煤Ⅰ型动态断裂裂纹扩展规律试验与数值模拟研究.pdf

第4 5 卷第1 2 期 2 0 2 0 年1 2 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5 D e c ． N o ．1 2 2 0 2 0 移动阅读 赵毅鑫，孙茬，宋红华，等．煤I 型动态断裂裂纹扩展规律试验与数值模拟研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 1 2 3 9 6 l 一3 9 7 2 ． Z H A 0Y i x i n ，S U NZ h u a n g ，S O N GH o n g h u a ，e ta 1 ．C r a c kp r o p a g a t i o nl a wo fm o d eI d y n a m i cf b c t u r eo fc o a l E x p e r i - m e n ta n dn u m e r i c a ls i m u l a t i 仰[ J ] ．J 叫m a lo fC h i n aC 蹦S o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 1 2 3 9 6 卜3 9 7 2 ． 煤I 型动态断裂裂纹扩展规律试验与数值模拟研究 赵毅鑫1 ’2 ⋯，孙茬1 ’3 ，宋红华1 ’3 ，赵士琦3 1 ．中国矿业大学 北京 共伴生能源精准开采北京市重点实验室，北京1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学 北京 煤炭资源与安全开采国家重点实验 室，北京1 0 0 0 8 3 ；3 ．中国矿业大学 北京 能源与矿业学院，北京l 0 0 0 8 3 摘要为研究冲击速度、层理角度及切缝深度对煤样I 型动态断裂裂纹扩展速度与扩展路径等断 裂特性的影响，结合分离式霍普金森压杆 S H P B 试验和基于连续一非连续单元方法 c D E M 的数 值模拟，对3 种切缝深度的直槽半圆弯曲煤样 N S C B 开展不同层理角度和多种加栽速率下的I 型 动态断裂测试与数值模拟研究。得到煤样在冲击栽荷下裂纹萌生、演化、扩展及贯通的渐进破坏全 过程，模拟与试验结果吻合较好，证明c D E M 数值模拟方法能够较好地模拟煤样I 型动态断裂从 连续到非连续的渐进破坏过程。研究表明煤样裂纹瞬时扩展速度随时问变化波动性较大，前期扩 展较快，后期扩展较慢，可将试件裂纹扩展分为高速扩展阶段和稳速扩展阶段；冲击速度对裂纹平 均扩展速度影响最大，切缝深度次之，层理角度影响最小。裂纹平均扩展速度随冲击速度增大而增 大，但渐趋于平缓，而随切缝深度增加逐级降低。并在忽略层理角度影响的情况下，得出冲击速度 与切缝深度对裂纹平均扩展速度的双因素预测模型；冲击速度越大，裂纹起裂时间越短，但其对裂 纹扩展路径影响很小。层理角度对裂纹起裂时间基本没有影响，但对裂纹扩展路径影响较大。层 理角度为0 0 和9 0 0 时，煤样裂纹最为平直，层理角度为2 2 ．5 0 ，4 5 ．0 0 和6 7 ．5 0 时裂纹较弯曲，出现沿 层理面扩展现象。 关键词直切槽半圆弯曲；裂纹扩展速度；S H P B 试验；层理角度 中图分类号T D 3 1 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 1 2 3 9 6 卜1 2 C r 犹kp r o p a g a t i o nl a wo fm o d eId y n a m i cf h c t u r eo fc o a l E x p e r i m e n ta n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n Z H A OY i x i n lt 2 ⋯，S U NZ h u a n 9 1 ”，S O N GH o n g h u a l ⋯，Z H A OS h i q i 3 1 ． 蚵J l g 研k 妇咖叮加№厶e 胁n i ，l g 矿肋料矽鲫n 阢呦’口以胍o Ⅱr c e s ，吼i M ‰沁“ 妙矿胁而I go 耐n 如蝴 弧n g ，＆孵n g1 0 0 0 8 3 ， 吼打m ；2 ．