不同倾角穿层裂隙组合岩石力学性能及破坏特征研究

摘要

煤矿开采过程中，覆岩中原生裂隙贯通是导致工作面发生水害的重要因素之一，而原生裂隙不同赋存条件又影响裂隙间贯通形态，研究不同形态原生裂隙间破坏贯通方式对揭示工作面突水机理尤为重要。采用MTS816岩石力学剪切试验机开展了不同倾角裂隙组合岩石单轴压缩试验，研究了岩样破坏过程中应力-应变、峰值强度及能量耗散特征，并使用颗粒流(PFC)数值模拟软件对岩样宏细观破坏特征进行分析。研究结果表明，岩样的单轴应力-应变曲线整体呈现缓升-陡升-急降趋势，当裂隙倾角为30°、60°时，曲线出现大幅度二次波动。组合岩石抗压强度受强度较弱岩石影响更为显著，岩样峰值强度与裂隙倾角呈正相关，当裂隙倾角为30°、90°时，岩样峰值强度较无裂隙组合岩石降幅分别为73.17%、21.07%;峰值应力对应耗散能转化率随裂隙倾角增大而增大，当裂隙倾角为30°时，耗散能转化率为17.52%;裂隙倾角为90°时，耗散能转化率为47.51%。应力峰值点对应损伤变量D为0.252,岩样峰前损伤程度较小，峰后阶段耗散能占比急剧增大，岩样损伤程度大幅增加；不同裂隙倾角组合岩石均发生以拉伸破坏为主的“倒Y”型拉-剪混合破坏，且不同裂隙倾角岩样破坏过程可分为裂纹萌生、预制裂隙贯通、裂纹扩展及岩样破坏4个阶段。岩样不同倾角裂隙间的贯通与岩体断裂韧性及应力强度因子有关，且随裂隙倾角增大，岩样破坏时产生裂隙数量增多，预制裂隙贯通方式分为裂隙相邻尖端贯通、裂隙对角尖端贯通、两裂隙近接触面与裂隙尖端贯通3种类型。

关键词

组合岩石 / 裂隙倾角 / 力学行为 / 能量耗散 / 破坏特征