基于竖向位移差的块系岩体超低摩擦效应理论分析

李利萍1,李卫军1,潘一山2

(1.辽宁工程技术大学 力学与工程学院,辽宁 阜新 123000; 2.辽宁大学 物理学院,辽宁 沈阳 110036)

摘 要:深部块系岩体在强冲击扰动下其相对压紧程度会随时间变化,引起超低摩擦效应,而块体间竖向位移差是表征块体间相对压紧程度的直观指标。以块系岩体为研究对象,建立了考虑上覆岩层压力的岩体动力模型,推导得出垂直冲击作用下新的块体间竖向位移差公式并与试验结果进行了对比,验证了理论公式的正确性。最后分析了块体间阻尼、块体质量、垂直冲击幅值和频率等影响因素对相邻两块体间竖向位移差影响规律并以其最小值变化判断超低摩擦效应发生难易程度。竖向位移差最小值越小,超低摩擦效应愈趋显著。研究表明:块体模型受垂直冲击扰动作用时,块体在时间尺度上依次发生强迫振动和自由振动,而其运动过程按竖向位移差变化可分为超强挤压、强挤压、弱挤压和相互脱离4个阶段,相互脱离阶段和弱挤压阶段是超低摩擦效应易发阶段;块体质量、结构面阻尼变化对竖向位移差幅值及周期有明显影响,块体间竖向位移差最小值随块体质量增加以对数规律递增、随块体间结构面阻尼增加以线性规律递增;块体质量和结构面阻尼越小,超低摩擦效应更易发生。垂直冲击频率和幅值亦对块体间竖向位移差影响显著,竖向位移差最小值随垂直冲击载荷幅值增加而线性递减,随垂直冲击频率增加以对数规律递增,即低频、强冲击扰动更易诱发超低摩擦型冲击地压。

关键词:岩石力学;超低摩擦效应;块系岩体;竖向位移差;动力载荷

随着能源需求量逐年增加,地下开采深度和强度越来越大。深部条件下地质环境愈趋复杂,在高地应力和开采强扰动条件下(动、静态应力叠加致灾原理[1]),极易发生超低摩擦效应,进而诱发超低摩擦型冲击地压等突发性工程动力灾害。如:辽宁红阳三矿冲击地压现场观察到巨量煤岩整体向巷道滑移达1~3 m,这种现象极可能是由高地应力状态下煤岩超低摩擦效应诱发的。

所谓超低摩擦效应,即在动载作用下,当冲击作用力的能量达到一定水平时,会在互相作用的块体间产生摩擦“消失”效应[2]。岩体超低摩擦理论最早由国外学者KURLENYA和OPARIN[3-5]提出并通过试验验证了其存在。ALEKSANDROVA和SHER[6-8]建立了一维块系介质模型并对应变波传播进行了实验及理论研究,发现波的传播速度和衰减程度在很大程度上取决于中间材料的黏性。RUTTER等[9]通过实验研究软弱夹层对断层泥摩擦效应的影响,发现软弱夹层对断层超低摩擦滑动起重要作用。MARK[10]认为,采矿活动及矿震等动力作用下,煤体可能会因“失去约束”而导致冲击地压等灾害发生。

国内,钱七虎院士[11]指出超低摩擦效应是深部开采中的关键科学问题以来,我国学者对超低摩擦效应发生机理和规律进行了大量研究。理论方面:王明洋等[12-13]对具有构造等级的岩体介质在变形过程中的储能性状进行了理论研究,分析其特点对块系介质动力变形与稳定性影响规律。王洪亮[14]、吴昊[15-17]等建立了深部块系岩体一维动力模型,给出了工作块体加速度及水平位移解析式。潘一山等[18-20]从摆型波传播动力模型角度,通过相邻块体间相对位移在拉伸方向的最大值给出了相邻块体间超低摩擦倾向判据,同时指出块系岩体中的动力传播还存在岩块间的“超强挤压”现象。蓝一凡[21]引入转角自由度,建立深部岩体的二维非连续块模型,发现在二维矩形隧洞围岩中存在超低摩擦现象。实验方面:崔永权等[22]研究侧向应力扰动对断层摩擦影响,发现应力降大幅度增加意味着侧向应力的小幅度扰动可能会引起“低摩擦”现象出现。王洪亮[14]、王德荣[23]、许琼萍[24]、吴昊[15-17]等基于Kurlenya的超低摩擦实验,研制出了一套深部岩体动态特性多功能实验装置,从工作块体水平位移角度,验证了超低摩擦效应。李杰等[25-27]利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行了一维块系岩体模型波动特性和不同初应力条件下冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟研究,获得冲击扰动诱发岩块不可逆位移、动力滑移失稳的关键力学机制、规律及充要条件。李利萍等[28-29]从塑性动力学角度解释了岩体超低摩擦效应,提出超低摩擦型冲击地压这一新概念。贾宝新等[30]等研究冲击载荷下块系岩体摆型波传播特性。任晓龙[31]以具有孔状结构的层理状花岗岩块体为研究对象,研究了不同静荷载和不同扰动荷载幅值作用下超低摩擦现象。岑夺丰[32]以汶川地震为背景,对强震触发顺层滑坡的滑动面动态摩擦特性及滑动摩擦准则、滑坡震裂-启动动力学模型等从理论到实例应用的系统研究。数值模拟方面:吕家庆[33]、李利萍[34]等以花岗岩块系模型为研究对象,用FLAC3D模拟了垂直冲击和水平静力共同作用、垂直冲击和水平冲击共同作用下的动力响应。王来贵等[35]将超低摩擦效应引入地震载荷下边坡结构面的研究,得到地震载荷下结构面法向应力状态调整规律及滑体启滑机制。

