)域附近大量巖石顆粒在剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力作用下發(fā)生膠結(jié)破壞,裂隙數(shù)目快速增加至1 500。大量膠結(jié)斷裂破壞導(dǎo)致應(yīng)力波能量消耗,A區(qū)域壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力快速下降,應(yīng)力卸載明顯。20～40 μs剛性粒子壓密A區(qū)域破碎巖石顆粒,顆粒間壓應(yīng)力和最大剪切應(yīng)力再次提高。40 μs后沖擊粒子速度逐漸降低,不能持續(xù)擠壓巖石顆粒,應(yīng)力逐漸降低直至為0。

圖17 測量圓A應(yīng)力時程曲線及裂隙數(shù)量曲線Fig.17 Stress time curve of measurement circle A and cumulative number of fractures

無圍壓條件下破碎區(qū)的裂隙形成和擴展機理,如圖18所示。在應(yīng)力波作用下b顆粒擠壓d、e顆粒,由于慣性作用和泊松效應(yīng),d、e顆粒向應(yīng)力波切向兩側(cè)產(chǎn)生位移,導(dǎo)致d-e顆粒間膠結(jié)在y向拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生張拉裂隙。隨后在壓應(yīng)力作用下b顆粒向應(yīng)力波法向位移使顆粒b-a、b-c間膠結(jié)在剪切應(yīng)力作用下破壞形成剪切裂隙。應(yīng)力波進一步作用b顆粒使其與d、e顆粒間產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)發(fā)生剪切破壞。因此能量較大的壓應(yīng)力是破碎區(qū)形成的主要原因,導(dǎo)致該區(qū)域巖石顆粒間在剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力作用下形成剪切裂隙和張拉裂隙,并相互貫通形成破碎程度較大的破碎區(qū)。

圖18 無圍壓條件下破碎區(qū)裂隙形成和擴展機理Fig.18 Mechanism of fracture formation and propagation in the fracture zone without a confining pressure

測量圓B區(qū)域應(yīng)力波x方向正應(yīng)力σx、y方向正應(yīng)力σy及剪切應(yīng)力σxy時程曲線,如圖19所示。應(yīng)力波在4.4 μs時達到B區(qū)域,34.9 μs時達到應(yīng)力峰值60.6 MPa(壓應(yīng)力),遠小于A區(qū)域應(yīng)力峰值134 MPa。與A區(qū)域不同的是,由于慣性作用和泊松效應(yīng)存在,在較低壓應(yīng)力作用下,B區(qū)域局部y方向衍生拉應(yīng)力峰值達到16 MPa,而剪切應(yīng)力保持在較低水平。巖石顆粒間y方向衍生拉應(yīng)力超過抗拉強度,巖石膠結(jié)斷裂產(chǎn)生微裂隙。壓應(yīng)力擠壓微裂隙使裂隙端部形成應(yīng)力集中區(qū),裂隙進一步沿強度較低的晶體間膠結(jié)擴展形成主裂隙擴展區(qū)。

圖19 測量圓B應(yīng)力時程曲線Fig.19 Stress time curve of measurement circle B

無圍壓條件下主裂隙擴展區(qū)裂隙形成和擴展機理,如圖20所示。其中d-e為強度較低的晶體間膠結(jié),b顆粒在壓應(yīng)力作用下擠壓d、e顆粒,使d-e間膠結(jié)呈現(xiàn)拉應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)拉應(yīng)力超過d-e間抗拉強度時,膠結(jié)破壞形成晶體間裂隙。在應(yīng)力波作用下裂隙進一步沿晶體間擴展、貫通形成晶間主裂隙擴展區(qū)。

圖20 無圍壓條件晶間主裂隙擴展區(qū)裂隙形成和擴展機理Fig.20 Mechanism of fracture formation and propagation in the intergranular main crack propagation zone without a confining pressure

2.4 圍壓對裂隙擴展行為的影響

不同圍壓粒子沖擊巖石裂隙分布規(guī)律,如圖21所示。不同類型裂隙占比,如圖22所示。由圖21和圖22可知,圍壓的增大能夠有效抑制裂隙的產(chǎn)生。在主裂隙擴展區(qū),當(dāng)圍壓增大至10 MPa時,晶間張拉裂隙占比大幅減小,晶內(nèi)張拉裂隙與晶內(nèi)剪切裂隙數(shù)目占比提升。當(dāng)圍壓增大至20 MPa時,晶內(nèi)張拉裂隙占比減小,晶內(nèi)剪切裂隙占比增大。