J s 缸抛研k 6 0 删吖矿‰z 胍o “r c e s 口，l ds 咖胝瓜，l g ，仇f ，m ￡，试M s 妙妒肘涮昭口，l d 死如，l o l [ 0 夥 驷增 ，＆弧n gl O 0 0 8 3 ，铂i ∞；3 ．s 如础 矿E M 夥∞d 胁n i 昭魄i ，w 矗n g ，m i ，l 口‰溉蚵妒胁眺唱口划删l ∞l c 0 缈 掰n g ，B 谢愕1 0 0 0 8 3 ，傀i ，I 口 A №c t I no r d e rt os t u d yt h ei n n u e n c eo fi m p a c ts p e e d ，b e d d i n ga n d ea n dn o t c hl e n g t ho nt h es p e e da n dp a t ho f c 瑚l c kp r o p a g a t i o no fm o d e lI d y n 砌i cf } a u c t u r i n go fc o a l ，t h es p l i tH o p k i n s o np r e s s u r eb a rt e s ta n dn u m e r i c a ls i m u l a - t i o nb a s e do nc o n t i n u u m - d i s c o n t i n u u me l e m e n tm e t h o da r ec 删e do u t ．T h en o t c h e ds e m i - c i r c u l a rb e n d i n gs p e c i m e n s w i t hd i 珏b r e n tb e d d i n ga n g l e sa n dt h r e en o t c hl e n g t h sa r ei m p a c t e du n d e rV 撕o u sl o a d i n gm t e s ．T h ew h o l ef h c t u 而n g p r o c e s sf 而mt h ei n i t i a t i o n ，t h ep m p a g a t i o nt ot h ef a i l u r eo ft h es p e c i m e ni sm o n i t o r e d ．T h es i m u l a t i o nr e 鲫l t sa l s oa g r e e w e Uw i t ht h et e s tr e s u l t s ．I ti sp r o v e dt I l a tt h eC D E Mn u m e 而c a ls i m u l a t i o nm e t h o dc a nb e t t e rs i m u l a t et h ep r o g r e s s i v e 收稿日期2 0 1 9 一I O 一0 4修回日期2 0 1 9 一1 2 一l O责任编辑陶赛D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c c s ．2 0 1 9 ．1 3 4 7 基金项目国家自然科学基金资助项目 5 1 8 7 4 3 1 2 ，5 1 8 6 1 1 4 5 4 0 3 作者简介赵毅鑫 1 9 7 7 一 ，男，河南洛阳人，教授，博士生导师。T e l 0 1 0 6 2 3 3 9 8 5 l ，E m a i l z h a o ” c u m t b ．e d u ．c n 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 f 萄l u r ep r o c e s so fc o a l1 ．r o mc o n t i n u o u st od i s c o n t i n u o u s ．T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et l I a tt h ei n s t a n t a n e o u sc r a c k p r o p a g a t i o ns p e e do fc o a Js p e c i m e nn u c t u a t e sg I ．