国内外学者对超低摩擦效应特别是一维动力模型进行了深入分析,但所关注指标多为块体水平位移、块体竖向加速度等参数,对表征块体间相对位置情况的竖向位移差研究较少。研究中多考虑深部条件下强冲击扰动对岩体模型的影响,上覆岩层压力对岩体影响的研究极少且所得竖向位移差表达式较为复杂。为此,在查阅了大量资料,以上述专家学者对超低摩擦效应的理论和实验研究为基础,推导出含上覆岩层压力的新块体间竖向位移差解析表达式,通过块系岩体模型的垂直冲击试验验证了理论模型的正确性。理论研究了花岗岩块系模型在垂直冲击作用下,块体质量、结构面阻尼、垂直冲击幅值及频率对模型块体间竖向位移差影响规律;最后以竖向位移差最小值(块体间最大拉伸量)作为评定超低摩擦效应易发与否的指标。研究结果以期对超低摩擦型冲击地压预测和防治提供参考。

1 超低摩擦效应理论模型

超低摩擦效应理论模型的建立,多采用弹簧或者弹簧阻尼模拟软弱夹层的力学特性,并通过连接质点来建立整体模型。

1.1 模型建立及位移差公式

深部岩体由裂隙和节理等地质构造所分割,超低摩擦效应机理与块体界面动力变形特性和块系稳定性密切相关。研究深部块体介质的变形特性必须首先确定块体界面法向和切向的动力特性。因此,块体间设置弹簧和阻尼器描述块状岩体界面间软弱连接介质对能量的传递和阻滞,刚度系数为k,阻尼系数为c。此外,在前人所做工作的基础上[17-18],将块体近似为等质量刚体,建立了如图1所示的动力计算模型。图1中,块体为尺寸相同的等质量块体,垂直冲击扰动力Pv(t),作用于块体1上表面形心,方向竖直向下。其函数形式为

式中,Pv为动力载荷幅值,N;ω=2πf,其中f为动载频率,Hz;t为动力计算时间,s。

块体的运动包含2个阶段:第1阶段为在垂直冲击作用下发生的受迫振动;第2阶段为t0时刻起块体以该时刻状态为初始条件的自由振动。

图1 受垂直冲击作用块体动力模型
Fig.1 Dynamic model of block subjected to vertical impact

块体系统由n个块体垂直叠放构成,设竖直向下为正方向,则竖直方向有运动方程:

式中,m为块体质量,kg;zi为块体i的位移,m;g为重力加速度;Fv为模型垂直方向地应力合力,N。

将式(2)简化成矩阵形式,得

z=z0+y,竖向平衡位置有

Kz0=b

(4)

解得各块体初始位移为

z=z0+y,代入矩阵方程式(3),得

参考文献[8,16-17]的分析结果,得到模型中块体加速度及速度近似解为

z3/3)e-μz2zdz

(7)

式中,为弹簧刚度系数,N/m;c为阻尼系数,(N·s)/m;l为弹簧自由长度,m。

由式(7),(8)可求得各块体竖向加速度及速度,回代原方程(2)可得:

