薄层状红页岩细观破坏特性研究.pdf
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1、薄层状红页岩细观破坏特性研究马振乾,周浪,左宇军,张吉民,邹义怀,曹云钦(贵州大学 矿业学院,贵州 贵阳 550025)摘要:为研究层状红页岩细观破坏特性,采用 DSTD-1000 型电液伺服刚性压力机对不同层理倾角红页岩进行单轴力学实验,对碎屑进行 SEM 电镜扫描和 XRD 衍射实验,获取其力学参数、破坏特征、微观结构及成分相对含量。基于此,利用离散元 PFC3D构建不同层理倾角红页岩数值模型,并进行单轴压缩实验来研究红页岩细观破坏特征。结果表明:(1)层理倾角=30、45、60、75时,试样沿层理方向破坏产生滑移面。(2)不同层理倾角试样的裂纹演化过程都呈缓慢增长阶段、加速增长阶段、趋于
2、稳定阶段的变化情况,当=45、60、75时,裂纹演化过程中单位应变产生裂纹数较多,导致试样迅速沿层理弱面滑移破坏。(3)细观裂纹赤平极射投影和岩石组构图表明,=0、75、90时,微观裂纹倾向分布较为均匀,主要平行于或次平行于加载方向,加载破坏后表现出强烈的各向异性;1560时,微裂纹倾向逐渐向层理方向平行。(4)考虑裂纹演化特征的弹性模量法求解的裂纹萌生应力阈值为各层理峰值强度的 36.6%60.3%,裂纹损伤应力阈值为各层理峰值强度的 75.1%90.4%,与大量物理实验所求阈值范围吻合,表明此法对于求解裂纹应力阈值具有一定的适用性。关键词:红页岩;细观破坏;赤平极射投影;岩石组构;裂纹萌生
3、应力;裂纹损伤应力中图分类号:P589.1 文献标志码:A 文章编号:1001-1986(2023)10-0104-10StudyonmesoscopicfailurecharacteristicsoflayeredredshaleMA Zhenqian,ZHOU Lang,ZUO Yujun,ZHANG Jimin,ZOU Yihuai,CAO Yunqin(School of Mining,Guizhou University,Guiyang 550025,China)Abstract:To study the mesoscopic failure characteristics of t
4、he layered red shale,uniaxial mechanical experiments werecarried out by applying DSTD-1 000 electro-hydraulic servo rigid pressure on the red shale with different beddingangles.Meanwhile,SEM and XRD experiments were implemented on debris to obtain its mechanical parameters,fail-ure characteristics,m
5、icrostructure,and relative content of components.Based on this,models of the red shale with dif-ferent bedding angles were constructed using the discrete element PFC3D for the uniaxial compression experiments tostudy the mesoscopic failure characteristics of red shale.The results show that:(1)When t
6、he bedding angle=30,45,60 and 75,the samples fail along the bedding direction to produce a slip surface.(2)The crack evolution process ofsamples with different bedding angles shows the changes in the slow growth stage,accelerated growth stage,and stablestage.When=45,60 and 75,more cracks are generat
