基于颗粒流理论的加载速率对煤岩损伤演化特性的影响分析

张 磊 刘 玥

(山西大同大学煤炭工程学院，山西省大同市，037003)



基于颗粒流理论的加载速率对煤岩损伤演化特性的影响分析

张 磊 刘 玥

(山西大同大学煤炭工程学院，山西省大同市，037003)

基于颗粒离散元程序PFC，利用黏结颗粒模型BPM设计了不同位移加载速率的单轴压缩试验，对加载过程中煤岩裂纹扩展情况及破坏形态进行了记录，研究分析了加载速率对煤岩损伤演化规律及声发射特性的影响。结果表明，随着加载速率的增大，煤岩单轴抗压强度及破坏程度增大；加载速率越大，煤岩破坏时的端面效应越大，破坏形态由单一的剪切破坏向多面剪切破坏转变；加载速率对煤岩声发射活动的影响主要集中在应力峰值附近，加载速率越大，煤岩峰值破坏时的声发射活动越剧烈。试验结果可为煤矿及岩体工程的损伤劣化监测提供一定的参考，并且对煤矿安全开采具有重要的指导意义。

加载速率 煤岩损伤 声发射 颗粒流理论

地下煤矿开采过程中，由于巷道掘进速度和工作面推进速度的不同，使作为主要承载体的煤层和岩层处于不同的应力或应变影响下。理论和试验证明，煤岩体在不同加载速率下的力学特性和本构关系有很大差异。因此，研究煤岩体在不同应变速率下的力学特性对煤矿掘进及开采速率的合理设计具有重要意义。

国内外学者就加载速率对煤体或岩体力学行为的影响做了大量研究。煤岩是由各种矿物颗粒黏聚而成的矿物集合体，从细观角度对不同加载速率下煤岩力学特性及损伤演化规律进行研究，并且建立细观裂纹的萌生、扩展、贯通过程和宏观应力—应变、变形破坏特征之间的联系，对从本质上认识加载速率影响下的煤岩破坏机制具有重要意义。然而，由于原岩试样在物理力学性质方面的离散性，并且可重复性差，需先进行大量的物理试验，再对试验数据进行统计来减小试验误差。同时，由于试验条件及设备的限制，在实验室及现场很难对材料内部力学响应的过程进行有效的监测。鉴于此，本文借助于颗粒离散元程序PFC(particle flow code)建立黏结颗粒模型BPM(bonded particle model)，并对其进行单轴压缩试验，研究分析不同加载速率下的煤岩强度特性及损伤演化规律。

1 颗粒流简介

1.1 颗粒流简介

颗粒流程序PFC是在细观离散单元法的基础上开发的一种通过球形颗粒运动与相互作用模拟固体力学和颗粒介质特性的有效工具。该理论将物理域内真实的颗粒抽象为颗粒单元，通过颗粒单元构造试样几何形状、接触本构，形成相互作用及迭代分析，使得数值试样的宏观力学特性逼近真实材料的力学特性。利用PFC数值模拟不仅能够降低物理试验费用，而且便于进行深入分析，是进行岩石力学特性研究的有效工具。PFC数值建模流程如图1所示。

在颗粒建模时，PFC能够提供多种接触模型，如接触黏结模型、平行黏结模型、滑动模型等。平行黏结是颗粒之间面的黏结，可以传递力矩，并且接触刚度和粘结刚度共同组成宏观刚度，粘结破坏后会立即导致宏观刚度的下降，适合模拟岩石类材料。因此，本文采用平行黏结模型建立岩石单轴压缩模型，研究加载速率对煤岩损伤演化特性的影响。

1.2 模型建立及细观物理力学参数

颗粒流程序PFC利用内嵌的FISH语言编写程序，数值模型的细观参数能够显著影响数值试样的宏观力学特性。本研究在参考以往研究的基础上，通过“试错法”反复调整，使数值试样的宏观力学响应及参数接近原岩试样室内试验的力学响应及参数。二维数值试样的尺寸(宽×高)为50 mm×100 mm，最小粒径为0.3 mm，粒径比为1.67，颗粒密度为1800 kg/m3，摩擦系数为0.46，颗粒间的接触模量为1.0 GPa，颗粒间的平行黏结模量为12.0 GPa，该参数下的数值模型的单轴弹性模量E、泊松比μ等力学响应参数与标准煤岩试件的室内单轴压缩试验的结果基本一致，具体模型如图2所示。在数值试验中，模型建立并达到平衡状态后，通过FISH语言删除模型左右两侧的墙，保留上下方向的墙，通过调整上下墙的位移速率给模型施加轴向荷载，完成单轴压缩试验。

图1 建模及参数调节流程

图2 数值模型

2 加载速率对煤岩强度及损伤演化的影响分析

在上述数值模型的基础上设计了4种轴向位移加载方案，加载速率分别为0.02 mm/s，0.05 mm/s，0.10 mm/s，0.20 mm/s。

不同加载速率下数值试样的轴向应力-应变曲线如图3所示。由图3可知，不同加载速率下应力—应变曲线的整体变化趋势基本一致，但是其峰值强度及峰值应变有些差异。具体表现为，加载速率为0.02 mm/s时，峰值应力为28.38 MPa，峰值应变为0.407%；加载速率为0.05 mm/s时，峰值应力为28.46 MPa，峰值应变为0.411%；加载速率为0.10 mm/s时，峰值应力为28.58 MPa，峰值应变为0.412%；加载速率为0.20 mm/s时，峰值应力为30.09 MPa，峰值应变为0.446%。随着加载速率的增加，峰值强度及峰值应变增大。这与李彦伟、李海涛等的研究结果基本一致，再此验证了该数值模型在模拟煤岩单轴压缩试验时的可靠性。