圖21 不同圍壓粒子沖擊巖石破壞裂隙分布圖Fig.21 Fracture distribution of rock failure in particle impact process under different confining pressures

圖22 不同圍壓粒子沖擊巖石裂隙占比Fig.22 Percentage of different fractures in rocks after particle impact under different confining pressures

提取不同圍壓條件下測量圓A、B區(qū)域處x方向正應(yīng)力、y方向正應(yīng)力及剪切應(yīng)力時程曲線,分析圍壓對破巖機理的影響。不同圍壓下測量圓A區(qū)域應(yīng)力時程曲線,如圖23所示。由圖23可知,當(dāng)圍壓為0時,巖石初始y方向正應(yīng)力σy和剪切應(yīng)力σxy均為0。粒子沖擊巖石后,x方向壓應(yīng)力快速增加,剪切應(yīng)力隨之提升。當(dāng)剪切應(yīng)力提升至16.3 MPa時,裂隙擴展至A區(qū)域。壓應(yīng)力和剪切應(yīng)力快速提升導(dǎo)致A區(qū)域巖石顆粒間膠結(jié)發(fā)生剪切破壞及張拉破壞。當(dāng)圍壓為10 MPa、20 MPa時,A區(qū)域剪切應(yīng)力分別為20.6 MPa、23.6 MPa。相比于無圍壓條件,剪切應(yīng)力分別提高了4.3 MPa、7.3 MPa。圍壓增大導(dǎo)致巖石顆粒間膠結(jié)破壞所需剪切應(yīng)力增大。

圖23 不同圍壓測量圓A應(yīng)力時程曲線Fig.23 Stress time curve of measurement circle A under different confining pressures

圍壓條件下破碎區(qū)裂隙形成和擴展機理,如圖24所示。施加圍壓后,在顆粒間增加了為壓應(yīng)力的初始預(yù)應(yīng)力。b顆粒在應(yīng)力波作用下產(chǎn)生位移,使顆粒在b-a、b-c間扭轉(zhuǎn)。當(dāng)剪切應(yīng)力達到顆粒間抗剪強度時,膠結(jié)破壞形成剪切裂隙。壓應(yīng)力繼續(xù)作用于顆粒間膠結(jié)d-e時,使膠結(jié)受拉應(yīng)力和剪切應(yīng)力。在圍壓作用下,膠結(jié)需克服初始預(yù)應(yīng)力才能發(fā)生斷裂形成張拉裂隙。而且由于b-d與b-e間膠結(jié)角度不同,d-e間剪切應(yīng)力先達到其抗剪強度。顆粒b在應(yīng)力波的持續(xù)作用下,使d、e顆粒發(fā)生扭轉(zhuǎn),致使b-d、b-e間膠結(jié)在切應(yīng)力作用下破壞形成剪切裂隙。對比無圍壓條件,d-e間膠結(jié)由張拉破壞轉(zhuǎn)化為剪切破壞。

圖24 圍壓條件下破碎區(qū)裂隙形成和擴展機理Fig.24 Mechanism of fracture formation and propagation in the fracture under a confining pressure

由圖24可知,圍壓增大抑制張拉裂隙的產(chǎn)生,促進剪切裂隙的產(chǎn)生,導(dǎo)致剪切裂隙比例提升。由于巖石的抗剪強度普遍大于抗拉強度,在圍壓條件下,需要更大的沖擊應(yīng)力波能量才能破壞巖石。另一方面顆粒需克服切向摩擦力達到剪切破壞強度才能形成剪切裂隙。圍壓增大使顆粒相互擠壓,提升顆粒b-a、b-c、d-b、b-e間摩擦效應(yīng),因而導(dǎo)致形成剪切破壞所需切應(yīng)力增大。顆粒間預(yù)應(yīng)力的增大、剪切裂隙比例的提升以及摩擦效應(yīng)的增強致使產(chǎn)生相同數(shù)量裂隙所需能量提高。

