煤岩破坏裂纹演化特征及本构模型研究
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2.1 颗粒流简介 颗粒流程序（PFC）是基于 Cundall 离散单元
法发展起来的数值模拟新技术 [2]，它从介质的基本 粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性。平行黏 结 PFC 模型在模拟岩石试件细观损伤研究方面具有 独特的优势，试件在外部荷载的压缩作用下，内部 颗粒相互挤压，导致颗粒体之间的相对位移发生变 化并且不断发生旋转，伴随着张拉裂纹和剪切裂纹 的不断萌生和扩展贯通。PFC 可以利用软件自带的 FISH 语言实现对裂纹的实时监控。 2.2 颗粒流煤岩模型
在数值模拟运行之前，需要对模型所需参数进 行校核。在此过程中，需要进行一系列与室内试验
2019 年第 10 期
165
或现场条件类似的模拟试验，并将模拟结果与室内 试验或现场原位测试结果进行对比，采用“试凑法” 反复调节文采用文献 [3] 的参 数进行数值试验，该文献中选取某矿区煤岩标准尺 度单轴压缩力学参数作为颗粒流程序的参考依据， 通过“试凑法”反复校核对比，认为表 1 的细观物 理力学参数较接近真实煤岩体的宏观力学参数。校 核后，颗粒流模型的应力 - 应变曲线（见图 1）与 室内试验吻合性较好。
Qingdao 266590)
Abstract: In this paper, the evolution characteristics of cracks in the process of coal-rock damage and fracture were discussed by means of the mesoscopic granular flow PFC2D software platform. Then the constitutive model of coalrock damage evolution was analyzed based on the crack characteristics. The results show that the crack propagation process is different in different stages of coal-rock damage, and the occurrence of crack mainly concentrates on the stage before and after the peak value. Stress-strain curve fitting by damage constitutive equation of coal-rock under uniaxial compression based on parameters of crack have good consistency with the actual numerical curve. Key words: coal-rock particle flow crack constitutive model
表 1 颗粒流煤岩细观物理力学参数
参数
量值
参数
量值
最小粒径 /mm
0.3
孔隙度
0.1
粒径比 密度 /(kg/m3) 颗粒接触模量 /GPa
1.66
摩擦系数
0.46
1800 平行黏结抗拉强度 /MPa 10
1.0
平行黏结变形模 /GPa 12 平行黏结粘聚力 /MPa 16
在 0-A 阶段，没有产生裂纹。实际煤岩体中在 此阶段会存在大量的原生裂隙，但在颗粒流煤岩试 件忽略了原生裂隙的影响。在颗粒流程序中，微元 颗粒为刚性球体，不可压缩变形，颗粒与颗粒之间 通过键连接，没有初始损伤。
Study on Crack Evolution Characteristics and Constitutive Model of Coal-rock Failure Wu Xiao1,2 Xing De-dong1 Zhang Xing-yuan1
(1.Yangcun Coal Mine Yanzhou Mining Group ,Shandong Jining 272000; 2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Shandong
收稿日期 2019-05-13 作者简介 吴晓（1990-），男，山东济宁人，毕业于山东科技 大学采矿工程专业，本科，现任兖州矿业集团杨村煤矿技术员。
细观颗粒流 PFC2D 软件平台建立煤岩单轴压缩模 型，模拟了煤岩破坏裂纹演化特征，并基于裂纹特 征分析了煤岩损伤演化本构模型。
2 基于颗粒离散元法的煤岩试件
164
2019 年第 10 期
煤岩破坏裂纹演化特征及本构模型研究
吴晓 1,2 邢德栋 1 张兴远 1
（1. 兖州矿业集团杨村煤矿，山东 济宁 272000； 2. 山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）
摘 要 本文借助细观颗粒流 PFC2D 软件平台探讨了煤岩损伤破坏过程中裂纹演化特征，基于裂纹特征分析了煤岩损伤 演化本构模型。研究结果表明：在煤岩损伤各阶段，裂纹的扩展演化过程不同，裂纹的出现主要集中于峰值前后的阶段。 基于裂纹参量特征的煤岩单轴压缩损伤本构方程拟合的应力 - 应变曲线与实际数值曲线具有良好的一致性。 关键词 煤岩 颗粒流 裂纹 本构模型 中图分类号 TU452 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2019.10.065
1 引言
随着矿井开采深度和强度的不断提高，与煤岩 失稳破坏相关的矿井动力灾害事故日趋严重。煤岩 是由多种大小、形状各不相同的矿物颗粒组成，并 由一定的胶结物质黏结在一起。在外部荷载作用下， 煤岩内部的原生裂隙不断演化，新生裂隙不断萌生 和发展，煤岩内部不断产生损伤，导致岩体宏观破 裂失稳。因此有必要研究煤岩体的失稳机制，这对 于矿井冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害预防控 制具有重要意义。对于煤岩体失稳破坏机理的研究， 多数学者集中于分析煤岩的强度、声发射、能量演 化特征规律 [1]，但很少有研究煤岩的裂纹演化规律， 并基于此分析煤岩体的损伤机制。因此，本文借助