e a t l y ，a n dt h ec m c kp I ．o p a g a t i o ni sf a s ta tt h ee a r l ys t a g ea n ds l o wa t t h el a t e rs t a g e ．T h ec 1 ．a c kp I ．o p a g a t i o no ft h es p e c i m e nc a nb ed i v i d e di n t oah i g h - s p e e de x p a n s i o np h a s ea n das t e a d y - s p e e de x p a n s i o np h a s e ．T h ei m p a c ts p e e dh a st h eg r e a t e s ti n n u e n c eo nt h ea v e r i } g ec I a c kp r o p a g a t i o ns p e e d ，t h es e c o n di st h en o t c hl e n g d l ，a n dt h el e a s ti st h eb e d d i n ga n g l e ．T h ec m c kp r o p a g a t i o ns p e e di n c r e a s e sw i t ht h ei n c I ．e a s eo f i m p a c ts p e e d ，a n dt h eg r o w t hg r a d u a l l yb e c o m e sg e n d e ，a n dd e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fn o t c hl e n g t h ．I ft h ei n n u - e n c eo ft h eb e d d i n ga n g l ei si g n o r e d ，t h et w o - f a c t o rp r e d i c t i o nm o d e lo ft h ei m p a c ts p e e da n dn o t c hl e n g t ho nt h ea v e 卜 a g ec r a c kp I ．o p a g a t i o ns p e e dc a nb eo b t a i n e d ．I ti sf o u n dt h a tt h eg r e a t e rt h ei m p a c ts p e e d ，t 1 1 es h o r t e rt h ec r a c ki n i t i a t i o nt i m e ．B u tt h ei m p a c ts p e e dh a sl i n l ee f k c to nt h ec r a c kp r D p a g a t i o np a t h ．T h e ．b e d d i n ga n g l eh a sag r e a t e re f k c t o nt h ec r a c kp m p a g a t i o np a t h ．M o r e o V e r ，t h ec r a c kp r o p a g a t i o np a t hi sm o r ec u n ，e dd u et ot h ec r a c ke x p a n s i o na l o n g t h eb e d d i n g sw h e nt h eb e d d i n ga n g l ei s2 2 ．5 0 ，4 5 ．0 0a n d6 7 ．5 0 ． K e yw o r d s n o t c h e ds e m i c i r c u l a rb e n d i n g ；c m c kp r o p a g a t i o ns p e e d ；s p l i tH o p k i n s o np r e s s u r eb a rt e s t ．b e d d i n ga n g l e 近年来，随着我国浅部煤炭资源日益枯竭，深部 开采将成为煤炭资源开发中的常态，高地应力引起的 动力灾害事故也愈加频繁【l ’3J ，其本质多为煤岩体在 高应变率下的动态失稳破坏。