7、ed in the unit strain in the crack evolution process,which leadsto the rapid slip failure of the sample along the weak plane of the bedding.(3)The stereographic projection of meso-cracks and the rock fabric diagram show that:the micro-cracks tend to be more evenly distributed,mainly parallel to orsu
8、b-parallel to the loading direction when=0,75 and 90,showing strong anisotropy after loading failure.When 1560,the micro-crack tendency gradually parallels to the bedding direction.(4)The crack initiation stress thresholdsolved by the elastic modulus method considering the crack evolution characteri
9、stics is 36.6%60.3%of the peakstrength of each bedding,and the crack damage stress threshold is 75.1%90.4%of the peak strength of each bedding,which is consistent with the threshold range obtained by a large number of physical experiments.It is indicated that the 收稿日期:2023-01-18;修回日期:2023-04-19基金项目:
10、国家自然科学基金地区科学基金项目(52164003);贵州省科技支撑计划项目(黔科合支撑2021一般 352 号);贵州省优秀青年科技人才项目(黔科合平台人才20215610);贵州省教育厅科技拔尖人才项目(黔教技2022072 号)第一作者:马振乾,1987 年生,男,河南商丘人,博士,教授,博士生导师,从事巷道围岩控制、矿山岩体力学等方面的教学与科研工作.E-mail:通信作者:周浪,1996 年生,男,贵州毕节人,硕士研究生,从事岩石力学方面的研究工作.E-mail: 第 51 卷 第 10 期煤田地质与勘探Vol.51 No.102023 年 10 月COAL GEOLOGY&EXPL
11、ORATIONOct.2023马振乾,周浪,左宇军,等.薄层状红页岩细观破坏特性研究J.煤田地质与勘探,2023,51(10):104113.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.01.0034MA Zhenqian,ZHOU Lang,ZUO Yujun,et al.Study on mesoscopic failure characteristics of layered red shaleJ.Coal Geo-logy&Exploration,2023,51(10):104113.doi:10.12363/issn.1001-1986.23.01.0034meth
12、od has certain applicability for solution of the crack stress threshold.Keywords:red shale;mesoscopic failure;stereographic projection;rock fabric;crack initiation stress;crack damagestress 层状岩体是常见的地质工程岩体,其横向各向异性对岩体的宏观力学性质(如抗压强度、抗拉强度、弹性模量等)、断裂力学行为有极大的影响1。受层理倾向和分布的影响,边坡、大坝、巷道等工程常常出现失稳现象2-3。以贵州省开阳磷矿区为