图3 不同加载速率下的应力—应变曲线

为了更深入的研究加载速率对试样破坏机制的影响，对不同时步的裂纹扩展情况进行分析比较。不同加载速率下试样在应力峰值点时的破坏形态如图4所示。

图4 不同加载速率下试样在应力峰值点时的破坏形态

从应力峰值时的破坏形态明显看出，试样破坏主要沿着对角线的宏观破坏面呈现出明显的剪切破坏形态，并且随着加载速率的增大，破坏形态从单斜面的剪切破坏向多剪切面破坏转变，整体破坏程度增大。

3 加载速率对煤岩声发射特性的影响分析

材料裂纹在形成或扩展时，造成应力松驰，储存的部分能量以应力波的形式突然释放出来，产生声发射现象。岩石在载荷作用下的声发射主要与岩石裂纹的产生、扩展及断裂有关。因此，研究煤岩在变形破坏过程中的声发射现象，对深入探讨煤岩的损伤劣化机制具有重要意义。

不同加载速率下的煤岩声发射特性如图5所示。由图5可知，煤岩试样在不同加载速率下的声发射变化规律基本一致。初始压密阶段及弹性变形阶段前期如图5(a)所示，此时几乎没有声发射信号的产生；弹性变形阶段的中期如图5(b)所示，开始有微弱声发射信号的产生，试件开始发生劣化损伤，并且随着加载的继续，信号越来越密集；非线性变形阶段如图5(c)所示，声发射信号开始变强，直到应力的峰值点附近，声发射信号大量产生，宏观断裂面基本形成，试件整体发生损伤破坏；峰后应变软化阶段如图5(d)所示，由于试样仍然具有一定的残余承载能力，沿宏观破坏面仍有裂纹的生成和扩展，声发射信号继续生成。

分析比较不同加载速率下声发射变化规律发现，加载速率对声发射的影响较大。随着加载速率的增大，应力峰值附近声发射信号越来越密集并且声发射最大值呈递增趋势。这与加载速率对微小裂纹的扩展作用相关。较低加载速率下，微小裂纹不断生成，加载过程中能量集聚程度变小，在一定程度上降低了峰值破坏时的能量集聚程度。随着加载速率的增加，试样内部微小裂纹没有萌生和扩展的充分时间，而是在应力达到一定水平时，裂纹迅速贯通，从而在较短时间内产生较强的声发射信号。

实际矿山开采过程中，由于不能准确把握工作面推进或巷道掘进速度，从而诱发了冲击地压、煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故，不仅影响煤矿正常生产而且还会造成严重的人员伤亡。本文对不同加载速率下煤岩损伤过程的研究，对采矿及深部岩体工程的合理支护与施工具有一定的参考价值；通过记录变形破坏过程中声发射信息，对现场利用声发射、微震等技术对工程围岩的稳定性进行监测具有重要的指导意义。

图5 不同加载速率下的声发射特性

4 结论

(1)在对煤岩物理力学特性进行研究时，颗粒流程序PFC在一定程度上可代替部分室内试验，是研究岩石力学研究的有效途径之一。

(2)加载速率能够影响岩石内部裂纹的扩展过程及最终破坏形态。随着加载速率的增大，岩石破坏时的端面效应越大，岩石由单一的剪切破坏向多面剪切破坏转变。

(3)加载速率能够影响煤岩声发射活动。加载速率越大，煤岩峰值破坏时的声发射活动越剧烈，主要与煤岩内部微小裂纹对加载速率的响应有关，为煤矿现场及深部岩体工程通过声发射活动对煤岩受力及损伤劣化情况进行监测分析提供一定的借鉴。

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(责任编辑 郭东芝)

Influence analysis of loading rate on damage evolution characteristics of coal-rock based on particle flow theory

Zhang Lei, Liu Yue

(College of Coal Engineering, Shanxi Datong University, Datong, Shanxi 037003, China)

Based on particle flow code (PFC), uniaxial compression tests with different displacement loading rates were designed by using bond particle model (BPM), which recorded the cracks propagation process and failure pattern during the loading process, and studied the influences of loading rate on coal-rock damage evolution law and acoustic emission characteristics.The results showed that with the increasing of loading rate, the uniaxial compressive strength of coal-rock and the degree of damage increased constantly; the end face effect of coal-rock damage increased with the increasing of loading rate, and failure pattern transformed from the single shear failure to polyhedral shear failure; the influence of loading rate on coal-rock acoustic emission activity was concentrated upon the peak stress, and the acoustic emission activities were more intense along with the increasing of loading rate.The test results could provide certain reference for damage degradation monitoring of coal and rock mass engineering and had significant guiding significance for coal mine safety mining.

loading rate, coal-rock damage, acoustic emission, particle flow theory

张磊，刘玥.基于颗粒流理论的加载速率对煤岩损伤演化特性的影响分析[J].中国煤炭，2017,43(7)：85-88，107.ZhangLei,LiuYue.Influenceanalysisofloadingrateondamageevolutioncharacteristicsofcoal-rockbasedonparticleflowtheory[J].ChinaCoal, 2017, 43(7):85-88，107.

TD

A

张磊(1984-)，男，山西大同人，讲师，硕士学历，从事岩石力学与采矿工程方面的研究。