那么煤岩体在不同受 载方式下的失稳破坏条件、裂纹扩展规律及失稳破坏 形态将显得尤为重要。因此，研究煤岩体在冲击载荷 下的动态断裂特性，特别是煤岩体在动载条件下的裂 纹扩展规律，对冲击地压等动力灾害的认识及防治具 有一定意义。 目前，关于岩石动力学研究的试验设备主要包括 轻气炮、落锤以及霍普金森杆等，其中霍普金森 杆 S H P B 加载装置因其系统稳定、原理简单、易于 操作等优点被广泛应用，国内外学者利用S H P B 装置 进行了高应变率下不同岩石试件的动态断裂特性研 究。z H A o 掣4 。5o 采用s H P B 系统研究了加载速率对 大理岩I 型断裂韧度及微观破坏机理的影响。D A I 等【6 。8 1 开展了花岗岩试样的I 型动态断裂试验，研究 了加载速率与各向异性对其断裂韧度的影响规律。 陈荣等【9 叫刮开展了s t a n s t e a d 花岗岩的s H P B 冲击试 验，研究了加载速率对试样的起裂韧度、扩展韧度和 止裂韧度的影响。可以看出，以往关于岩石动态断裂 特性的研究多集中于加载速率等因素对试样动态断 裂韧度的影响，而对岩石裂纹扩展速度和扩展形态等 裂纹扩展规律的研究相对较少。 对于裂纹扩展速度的测试手段，目前主要包括 应变片⋯】、断裂计‘1 2 1 和裂纹扩展计‘1 3 。1 4 1 等接触式测 试法；以高速摄影为基础的高速相机5 。1 7J 、高速 D I c 【1 8 。1 9 1 和动态焦散线Ⅲ1 等非接触式测试法。 z H A N G 等旧卜驯采用应变片、裂纹扩展计和高速摄影 法测试了N S C B 大理岩试样的动态裂纹起裂时间与 裂纹扩展速度，3 种方法测试结果基本一致。Z H A O 等Ⅲ1 开展了煤样三点弯曲冲击试验，采用高速摄影 法测试得出煤样的动态裂纹扩展速度为2 3 4 3 2 5 n ／s 。王兴渝等列采用裂纹扩展计研究了页岩 侧开单裂纹三角孔板构型试件动态裂纹扩展速度，得 出裂纹的扩展速度与加载速率整体上呈正相关关系。 李地元等Ⅲ省。采用数字图像相关方法 D I c 观测得 到含不同充填体预制孔洞砂岩在单轴压缩下的裂纹 损伤演化过程，并利用高速摄像机得到含不同孔洞板 状大理岩在冲击载荷作用下的拉伸裂纹和剪切裂纹 的平均扩展速度。殷志强等刈开展了不同瓦斯压力 下煤岩三点弯曲断裂试验，采用断裂计和高速相机得 出随瓦斯压力增加煤样裂纹初始扩展速度显著增加。 综上所述，以往研究多为单一因素对岩石裂纹扩展速 度的影响规律，系统研究切缝深度与层理角度等内部 因素和冲击速度等外部因素对层理煤岩动态断裂裂 纹扩展速度的共同影响作用则鲜有报道。此外，由于 非接触式测试法对岩石裂纹扩展速度同样具有良好 适用性9 2 ，且为同时获得试样裂纹扩展过程及裂 纹扩展形态，本试验选取最常用的直切槽半圆弯曲试 件 N S C B Ⅲj ，并采用高速相机进行实时拍摄与后期 图像处理来获取煤样裂纹扩展速度与裂纹扩展形态。 因此，笔者结合分离式霍普金森压杆试验和基于 连续一非连续单元法的数值模拟，对3 种切缝深度的 N S C B 煤样开展了不同层理角度和多种加载速率下 I 型动态断裂特性的试验研究与模拟分析，得到了煤 样动态断裂裂纹的萌生、演化、扩展及贯通的渐进破 坏过程。同时，使用高速摄像机结合数值模拟方法， 研究了冲击速度、层理角度及切缝深度对煤样的裂纹 扩展速度及裂纹扩展路径的影响规律。 1 煤样动态断裂试验 1 ．1 原煤样品 试验样品为山西忻州窑矿1 l 号煤层的烟煤，其 万方数据 第1 2 期 赵毅鑫等煤I 型动态断裂裂纹扩展规律试验与数值模拟研究 3 9 6 3 弹性模量为2 ．3 8G P a ，泊松比为0 ．3 8 ，密度为 13 0 lk ∥m 3 ，单轴抗压强度为2 7 ．6 4M P a ，抗拉强度 为1 ．7 5M P a ，黏聚力为7 ．8 5M P a ，内摩擦角为 3 2 ．6 4 。。 试验前首先选取一大块完整度较好的煤块，然后 平行于层理面钻取直径为5 0m m 的圆柱体，再垂直 于层理面将圆柱体切割为厚度为2 5m m 的圆盘。随 后将圆盘按照试件中心线与层理面夹角分别为0 。， 2 2 ．5 。，4 5 ．0 。，6 7 ．5 。和9 0 ．0 。加工为5 种半圆盘试样， 然后在半圆盘试样底部中心垂直于底面切割宽度为 1 m m ，深度分别为4 ，7 和1 0m m 的直切槽，再用 0 ．