閆 甫李自強邢 輝

（1.山東省煤炭技術服務有限公司，山東 濟南 250032;2.中國十七冶集團有限公司，安徽 馬鞍山 243000;3.內(nèi)蒙古科技大學礦業(yè)與煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010）

目前，國內(nèi)學者在巖石力學性質(zhì)的數(shù)值仿真模擬[1-4]的建立和不同因素對巖石力學性能的影響分析等方面開展了大量研究[5-9]。本文擬根據(jù)復合巖石所受軸向壓力實際演化規(guī)律，開展復合巖體損傷模擬試驗，分析不同壓力作用下對復合巖體破壞機制，旨在加深對復合巖體力學性質(zhì)的認識。

1 復合巖石方程理論

數(shù)值仿真模擬試件模型均為均質(zhì)復合巖石，則巖石中的“應力狀態(tài)”是：

可以得出，在大應力水平下，復合巖石也可近似地當作均質(zhì)各項同性材質(zhì)。

2 復合巖石力學性質(zhì)的數(shù)值模擬研究

2.1 數(shù)值模型及計算參數(shù)的確定

巖樣取自于四川華鎣山礦務局李子埡煤礦，取出的巖樣中含有砂巖、泥巖、灰?guī)r三種。在數(shù)值模擬試驗中，采用規(guī)格為50 mm×40 mm 的試件，在模擬復合巖石力學性質(zhì)的數(shù)值仿真研究試驗中，把這三種巖石試件粘結起來。其粘結的順序是上部為灰?guī)r、中間為泥巖、下部為砂巖，這三種單一巖復合后的試件規(guī)格為50 mm×120 mm?？紤]到礦煤頂板巖層自然沉積需要經(jīng)歷很長時間，巖層與巖層之間必然有相互滲透，采用的復合巖石試驗試件的巖層之間相互重疊2 mm。復合巖石結構圖如圖1。

圖1 復合巖石結構圖

2.2 數(shù)值計算結果分析

2.2.1 復合巖石力學參數(shù)分析

復合巖石力學參數(shù)如表1 所示，從表中可以看出巖石的彈性模量、抗壓強度和泊松比隨著載荷的增加呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。

由表1 可知，復合巖石的抗壓強度低于砂巖和灰?guī)r的抗壓強度，但是大于泥巖的抗壓強度。當三種巖石復合后，各自的彈性模量都有所增加，但是復合巖的彈性模量卻比各組成巖石中彈性模量最低的泥巖還要小。

表1 復合巖石力學參數(shù)表

2.2.2 復合巖石聲發(fā)射圖分析

復合巖石聲發(fā)射圖如圖2 所示。監(jiān)測巖石聲發(fā)射可以反映出巖石內(nèi)部的破壞過程，在巖石破壞開始圖（a）、圖（b）巖石內(nèi)的中部和下部出現(xiàn)了少量的聲發(fā)射現(xiàn)象并未出現(xiàn)明顯的破裂面，在破壞的中期圖（c）、圖（d）巖石的內(nèi)部聲發(fā)射逐漸密集在中部和上部開始形成傾斜的破裂面，在破壞后期聲發(fā)射進一步加密并在中部和上部形成了兩個傾斜的破裂面。

圖2 復合巖石聲發(fā)射圖

2.2.3 復合巖石彈性模量圖分析

復合巖石彈性模量圖如圖3 所示。在巖石破壞開始圖（a）、圖（b）巖石內(nèi)的中部和下部出現(xiàn)了少量的巖石破裂現(xiàn)象并未出現(xiàn)明顯的破裂面，在破壞的中期圖（c）、圖（d）巖石的內(nèi)部逐漸密集在中部和上部開始形成傾斜的破裂面，在破壞后期進一步加密并在中部和上部形成了兩個傾斜的破裂面。

圖3 復合巖石彈性模量圖

2.2.4 復合巖石最大剪應力圖分析

復合巖石最大剪應力圖如圖4 所示。在巖石破壞開始圖（a）、圖（b）巖石內(nèi)的中部和下部出現(xiàn)了少量的剪切破壞現(xiàn)象并未出現(xiàn)明顯的破裂面，在破壞的中期圖（c）、圖（d）巖石的內(nèi)部剪切破壞逐漸密集在中部和上部開始形成傾斜的破裂面，在破壞后期剪切破壞進一步加密并在中部和上部形成了兩個傾斜的破裂面。

圖4 復合巖石最大剪應力圖

2.2.5 復合巖石應力—應變曲線圖分析

復合巖石應力—應變曲線圖如圖5 所示。復合巖石的應力-應變曲線在初期壓密階段變化并不明顯，隨著載荷的不斷增大，巖石開始發(fā)生破壞現(xiàn)象。隨著載荷繼續(xù)增加，巖石內(nèi)部的裂隙隨之加速發(fā)育生成裂紋，且裂紋出現(xiàn)局部貫通的現(xiàn)象。載荷的繼續(xù)增大，四種巖石模擬試件的應變值分別達到峰值，在達到峰值后，強度迅速變小，直至完全破壞。

圖5 能夠確定巖石及復合巖彈性模量均發(fā)生不同程度的變化，灰?guī)r彈性模量達到4213 MPa，砂巖與灰?guī)r彈性模量變化較小，即砂巖彈性模量在4 210.5 MPa，復合巖石和泥巖又有減小，其中復合巖石彈性模量為3 643.12 MPa，泥巖的彈性模量在2 817.45 MPa 左右，但是總體變化比較均勻，且四種巖石的彈性模量為E灰?guī)r＞E砂巖＞E復合巖石＞E泥巖。

圖5 復合巖石應力—應變曲線圖

3 結論

（1）受載過程中復合巖石的抗壓強度低于砂巖和灰?guī)r的抗壓強度，大于泥巖的抗壓強度。

（2）三種巖石復合后，各自的彈性模量都有所增加，但是復合巖的彈性模量卻比各組成巖石中彈性模量最低的泥巖還要小，但總體均滿足E灰?guī)r＞E砂巖＞E復合巖石＞E泥巖。

（3）破壞過程中，最先出現(xiàn)裂隙的是泥巖，然后是砂巖和灰?guī)r，最終才導致整個復合巖石的破壞，復合巖石的破壞是一個循序漸進的過程。