法发展起来的数值模拟新技术 [2]，它从介质的基本 粒子结构的角度考虑介质的基本力学特性。平行黏 结 PFC 模型在模拟岩石试件细观损伤研究方面具有 独特的优势，试件在外部荷载的压缩作用下，内部 颗粒相互挤压，导致颗粒体之间的相对位移发生变 化并且不断发生旋转，伴随着张拉裂纹和剪切裂纹 的不断萌生和扩展贯通。PFC 可以利用软件自带的 FISH 语言实现对裂纹的实时监控。 2.2 颗粒流煤岩模型
在数值模拟运行之前，需要对模型所需参数进 行校核。在此过程中，需要进行一系列与室内试验
2019 年第 10 期
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或现场条件类似的模拟试验，并将模拟结果与室内 试验或现场原位测试结果进行对比，采用“试凑法” 反复调节文采用文献 [3] 的参 数进行数值试验，该文献中选取某矿区煤岩标准尺 度单轴压缩力学参数作为颗粒流程序的参考依据， 通过“试凑法”反复校核对比，认为表 1 的细观物 理力学参数较接近真实煤岩体的宏观力学参数。校 核后，颗粒流模型的应力 - 应变曲线（见图 1）与 室内试验吻合性较好。
Qingdao 266590)
Abstract: In this paper, the evolution characteristics of cracks in the process of coal-rock damage and fracture were discussed by means of the mesoscopic granular flow PFC2D software platform. Then the constitutive model of coalrock damage evolution was analyzed based on the crack characteristics. The results show that the crack propagation process is different in different stages of coal-rock damage, and the occurrence of crack mainly concentrates on the stage before and after the peak value. Stress-strain curve fitting by damage constitutive equation of coal-rock under uniaxial compression based on parameters of crack have good consistency with the actual numerical curve. Key words: coal-rock particle flow crack constitutive model
表 1 颗粒流煤岩细观物理力学参数
参数
量值
参数
量值
最小粒径 /mm
0.3
孔隙度
0.1
粒径比 密度 /(kg/m3) 颗粒接触模量 /GPa
1.66
摩擦系数
0.46
1800 平行黏结抗拉强度 /MPa 10
1.0
平行黏结变形模 /GPa 12 平行黏结粘聚力 /MPa 16
在 0-A 阶段，没有产生裂纹。实际煤岩体中在 此阶段会存在大量的原生裂隙，但在颗粒流煤岩试 件忽略了原生裂隙的影响。在颗粒流程序中，微元 颗粒为刚性球体，不可压缩变形，颗粒与颗粒之间 通过键连接，没有初始损伤。
Study on Crack Evolution Characteristics and Constitutive Model of Coal-rock Failure Wu Xiao1,2 Xing De-dong1 Zhang Xing-yuan1
(1.Yangcun Coal Mine Yanzhou Mining Group ,Shandong Jining 272000; 2. College of Mining and Safety Engineering, Shandong University of Science and Technology, Shandong
收稿日期 2019-05-13 作者简介 吴晓（1990-），男，山东济宁人，毕业于山东科技 大学采矿工程专业，本科，现任兖州矿业集团杨村煤矿技术员。
细观颗粒流 PFC2D 软件平台建立煤岩单轴压缩模 型，模拟了煤岩破坏裂纹演化特征，并基于裂纹特 征分析了煤岩损伤演化本构模型。
2 基于颗粒离散元法的煤岩试件
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2019 年第 10 期
煤岩破坏裂纹演化特征及本构模型研究
吴晓 1,2 邢德栋 1 张兴远 1
（1. 兖州矿业集团杨村煤矿，山东 济宁 272000； 2. 山东科技大学矿业与安全工程学院，山东 青岛 266590）
摘 要 本文借助细观颗粒流 PFC2D 软件平台探讨了煤岩损伤破坏过程中裂纹演化特征，基于裂纹特征分析了煤岩损伤 演化本构模型。研究结果表明：在煤岩损伤各阶段，裂纹的扩展演化过程不同，裂纹的出现主要集中于峰值前后的阶段。 基于裂纹参量特征的煤岩单轴压缩损伤本构方程拟合的应力 - 应变曲线与实际数值曲线具有良好的一致性。 关键词 煤岩 颗粒流 裂纹 本构模型 中图分类号 TU452 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2019.10.065
1 引言
随着矿井开采深度和强度的不断提高，与煤岩 失稳破坏相关的矿井动力灾害事故日趋严重。煤岩 是由多种大小、形状各不相同的矿物颗粒组成，并 由一定的胶结物质黏结在一起。在外部荷载作用下， 煤岩内部的原生裂隙不断演化，新生裂隙不断萌生 和发展，煤岩内部不断产生损伤，导致岩体宏观破 裂失稳。因此有必要研究煤岩体的失稳机制，这对 于矿井冲击地压、煤与瓦斯突出等动力灾害预防控 制具有重要意义。对于煤岩体失稳破坏机理的研究， 多数学者集中于分析煤岩的强度、声发射、能量演 化特征规律 [1]，但很少有研究煤岩的裂纹演化规律， 并基于此分析煤岩体的损伤机制。因此，本文借助