不同圍壓條件下測量圓B應(yīng)力時程曲線,如圖25所示。由圖25可知,當(dāng)應(yīng)力波傳至B區(qū)域時,x方向壓應(yīng)力增加,使y方向產(chǎn)生衍生拉應(yīng)力。圍壓為0條件下y方向衍生拉應(yīng)力上升至15.1 MPa,強度較低的晶體間膠結(jié)在衍生拉應(yīng)力作用下破壞,形成主裂隙擴展區(qū)。當(dāng)圍壓為10 MPa時,y方向衍生拉應(yīng)力部分能量用于克服顆粒間預(yù)應(yīng)力,拉應(yīng)力峰值僅為8.6 MPa,主裂隙擴展區(qū)裂隙減少。當(dāng)圍壓為20 MPa時,B區(qū)域未形成主裂隙擴展區(qū)。這是由于衍生拉應(yīng)力未克服預(yù)應(yīng)力形成拉應(yīng)力,裂隙未進一步擴展形成主裂隙擴展區(qū)。

圖25 不同圍壓測量圓B應(yīng)力時程曲線Fig.25 Stress time curve of measurement circle B under different confining pressures

圍壓條件下晶間主裂隙擴展區(qū)微觀破壞機理,如圖26所示。應(yīng)力波作用于顆粒b使b-a、b-c顆粒間形成切應(yīng)力,d-e顆粒形成拉應(yīng)力。由于晶體間膠結(jié)強度遠小于晶體內(nèi)膠結(jié)強度、抗拉強度小于抗剪強度,且應(yīng)力波能量消耗使顆粒間切應(yīng)力和拉應(yīng)力峰值降低,僅能使晶體間膠結(jié)d-e發(fā)生張拉破壞。顆粒b繼續(xù)擠壓d-e間裂隙,在裂隙端部顆粒黏結(jié)處形成拉應(yīng)力集中區(qū),裂隙繼續(xù)在晶體間膠結(jié)擴展、貫通形成主裂隙擴展區(qū)。圍壓增大使顆粒間始終保持壓應(yīng)力狀態(tài),有效地降低了d-e間y方向衍生拉應(yīng)力峰值,減小了主裂隙擴展區(qū)范圍。

圖26 圍壓條件晶間主裂隙擴展區(qū)裂隙形成和擴展機理Fig.26 Mechanism of fracture formation and propagation in the intergranular main crack propagation zone under a confining pressure

綜上所述,圍壓在巖石顆粒間施加預(yù)應(yīng)力,使衍生拉應(yīng)力需消耗能量克服顆粒間初始壓應(yīng)力形成張拉裂隙,抑制了張拉裂隙的產(chǎn)生和晶間主裂隙的擴展。同時圍壓的增大導(dǎo)致巖石顆粒間剪切裂隙比例和摩擦效應(yīng)提升,裂隙擴展能量消耗增大。

3 結(jié) 論

(1) 粒子沖擊巖石后,能量以球面波形式向巖石內(nèi)部傳播。在撞擊點處較大的壓應(yīng)力使巖石顆粒間發(fā)生擠壓、扭轉(zhuǎn),使大量顆粒間膠結(jié)在剪切應(yīng)力和拉應(yīng)力作用下破壞形成破碎區(qū)。

(2) 由于巖石泊松效應(yīng)的存在,應(yīng)力波向巖石內(nèi)部傳播過程中能夠在切向形成衍生拉應(yīng)力。能量降低的應(yīng)力波使強度較低晶體間膠結(jié)在切向衍生拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生張拉裂隙。應(yīng)力波進一步擠壓裂隙使端部顆粒黏結(jié)處形成應(yīng)力集中區(qū),裂隙發(fā)展形成晶間主裂隙擴展區(qū)。

(3) 圍壓通過在巖石顆粒間施加預(yù)應(yīng)力,使衍生拉應(yīng)力需消耗能量克服顆粒間初始壓應(yīng)力才能形成張拉裂隙,進而有效抑制張拉裂隙的形成,導(dǎo)致晶間主裂隙擴展區(qū)消失;同時圍壓的增大導(dǎo)致巖石顆粒間剪切裂隙比例和摩擦效應(yīng)提升,產(chǎn)生相同裂隙數(shù)目消耗能量增大,綜合作用下圍壓抑制了晶間主裂隙擴展區(qū)和破碎區(qū)的形成,破碎效果降低。