(1)2块体间竖向位移差为

(2)3块体间竖向位移差为

(3)4块体间竖向位移差为

1.2 试验验证

为便于对比分析,验证理论模型的正确性,参考文献[2,17],进行垂直冲击试验。试验冲击装置由自由落体运动的钢球以及可调节高度的支架组成,钢球质量为116 g,冲击高度分别为5,10,15,20,25 cm,块体尺寸为100 mm×100 mm×50 mm,块体质量为1.4 kg,试验模型由5块岩块沿高度方向叠放,块间无软弱夹层,在块体1上施加垂直冲击载荷。测量装置为TST-5915数据采集仪,最高采样频率为100 kHz,加速度传感器采用江苏泰斯特CA-YD-193A型三向加速度计,量程为500gZ向灵敏系数为0.989 mV/(m·s2)。加速度传感器分别粘贴在相邻岩块接触界面两侧,如图2所示。

图2 垂直冲击试验模型
Fig.2 Experimental model of vertical impact loading

理论公式中的计算参数,冲击频率及幅值由Hertz 撞击理论转化结果所得,见表1,其余参数参考文献[2]取值,l=0.005 m,k=107 N/m,c=260 N·s/m,Fv=0 N。以第3和第4块体加速度与冲击高度关系为例,将试验结果与理论模型计算结果进行了对比,如图3,4所示。

表1 Hertz 理论冲击能力学转化结果
Table 1 Mechanical transform results of impact pulse based on Hertz theory

小球高度/cm冲击能量/MJ冲击幅值Pv/N角频率ω/s-15582 816.4120 682.5101164 268.8822 166.9151745 444.6323 084.2202326 470.4123 757.9252907 397.3824 294.0

图3 第3,4块体加速度试验值与理论值对比曲线
Fig.3 Comparison of experimental values and theoretical values of the acceleration of block 3 and 4 under impact loading

图4 不同冲击高度下第3,4块体加速度试验与理论最大 最小值对比曲线
Fig.4 Comparison curves for the experimental and theoretical acceleration of maximum and minimum on block 3 and 4 under different impact heights

由图3可知,本文所得加速度理论值与试验值都会随垂直扰动而产生上下波动并最终趋于稳定状态,其变化趋势一致。由图4可以看出,不同冲击高度下,第3和第4块体加速度最大值和最小值与冲击高度间关系试验结果与理论计算结果变化特征相同,第3块体加速度试验最大值和理论最大值均与冲击高度呈线性递增关系,第3块体加速度试验最小值和理论最小值均与冲击高度呈线性递减关系,两者变化趋势一致,而第4块体加速度与冲击高度间关系同样具有相同规律,试验和理论结果更为接近。以上对比分析从试验角度验证了理论模型正确性,同时也说明单向冲击试验结果是合理和可靠的。

2 竖向位移差影响因素分析

深部块系岩体超低摩擦效应机理及相关规律还不甚明晰,实际深部采矿工程实践发现,动载作用下超低摩擦型冲击地压极易发生。以n=5时3-4块体间竖向位移差变化曲线为例,进行理论分析。参数取值同上,以小球高度10 cm组的冲击载荷幅值和频率为基础组。

2.1 块体质量影响分析

块体质量大小反映了深部岩体破碎程度,质量越大,岩体越完整,为研究块体质量大小对岩体超低摩擦效应影响,取不同质量块体(0.9,1.4,2.4,3.4,4.4,5.4,6.4 kg),研究过程中其它量保持不变。在块系岩体模型各块体质量同步变化时3-4块体竖向位移差变化曲线如图5所示(图5中,竖向位移差为正,表示块体间处于压缩状态,为负,表示块体间处于拉伸状态)。

图 5 模型块体质量同步变化时3-4块体间竖向位移差曲线
Fig.5 Vertical displacement difference curves between 3-4 blocks when the block mass changes synchronously

(1)块体振动在时间尺度上分为强迫振动阶段和自由振动阶段,振动周期随着块体质量增加而逐渐增加。按竖向位移差变化情况可分为相互脱离、弱挤压、强挤压和超强挤压4个阶段(图6),超低摩擦现象发生在相互脱离阶段和弱挤压阶段。

图6 不同冲击载荷幅值时3-4块体间竖向位移差曲线
Fig.6 Vertical displacement difference curves between 3-4 blocks under different impact loading amplitudes

由图5可知,在块系模型受到垂直冲击载荷作用后,3-4块体间竖向位移差在冲击载荷作用下发生振荡,变化形式类似于准周期正弦曲线,但幅值逐渐减小,最终达到平衡。块体运动分为两个过程,在t0=0.142 ms之前,块体做强迫振动,在t0时刻之后,块体为有阻尼自由振动,最后逐渐稳定。块体间竖向位移差最大值出现在系统强迫振动阶段。此外,块体位移差达到最值的时间亦随块体质量变化而改变,表明块体质量对纵向波的传播影响明显,其振动周期随着块体质量增加而逐渐增加。