1m m 厚度的金刚石线锯处理切槽尖端。最后，打 磨半圆盘端面确保不平整度在0 ．0 lm m 范围内，并 用0 ．1m m 厚度的金刚石线锯处理切槽尖端。加工 完成的N S C B 试样示意图如图l 所示，其中切缝深度 。分别设置4 ，7 ，1 0m m ，支座间距S 为3 0m m ，半径尺 为2 5m m ，厚度B 为2 5m m ，可知无量纲切缝深度 “ 切缝深度与试样半径的比值，Ⅱ／R 分别为0 ．1 6 ， 0 ．2 8 ，0 ．4 0 ，支座问距5 与直径D 的比值为0 ．6 。层 理角度p 为试件中心线与层理面之间的夹角，试样按 层理角度分为5 组，依次为0 。，2 2 ．5 。，4 5 ．0 。，6 7 ．5 。和 9 0 ．0 。，见表1 。试样以2 2 4 5 的形式进行编号，2 2 表示层理角度为2 2 ．5 0 ，4 表示切缝深度为4m m ，5 代 表该条件下的第5 个试样。 r 爿 J D JI r ∥一一7殇 ／辆 缴 L 爿 ] s 图l 直切槽半圆弯曲试样 F i g ．1 N S C Bc o a ls p e c i m e n 表1煤岩试件裂纹平均扩展速度 T a b l e1A V e r a g ec r a c ks p e e do fc o a lspecimenⅡ∥s 试件冲击裂纹平均试件冲击裂纹平均试件冲击裂纹平均 编号速度扩展速度编弓‘速度 扩展速度 编号速度扩展速度 O 一4 9 3 ．8 6 69 2 ．6 79 0 一4 73 ．9 6 71 1 3 ．3 39 0 一1 0 一l4 ．2 8 29 】．0 l O 一4 73 ．9 8 81 0 2 ．5 59 0 一7 ～24 ．0 0 91 3 9 ．4 29 0 1 0 一64 ．2 5 21 1 8 ．6 2 O 一7 13 ．8 7 91 1 0 ．8 89 0 7 43 ．9 8 29 3 ．6 l0 ～4 25 ．2 1 21 5 6 ．0 2 O 一7 43 ．8 l88 1 3 39 0 7 53 ．9 4 3 1 3 6 ．8 5 O 一4 45 ．2 5 l 1 5 7 ．3 l 0 一1 0 一l39 4 5 9 6 ．2 79 0 一1 0 33 ．8 7 87 40 30 4 652 1 01 4 4 ．3 3 0 一1 0 238 3 87 4 ．4 39 0 1 0 一43 ．9 4 58 50 20 4 一l O5 ．2 0 71 9 0 ．0 6 2 2 4 13 ．8 4 35 08 l9 0 一l O 一53 ．8 1 19 6 ．1 30 7 75 ．2 3 21 2 31 0 2 2 4 33 ．8 9 l1 9 4 ．8 I9 0 一1 0 一83 ．8 5 81 0 51 10 7 85 ．2 4 21 2 13 6 2 2 4 83 ．8 8 7 1 3 5 ．7 5 0 4 3 4 ．6 8 11 2 2 ．6 5O 一7 92 ．3 9 51 6 2 ．3 2 2 2 4 93 ．9 9 51 1 4 ．3 1O 一7 54 ．5 5 41 5 3 ．7 0O 一7 一l O5 ．2 5 01 2 0 ．3 5 2 2 7 一l3 ．0 4 87 9 ．6 3O 一7 64 ．7 5 49 9 ．7 30 一1 0 55 ．2 3 21 4 3 ．6 9 2 2 7 23 ．1 4 58 1 ．9 5O 一1 0 34 ．5 0 28 1 ．9 0O 1 0 652 1 28 8 ．6 4 2 2 7 43 ．7 4 01 2 8 ．4 4 一1 0 44 ．4 7 61 0 9 ．4 2O 一1 0 853 3 91 3 9 ．7 7 2 2 7 93 ．8 6 47 8 ．2 42 2 7 84 ．5 3 7 1 2 0 ．4 1O 一1 0 一95 ．6 5 l1 1 4 ．9 5 2 2 一1 0 8 3 ．8 5 91 1 4 ．4 92 2 一l O 一54 ．5 1 77 1 ．5 32 2 7 75 ．2 6 21 1 4 ．2 0 2 2 一1 0 939 0 99 4 ．2 74 5 4 54 ．4 5 71 9 95 52 2 1 0 一75 ．3 4 19 2 ．7 6 4 5 4 23 ．7 1 29 3 ．