13、例,磷矿埋深 600700 m,巷道开拓及采准工程布置在矿体下方的红页岩中,巷道矿压显现极为严重,给矿山安全开采带来了严重隐患。因此,深入开展层状红页岩细观破坏特性研究,是正确评价以红页岩为岩体工程的安全施工及合理支护参数的基础,具有重要的理论研究意义和工程价值。红页岩具有明显的薄层状层理构造,层理间距从几毫米到十几厘米不等4。受层状节理各向异性力学特性的影响,红页岩的强度和变形特征表现得较为复杂。实验方面,众多学者探讨了红页岩强度和变形的特性。Wang Dongyi 等5通过对红页岩成分分析,显微结构、强度特性及水软化试验等测试,揭示在原岩应力环境中或开采扰动下特定巷道中红页岩的失稳机理;李
14、地元等6研究了不同干湿循环条件下红页岩的单轴抗拉强度和声发射累计能量的变化;He Manchao7、J.Hadizsde8等借助泥页岩软化试验,研究了泥页岩力学性能参数随含水率的变化规律;还有部分学者9-11围绕层理页岩的各向异性力学行为进行了大量的试验和理论研究。以节理为研究对象,国内外大量学者开展了深入研究。雷霆等12采用改进的建模方法建立了层状岩体数值试样,得到强度和变形随层理的变化。杨圣奇等13对不同层理页岩进行常规三轴压缩力学特性离散元模拟,得到强度随层理倾角和围压的变化情况。邓荣贵等14通过类层状岩体力学实验,得到节理数与岩石破坏的规律。另有学者15-18利用离散元法,研究了岩体破
15、坏模式、力学性质节理变化的关系。综上,前人研究了层理红页岩软化性、抗压强度、抗拉强度等力学特性,并借助 PFC2D从节理角度出发,再现层理岩体破坏过程中裂纹的扩展过程。但实际工程中条件往往更为复杂,简化为二维问题后,计算结果存在一定偏差,故开展岩体细观破坏研究和三维数值分析极其重要。因此,为探究层理红页岩细观破坏特性,笔者基于 PFC3D的 PB(Parallel-Bond)本构模型建立红页岩数值模型,并用室内实验进行矫正,得到不同层理倾角试样单轴压缩下细观破坏特征。从裂纹演化过程、细观裂纹赤平极射投影、岩石组构、裂纹萌生应力和裂纹损伤应力多个角度分析细观破坏特征随层理倾角的变化,进一步深入了
16、解层状红页岩的破坏规律,以期为红页岩巷道稳定控制提供借鉴与指导。1室内实验研究红页岩属于典型的节理岩体,节理倾向和分布对岩石的宏观力学性质起重要作用。在室内进行单轴压缩破坏、SEM 电镜扫描和 XRD 衍射实验,有助于了解红页岩微观结构和组分特点,为红页岩数值模型构建及细观破坏分析提供重要理论依据。1.1力学破坏模式将现场取回的红页岩岩块加工成直径 50 mm、高度 100 mm 的标准试件。利用 DSTD-1000 型电液伺服刚性压力机对标准红页岩试件进行单轴抗压强度测试,直至试件破坏,如图 1 所示。90层理倾角试样抗压强度最大,0、30次之,60最小,如图 1a 所示。从 00.20.4
17、0.60.8918273645应力/MPa应变/102(a)红页岩单轴应力应变曲线 0层理倾角试样 30层理倾角试样 60层理倾角试样 90层理倾角试样30609001020304050室内实验数值试验强度/MPa层理倾角/()(b)室内/数值破坏结果比较3090600图 1 室内测试/数值模拟结果比较Fig.1 Comparison between indoor experiment and numericalsimulation experiment第 10 期马振乾等:薄层状红页岩细观破坏特性研究 105 试件破坏结果可以看出,如图 1b 所示,当层理倾角=0时,试件破坏时产生贯穿基岩的
18、裂缝,局部裂缝会沿层理扩展,表明此时破坏模式主要由基岩控制;当层理倾角=30时,试件沿层理破坏,表明此时破坏模式由层理控制;当层理倾角=60时,试件先后在基岩和层理中产生裂缝,这些裂缝扩展交汇形成岩石破坏时的主裂缝,表明此时破坏模式由基岩和层理共同控制;当层理倾角=90时,试件端面以一定角度开裂,并扩展贯通,最后产生贯穿基岩的裂缝,表明此时破坏模式又回归到由基岩控制。1.2微观结构分析对单轴压缩后的碎屑进行 SEM 电镜扫描和XRD 衍射实验,得到图 2 结果。图 2a、图 2b 分别为红页岩基岩和层理部分在标度为 200 nm 时电子显微镜下的微观样貌,从图中可以看出,红页岩具有明显的片状结
19、构,相邻片状之间存在一定间隙。层理和基岩微观结构都具有齿状结构,微观上相互咬合固结,形成宏观层理基岩相间的红页岩。图 2c 为基岩 XRD 衍射图(图中百分数为矿物的质量分数),由图可知,基岩中占比最大的 2 种矿物成分为石英 SiO2(质量分数为39.48%)和白云母(质量分数为 49.51%),其他含量较少的有方解石、方钠石和赤铁矿,控制基岩宏观力学特性的主要是高含量矿物石英和白云母。图 2d 为层理 XRD 衍射图,高含量矿物种类及含量和基岩中一样,微量矿物比基岩中多,力学性质同样由石英和白云母控制。2细观破坏数值计算通过 1.2 节分析表明,层理为红页岩的弱面,具有齿状结构,与基岩成型