当块体开始叠放时(块体间无压缩),其竖向位移差为0;由块体间竖向位移差公式可知,块体叠放完成时(初始状态),块体在重力作用下相互挤压,出现初始竖向位移差(img+Fv)/k;如果不考虑块体间阻尼因素,当模型受冲击作用时,其最大竖向位移差(压缩量)为(img+Fv+Pv)/k;综上所述,块体的竖向运动过程按其竖向位移差变化情况可分为4个阶段:① 当Δzi<0时,为相互脱离阶段;② 当0<Δzi<(img+Fv)/k时,弱挤压阶段;③ 当(img+Fv)/kzi<(img+Fv+Pv)/k时,强挤压阶段;④ 当(img+Fv+Pv)/kzi时,为超强挤压阶段。

超低摩擦现象发生在相互脱离阶段和弱挤压阶段,在相互脱离阶段,块体间不再受压,其水平方向摩擦力为0,只要存在任意形式侧向力,都会发生超低摩擦效应,甚至可能导致超低摩擦型冲击地压等动力灾害发生。在弱挤压阶段,当水平扰动大于块体间最小静摩擦力时,块体会发生超低摩擦效应。(设块体在超强挤压及强挤压状态和静平衡状态时不发生侧向移动)。

(2)3-4块体间竖向位移差最小值随块体质量增加程对数规律递增,块体间的相对脱离程度越来越小,即块体越破碎,质量越小,超低摩擦效应愈趋显著。

图7为3-4块体间竖向位移差最小值随块体质量变化曲线,由图7可知,随着块体质量增加,位移差最小值以对数函数规律递增,块体质量越大,其位移差最小值越大,即块体质量越大,块体间的相对拉伸量逐渐减小(脱离程度减小),此过程中超低摩擦效应越来越不易发生,这与深部条件下岩体更趋破碎、超低摩擦效应更易发生的实际情况相一致[2]

图7 3-4块体间竖向位移差最小值随块体质量变化曲线
Fig.7 Varies curve of minimum vertical displacement difference between 3-4 blocks with the mass of the block

2.2 块体间阻尼影响分析

块体间阻尼大小同样反应了块体间软弱介质性质,即块体间接触情况。为分析其对超低摩擦效应影响,阻尼系数c分别取:80,120,160,200,240,260,300,340,380 N·s/m,共9组,分析过程中其他变量保持不变。不同阻尼作用下块体间竖向位移差变化情况如图8所示。

图8 模型结构面阻尼不同时3-4块体间竖向位移差曲线
Fig.8 Vertical displacement difference curves between 3-4 blocks in different damping of structural surface

3-4块体竖向位移差随阻尼增加以线性规律递增,阻尼系数越大,超低摩擦效应越不易发生。

由图8可知,块体间结构面阻尼对模型强迫振动和自由振动阶段均有影响,但对模型自由振动阶段影响更为显著,随着阻尼系数增加,块体振动稳定所需时间显著减小,一方面表现为此阶段竖向位移差最小值随阻尼增加而增大(以线性规律递增),另一方面为竖向位移差趋于稳定时间逐渐减小。图9为3-4块体间竖向位移差最小值随块体间阻尼变化具体情况。模型在静力平衡状态时块体间竖向位移差保持为定值,在只改变块体间阻尼大小的过程中,3-4块体间竖向位移差的最小值逐渐增加,即块体间最大拉伸量随阻尼增加而逐渐递减,使超低摩擦效应发生的可能性逐渐减小。

图9 3-4块体间竖向位移差最小值随结构面阻尼变化曲线
Fig.9 Curve of minimum vertical displacement difference between 3-4 blocks with the damping of structural surface

2.3 冲击载荷幅值影响分析

冲击能量强度跟冲击载荷幅值大小密切相关。综放开采过程中区段煤柱在承受上覆岩层重力载荷的同时,也会受到回采作业的各种扰动(爆破震动、矿震、周期来压等)。在理论分析过程中改变冲击载荷幅值和频率大小以实现对冲击力大小和扰动周期的改变,研究其对超低摩擦效应影响规律。参考文献[2],冲击载荷幅值分别取:2 000,2 500,3 000,3 500,4000,4 500,5 000 N,共7组。此时,冲击频率及其他各变量为定值。模型在不同垂直冲击载荷幅值下工作块体竖向位移差变化曲线如图6所示。