6 94 7 7 14 ．5 3 81 1 9 ．0 74 5 4 65 ．3 2 61 4 08 3 4 5 4 一l39 0 21 5 9 ．9 54 5 1 0 244 7 61 1 5 ．0 44 5 1 0 45 ．3 0 51 8 6 ．2 8 4 5 7 239 0 88 5 ．3 74 5 一l O 一84 ．5 0 21 1 1 ．5 34 5 1 0 55 ．3 9 I1 2 4 ．3 4 4 5 7 83 ．6 3 81 5 0 ．3 76 7 7 145 2 71 7 2 ．2 04 5 1 0 95 ．3 2 31 1 9 ．8 6 4 5 7 93 ．5 9 11 9 5 ．5 36 7 7 44 ．6 7 61 6 40 66 7 4 653 1 31 5 1 ．7 9 4 5 一l O l39 6 81 1 8 ．4 76 7 一l O 一245 4 51 3 8 ．9 46 7 4 一】O5 ．3 4 22 4 4 ．8 7 4 5 一1 0 63 ．9 1 81 3 6 ．9 69 0 4 246 5 19 1 ．2 76 7 7 65 ．2 2 72 3 0 ．0 1 6 7 4 一l3 ．9 7 l1 1 97 19 0 4 845 9 92 3 29 96 7 7 1 153 0 31 1 5 ．0 3 6 7 7 738 4 71 3 1 ．0 99 0 7 一l4 ．5 0 79 8 ．5 76 7 7 一1 25 ．3 0 01 8 7 ．3 2 6 7 7 93 ．8 2 79 5 ．0 09 0 7 34 ．1 2 75 8 ．8 49 0 4 35 ．3 8 51 3 4 ．3 6 9 0 4 54 ．0 0 41 1 5 ．2 29 0 7 643 6 l8 9 ．3 99 0 一1 0 一95 ．2 6 l1 3 1 ．0 2 9 0 4 63 ．9 7 82 0 0 ．3 7 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 1 ．2 试验设备与试验设计 采用咖5 0m m 霍普金森压杆系统开展煤样I 型 动态断裂测试，系统示意如图2 所示。为获取不同加 载速率，将发射气压设定为0 ．5 0 ，0 ．5 2 ，0 ．5 4M P a 三 组，经测速仪测试，对应子弹冲击速率分别为3 ．9 ， 4 ．5 ，5 ．3m ／s 。分别对3 种切缝深度和5 种层理角度 的N s c B 煤样开展不同速度冲击载荷加载，同等条件 用于试验的试样设置3 个。并采用F A S T C A MS A l 0 1 型号光电后触发式高速摄像机记录煤样的实时破坏 过程，通过后期图像处理，研究3 个因素对煤样动态 断裂裂纹扩展的影响规律。经反复调试，最终将摄像 机拍摄分辨率设为1 2 8 2 4 0 ，图像采集速度 为9 00 0 0f p s 。 为使试样两端易于达到应力平衡，在s H P B 系统 入射杆左侧端部粘贴了黄铜圆片的波形整形器，如图 2 所示。图3 为3 种冲击速度下的典型N S c B 煤 样s H P B 加载力的平衡曲线。可以看出，在动态加载 条件下，试样两端的加载力均基本一致，表明试样在 动态破坏过程中的惯性效应可以忽略，可以采用准静 态理论进行分析，进而便于开展煤样在冲击载荷下的 裂纹扩展规律研究。 掩击杆入射杆透自，『杆 2 数值模拟 图2s H P B 试验系统 F i g ．2 S H P Bt e s ts y s t e m 2 ．1 C D E M 数值方法简介 连续一非连续单元方法 C o n t i n u u m D 毓o n t i n u u m E l e m e n tM e t h o d ，C D E M 是一种适用于模拟材料在 静、动载荷作用下非连续变形及渐进破坏的数值算 法。该方法将有限元方法与离散元方法进行耦合，在 块体内部进行有限元计算，在块体边界进行离散元计 算，不仅可以模拟材料在连续状态下及非连续状态下 的变形、运动特性，更可以很好地实现材料由连续体 到非连续体变化的渐进破坏过程。。 为了表征多裂纹的萌生、扩展及交汇贯通过程， C D E M 方法引入了虚拟裂缝的概念。虚拟裂缝位于 每个有限元单元边界上，在断裂发生之前，通过引入 法向罚弹簧及切向罚弹簧可连接两侧的实体单元，并 8 0 6 0 4 0 透射 入射 反射 _ ．