裂隙及充填裂隙对砂岩破坏特征的影响

王延辉 于后瑞 党崇哲

（山东新巨龙能源有限责任公司，山东 菏泽 274918）

由于包含孔隙[1-2]、裂隙[3-4]、节理[5-6]和异质结构[7]等缺陷结构，自然界中的岩石大多为典型的非均质体。其中，裂隙结构和充填裂隙结构作为比较常见的缺陷结构，会极大影响岩石的破坏特征，威胁煤矿的安全开采。

在裂隙结构方面[3-6]，学者们主要通过数值模拟、室内试验以及理论分析等方法展开研究。当岩石试样中预置一条或多条裂隙结构时，加载作用下裂隙尖端出现应力集中并出现裂纹，此类试样的破坏过程往往与裂隙倾角、尺寸等因素有关。相比裂隙结构，针对充填裂隙方面的研究相对较少，主要通过配制类岩石试样进行室内试验的方法分析含充填裂隙试样的强度和破坏特征。李斌等[7]研究了裂隙充填情况对不同岩桥倾角下双裂隙巴西圆盘试样力学特性的影响，并结合声发射和数字散斑应变测量系统分析了试样的裂纹扩展特征；董晋鹏[8]等研究了共面双裂隙对岩石材料抗拉强度的影响，结果表明裂隙充填一定程度上增加了试样的完整性，使其抗拉强度有所增加，且充填裂隙倾角决定试样破坏模式；王鹏飞等[9]研究了不同粗糙度和隙宽贯通充填裂隙对岩石渗流特性的影响。

针对裂隙和充填裂隙结构的研究已取得了许多成果，然而岩石中往往同时赋存裂隙和充填裂隙，此时岩石强度及承载作用下裂隙扩展路径更为复杂。针对此问题，本文基于PFC2D 软件模拟不同赋存状态的裂隙及充填裂隙结构对砂岩裂纹发育扩展的影响，研究含裂隙及充填裂隙试样的破坏特征，以期为相关工程围岩稳定性评价提供参考。

1 模型建立及模拟方案

模型尺寸为50 mm×100 mm，设置粒径范围为0.3～0.4 mm，共生成颗粒11 634 个，通过运算使生成的颗粒间形成良好的接触。选择可以较好反映岩体实际破坏过程的平行黏结模型进行模拟。为了研究裂隙及充填裂隙对砂岩破坏行为的影响差异，制定了6 种方案如图1：（1）完整砂岩试样；（2）含单一裂隙结构试样；（3）含单一充填裂隙结构试样；（4）含两条裂隙结构试样；（5）含两条充填裂隙结构试样；（6）含一条裂隙和一条充填裂隙试样。为尽可能消除其他因素对模拟结果的影响，将裂隙及充填裂隙倾角均设为45°，充填裂隙颗粒粒径与砂岩颗粒相同，将充填裂隙颗粒属性设为砂岩颗粒的0.5 倍。当试样中含有两条缺陷结构时，其位置关于试样中心对称，以消除缺陷结构位置对模拟结果的影响。

图1 模拟方案

2 裂隙及充填裂隙对砂岩破坏特征的影响

2.1 裂隙及充填裂隙对试样声发射特征的影响

在模拟过程中实时记录试样裂纹发育扩展过程，通过编写Fish 语言监测应变微元内平行黏结断裂数来模拟试样声发射特征。各方案试样应力-应变及AE 曲线如图2。当试样中赋存缺陷结构时，含裂隙结构试样在裂隙尖端起裂，含充填裂隙结构试样在充填裂隙与砂岩基质交界处起裂，这两类起裂模式导致了试样裂纹发育扩展路径相对固定，AE事件数明显降低。图2（f）中试样应力-应变曲线在峰后阶段出现台阶状下降现象，这反映了试样中的充填裂隙结构在试样达到峰值强度后仍起一定的承载能力。

图2 试样应力-应变及AE 曲线

2.2 裂隙及充填裂隙对砂岩裂纹扩展的影响

如图3（a）所示，完整试样的起裂位置相对随机，持续加载后在试样左上角出现裂纹群，试样内部持续出现分布随机的微裂纹。当加载到一定程度后，微裂纹急剧增加并相互贯通，最终导致试样破坏。当试样中赋存单一裂隙时（图3b），试样首先在裂隙尖端出现应力集中，裂纹在此处产生并在载荷作用下形成翼型裂纹。持续加载后试样沿翼型裂纹扩展最终破坏。充填裂隙由于颗粒属性与砂岩颗粒不同，导致了试样内部均质性破坏，容易在充填裂隙颗粒与砂岩颗粒交界处产生应力集中并起裂。但由于砂岩颗粒强度大，裂纹仅能在充填裂隙内部发育。如图3（c）所示，当载荷达到一定程度后，裂纹足以穿透砂岩颗粒，在充填裂隙端部形成翼型裂纹，试样破坏后主裂纹基本沿充填裂隙形成。试样中含有两条裂隙时，由于尖端起裂造成两条裂隙端部均出现翼型裂纹，其发育扩展路径相对固定，在足够的载荷作用下端部裂纹贯通（图3d），最终导致试样破坏。当试样中同时包含裂隙及充填裂隙时（图3e），裂纹首先在裂隙尖端出现，值得注意的是，当裂隙尖端裂纹发育至充填裂隙位置处时，充填裂隙内部仍未出现微裂纹，试样最终破坏形态主要由裂隙结构决定。当试样中含有两条充填裂隙时，试样起裂位置依然为充填裂隙与砂岩基质交界处，并在载荷作用下在充填裂隙内部发育，持续加载后裂纹穿透充填裂隙在尖端产生翼型裂纹并最终导致试样破坏。

图3 裂隙及充填裂隙对砂岩破坏行为的影响

整体而言，裂隙和充填裂隙结构对试样破坏行为的影响显著，试样起裂及裂纹扩展路径在很大程度上取决于裂隙和充填裂隙结构的形态。裂隙结构与充填裂隙结构对试样破坏行为的影响方式不同，裂隙结构产生应力集中的位置为裂隙尖端，所需应力水平较低。充填裂隙结构产生应力集中的位置为砂岩颗粒与充填裂隙颗粒交界处，起裂所需应力水平较高。当裂隙与充填裂隙同时存在时，起主导作用的是裂隙结构，试样最终破坏模式也决定于裂隙结构的赋存形态。

3 结论

相比完整试样，含缺陷结构试样AE 事件明显降低，试样中的充填裂隙结构在试样达到峰值强度后仍起一定的承载能力。

含充填裂隙试样在砂岩颗粒与充填裂隙颗粒交界处起裂，所需应力水平较高。当裂隙与充填裂隙同时存在时，起主导作用的是裂隙结构，试样最终破坏模式也决定于裂隙结构的赋存形态。