20、时能相互咬合固结,基岩和层理各主要矿物成分和含量基本一致。文献 13,16 在采用 PFC 模拟岩石材料时,表明平行胶结模型能够较好地反映岩石材料的力学特性。基于此,采用平行胶结模型来模拟层状红页岩细观破坏特性,层理部分选用力学参数较弱的平行胶结模型。2.1模型构建在 PFC3D中生成直径 50 mm、高度 100 mm 的标准试样,颗粒与墙体之间采用线性模型,颗粒与颗粒之间采用平行胶结接触模型,颗粒半径采用随机分布,最小半径为 0.8 mm,最小与最大粒径比为 23,颗粒密 10203040506070802 0004 00002 0004 0006 0008 000 衍射曲线 计算曲线 误
21、差曲线衍射角/()(c)基岩图谱衍射强度/(a.u.)赤铁矿3.07%石英39.48%方解石4.07%方钠石3.87%白云母49.51%10203040506070802 0004 00002 0004 0006 00010 0008 000 衍射曲线 计算曲线 误差曲线衍射角/()(d)层理图谱衍射强度/(a.u.)赤铁矿石英方解石方钠石白云石0.07%40.32%3.24%3.11%4.23%白云母 46.54%绿泥石 1.40%金红石 1.17%200 nm200 nm(a)200 nm基岩(b)200 nm层理图 2 红页岩微观结构及 XRD 衍射图谱Fig.2 Microstruct
22、ure and XRD diffraction pattern of red shale 106 煤田地质与勘探第 51 卷度为 2 505.9 kg/m3,阻尼系数为 0.7。基于上述参数,以 60层理倾角为例,生成 31 967 个颗粒(其中基岩26 173 个,层理 5 794 个),平行胶结接触 107 997 个。采用位移控制加载方式,位移速率 v 为 0.000 5 m/s。图 3 为层理倾角=60时的数值模型试样。100 mm50 mm加载板v=0.000 5 m/sv=0.000 5 m/szysssss=20 mm,d=1.8 mm,=60ddddd胶结弹性模量18.0 GP
23、a胶结弹性模量10.8 GPa基岩层理注:x 和 y 分别为模型宽度方向和高方向;s 为层理间距;d 为层理厚度;为层理倾角。图 3 =60数值模型试样Fig.3 Schematic diagram of numerical model sample(=60)2.2细观参数标定根据单轴抗压实验情况,采用试错法,对细观参数进行标定,主要过程如下:建立层理倾角 0、30、60、90数值试样,赋予层理和基岩初始弹性模量,并对模量进行反复试验,使其与室内弹性模量一致。保持弹性模量不变,改变刚度比、内摩擦角及拉压比,使数值试验结果与室内实验结果相近。经过反复试验,得到红页岩细观参数见表 1,数值试验结果
24、如图 1 所示。从图 1 可知,采用表 1 中红页岩细观参数所建立的数值模型在破坏模式和强度上与室内实验高度吻合,表明选用的细观参数较为合理。表1红页岩细观参数Table1Microparametersofredshale类别线性部分胶结部分弹性模量/GPa刚度比胶结弹性模量/GPa刚度比黏聚力/MPa抗拉强度/MPa内摩擦角/()基岩18.01.518.01.5384935层理10.81.510.81.5162135 3细观破坏特性分析受现场取样条件的限制,15、45、75的层理倾角红页岩未取样成功,同时为分析不同层理倾角对红页岩数值模型破坏、裂隙演化、组构变化的影响,在上文参数标定的基础上
25、,建立除 0、30、60、90之外的 15、45、75的层理倾角模型试样,对不同层理倾角数值模型试样进行细观破坏特征分析,以期得到层理倾角影响下岩石的细观破坏规律。3.1位移场图 4 为颗粒在峰值破坏后的位移矢量图,为了清晰观测到试样内部粒子位移矢量,利用 2 个相互垂直的剖面对试样进行剖析,如图 4h 所示。图 4 中并未显示颗粒,而是位移等值线,能够定量描述试样破坏时内部颗粒的滑移情况。如图 4a、图 4b 所示,层理倾角=0、15时,粒子位移没有明显的分层,试样端部位置产生明显位移,反映低层理倾角岩石端面易发生脆性破坏,=15时,由于倾角变大,使得岩石达到峰值强度产生的脆性破坏面积相较于
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