一反射 ， 一入懿 ，t 8 0 6 0 透射 入射 反射 - ．一反射 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 透射 入射 反射 1 ．一反射 入射 图3 典型N s c B 煤样s H P B 加载力的平衡曲线 F i g ．3D y n a m i cf o l ’c eb a l a n c ec u n 憎so f 【y p i c a lS H P Bl e s l w i t hN S C Bc o a ls p e 五m e n 进行力学信息的传递；通过在罚弹簧上设置断裂准则 及对应的强度参数，可在虚拟界面上实现拉伸断裂过 程及剪切断裂过程；断裂发生后，虚拟界面即转化为 真实的接触界面，通过赋予相应的接触模型及接触参 数，即可对接触面的力学行为进行准确刻画1 2 8 | 。 2 ．2 模型建立与验证 数值模型如图4 所示，图4 分别对应层理角度 0 。，2 2 ．5 。，4 5 ．0 。，6 7 ．5 。和9 0 ．0 0 的试件模型。模型尺 寸与实际试样尺寸一致，即直径为5 0m m ，切槽深度 万方数据 第1 2 期 赵毅鑫等煤I 型动态断裂裂纹扩展规律试验与数值模拟f f J 『究 3 9 6 5 分别为4 ，7 ，1 0m m ，块体忾径0 ．5n n ，每个模型f “约 95 0 0 个i 角形单兀构成．模型由块体单元和单，亡接 触而组成，单元接制I 面为块体与块体之问的接触嘶。 块体单元的物理力学参数均为煤样的实际参数，块体 单／『已接触『f f 』分为丝质接刖I 而和层删接劁l f 面，通过刈‘层 理接触面进行强度折减来实现层理的弱化效J 、证h ， 即在层理接触面i 殳置弱于基质接触面的物理力。、≯参 数．考虑到研究霞点为试样的裂纹扩展规律，H 模型 断裂能与接触面参数无法从试验r l ，准确获取。冈此， 笔并结合以往研究，通过凋节单 『已断裂能与单元接触 面参数，埘模型裂纹扩展形态’j 试验结果进行校 正，并采用模型的裂纹扩展速度与试验结果进行验 证u ，最终确定模型 I 体力。、≯参数见表2 ， 【冬14 直槽、f j 【f j j I 弯㈣煤样数f l I [ 摸，列 F i g ．4 NL l n l e r “’a l1 1 1 fJ 1 P l s ‘’f N S C B ‘ } n l8 p P ‘i 1 1 表2 煤样数值模型细观参数 T a b I e2P a r a m e t e r s fn u m c r i c a lm o d e Io fc o a ls a m p l e s 根据M A H A B A D I 等”。。“i 所提f f { 的一种模拟霍 普会森压杆动态的简化加载方法，本文在N s c B 数值 模 I 』底部两支座处进行法向约束，顶部施加速度载荷 ” ， 来模拟s H P B 实验系统的冲。{ 载荷 一墨墨≯ ㈩ 其一h ”。．为所施加动态速度，m ／s ；￡为应力波在试样 。W 擘播1 次所用的时问，s “，为试样两端达到』1 证力平 衡所需要的上升时间，通常为应力波在试样中传播5 次或更多次所需要的时州| ”1 。根据应力波在试样中 的传播速度c 。 √E 。／p 。 E 。，p 。分别为试样的弹性 模鲢和密度 1 7 ，经过计算本试验所用煤样的应／，J 波 传播速度c 、 l3 5 0m ／s ，然后根据试样的长度即试 样半径2 5m ，n 即J ‘得出J 、证力波存试样r | 1 f 专播1 次所 用时间￡为1 8 ．5 s 。p ；I 此，对所有模，1 4 ￡。，统一取 1 0 0 斗s ￡。， 5 ￡ 。通过改变“ 。I 的大小即I I J ‘实现／f i 旧冲 i } - - 速度的加载条件，达到研究冲．| - ．速度对层理煤样的 动态断裂裂纹扩腱影响规律的的。J 占于以卜i 殳定 条件，开腱了2 ～7m ／s 的6 种冲．h 速度，0 。～9 0 。的5 种层理角度及4 ～1 0H 的3 科卜切缝深度的动念断 裂数值模拟 3 试验和模拟结果对比分析 3 ．1 煤样的渐进破坏过程 图5 为N s c B 数值模J 刊的典制载荷一时问“线， 以冲i Ⅱ速度为4t u ／s 的6 7 4 试验情况进行说明。J ‘ 以看⋯，峰前阶段与低应变二瞽下准静态加载条件规f | 相同，即试样载荷经过』K 密、弹性和J f “{ J J 艮后达到峰仇， 而峰后阶段并非与准静态条件下表现_ I { { 的睡区下跌 相同，m 是经过较长日、J ‘问的峰后破坏阶段，表明煤样 在高』、V 变率加载与低』、证变二棼加载下的断裂特一陀具竹 显著的差异。 为研究试样在冲击载荷F 裂纹的消生、演化、扩 展及贯通的渐进破坏过程，罔6 给“jJ ，1 j 斟5 对应的 5 个时刻裂纹扩展吲、最小主应力H 、损伤演化图和 相同试验条件下煤样r f 实的裂纹扩展图。r J 『以看Ⅲ， 模拟结果与试验结果吻合度较好，5 个时刻郡代表r 图5载荷一1 1 寸问曲线 加载速发4n ∥s ，样1 1 f t 编l j 6 7 4 } ’i g ．5 IJ l J a 1 一t i n l ec L I r v P I ．‘ a { I i “gs p e P I 4 1 ／s ，s d l l l p J e 1 1 l l ⋯1 e r 6 7 4 万方数据 3 9 6 6 煤炭学报 试样渐进破坏的典型时刻，均具有不同的演化特 征， a 起始损伤点该时刻试样并没有产生裂纹，但 在试样顶端与切缝尖端开始f f j 现拉伸损伤 绿色代 表拉伸损伤，红色代表剪切损伤 ，这是因为试件顶 端受到了较大压应力，而切缝尖端受到较大拉应 力； b 裂纹起裂点该时刻处于弹性阶段初期，由于 切缝尖端拉应力逐渐变大，损伤程度逐渐加大，所以 导致裂纹首先在切缝尖端起裂。损伤沿试件中心线 逐渐向上扩展，同时在底部支愿处与层理处开始出现 圈 士 4 四 1 8 ．o 皇 3 8 ．o 妄 5 7 ．0 目 拉伸损伤； c 峰值载荷点该时刻试样的强度达到 最大，但裂纹依然没有贯穿。表现为损伤区域逐渐扩 大，裂纹继续向上扩展。此外，底部支座因应力集中， 而此时承受压应力也为最大，所以在支座处开始出现 由压应力产生的剪切型损伤； d 峰后破坏点由于 裂纹依然没有贯穿试样，所以试样在该阶段依然具有 一定承载能力； e 裂纹贯穿点该时刻损伤程度达 到最大，裂纹贯穿试样顶部，试样达到最终的完全破 坏，承载能力几乎完全丧失．． 2 9 2 9 o 皇 6 30 譬 9 6O 目 3 ．、， 订 6 3 ．o 墨 ≥ 叫3 m o 裔 一】9 0 ．O 4 ．1 ≈ 3 5 ．o 曼 ≥ 7 5 o 裔 | l OO 5 一 西 8 ．6 皇 一2 2o 毒 3 60 倒 图6不同时刻的裂纹扩展过程、最小主心力、损伤演化和试验结果 加载速度4r Ⅱ／s ，样品编0 6 7 4 F i g ．6 C r a t kp r o p a g a “‘ np l I 【’c s s ，t h en l i n i m u 『T 1I l ’i n c i p a l s ’e s s ， 1 a T T l a g ee v t 1 I n i na n t lt - x p e r i H 】c n I a lr e s u | It fs p e 。 L a “1 1 98 p P e 1 4r r ∥s ，S a n l p l e 1 1L l l l l b e r 6 7 4 3 ．2 裂纹扩展速度分析 根据z H A N G 等1 1 卜m 引采川的处理方法，将高速 相机获取的裂纹扩展图片进行处理，得出试件在不同 时刻裂纹尖端扩展的位移，进而得到裂纹的瞬时扩展 速度与平均扩展速度。 3 ．2 ．1 裂纹瞬时扩展速度 图7 为典型试件瞬时裂纹扩展长度、速度和加 速度随时问变化的处理结果，其中0s 为裂纹起裂 时刻左右。町以看出，试验结果与模拟结果基本吻 合，试件裂纹瞬时扩展速度分布在0 ～4 5 0m ／s ，且 具有较强的波动性。一方嘶由于煤岩材料的非均 质。陀，裂纹在扩展过程中遇到的基质颗粒大小不 同，区域硬质程度不同；另一方面由于应力波在试 件内部的反复传播，对裂纹尖端的扩展起到了促进 和抑制作用”。。但町以发现，裂纹总体f 在前期扩 展较快，可达到4 0 0 ～4 5 0m ／s 。后期扩展较慢，维 邓簟邮一 万方数据 第1 2 期赵毅鑫等煤I 型动态断裂裂纹扩展规律试验与数值模拟研究 持在2 0 0t n ／s 以下。可能因后期受到反射应力波的 抑制作用，同时在图中可以看出裂纹扩展加速度在 后期显著减小，基本在0 上下波动，即表明此时的 2 5 2 0 E E