3-4块体间竖向位移差最小值随冲击载荷幅值以线性规律递减,冲击载荷幅值越大,超低摩擦效应更容易发生。

由图6可知,冲击载荷幅值变化,使3-4块体间竖向位移差在强迫振动阶段和自由振动阶段的幅值均出现较大变化,但其周期保持不变。竖向位移差最小值随冲击载荷幅值增加呈线性规律变化,如图10所示。由于模型在静力平衡状态时块体间竖向位移差为定值,所以,在竖向位移差最小值随冲击载荷幅值以线性规律递减时,3-4块体间拉伸量(脱离程度)随冲击载荷幅值以线性规律递增,即拉伸量越来越大,更易造成超低摩擦效应的发生,这与实际情况下强扰动更易造成超低摩擦效应的实际情况相符。

图10 3-4块体间竖向位移差最小值随冲击载荷 幅值变化曲线
Fig.10 Curve of minimum vertical displacement difference between 3-4 blocks with impact loading amplitude

2.4 冲击载荷频率影响分析

冲击载荷频率反映了模型所受冲击能量集中程度,频率越大,冲击能量越集中。因此考察冲击载荷频率对块体间竖向位移差(以3-4块体间竖向位移差为例)影响,以期获得相关规律。分析过程中,垂直冲击载荷频率f取值为:500,1 000,1 500,2 000,2 500,3 000,3 500,4 000 Hz,其他变量均为定值(与基础参数相同)。不同冲击载荷频率作用下3-4块体间位移差变化曲线如图11所示。

图11 模型不同冲击载荷频率时3-4块体间竖向位移差曲线
Fig.11 Vertical displacement difference curves of 3-4 blocks under different impact loading frequencies

低频扰动对块体间竖向位移差影响最为显著,亦更易诱发超低摩擦效应。

由图11可知,模型所受垂直冲击载荷频率变化使3-4块体间竖向位移差变化显著。在冲击载荷幅值确定时,其频率增加,使冲击载荷周期减小,其作用于模型的时间减少,冲击能量减小,使块体运动趋于缓和,表现为竖向位移差最大值随冲击频率增加而逐渐减小,竖向位移差最小值随冲击频率增加而逐渐增加。而低频扰动使块体间超强挤压阶段和相对脱离变得更加突出,超强挤压压力增加会破坏块体,使之破碎化(即块体质量减小),亦造成块体间压力减小。两者相互作用,使超低摩擦型冲击地压等更容易发生,这与冲击地压的震前频率信号以低频为主相符[36]。当冲击载荷频率持续增加时,竖向位移差最小值随冲击频率的增加以对数函数关系递增,如图12所示。

图12 3-4块体间竖向位移差最小值随冲击载荷频 率变化曲线
Fig.12 Minimum value of vertical displacement difference between 3-4 blocks with impact loading frequency

3 结 论

(1)垂直冲击作用是超低摩擦效应发生的前提条件;块系岩体模型受垂直冲击作用,块体在时间尺度上先后发生强迫振动和有阻尼自由振动,而按竖向位移差变化情况,块体所处状态分处4个阶段,即超强挤压阶段、强挤压阶段、弱挤压阶段和相互脱离阶段。

(2)模型内部因素结构面阻尼、块体质量主要影响块体自由振动阶段的运动状态,3-4块体间竖向位移差最小值随块体质量以对数规律递增、随块体间阻尼系数增加以线性规律递增;外界因素如垂直冲击载荷幅值与频率对模型中块体的整个运动过程都有较大影响,竖向位移差最小值随垂直冲击载荷幅值增加而线性递减,随冲击频率增加以对数规律递增。

(3)提出以竖向位移差最小值(对应实际情况下最大拉伸)来判断超低摩擦效应发生难易程度,得到块体间结构面阻尼越小、块体质量越小、垂直冲击频率越小而幅值越大、竖向位移差最小值越小,相对脱离程度越大,超低摩擦效应更易发生,这与实际深部情况下超低摩擦效应发生特征相一致。

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Theoretical analysis of anomalously low friction effect of block rock media based on vertical displacement difference

LI Liping1,LI Weijun1,PAN Yishan2

(1.School of Mechanics and EngineeringLiaoning Technical UniversityFuxin 123000,China; 2.School of PhysicsLiaoning UniversityShenyang 110036,China)

Abstract:Due to the strong impact disturbance,the relative compaction of deep block rock media changes with time and results in anomalously low friction effect.The vertical displacement difference between blocks is a visual indicator of the relative compression between the blocks.A dynamic model of block rock media considering the overburden pressure was established in this study.The new formula of vertical displacement difference between rock blocks subjected to vertical impact loading was derived and compared with the experimental results.It verified the correctness of the theoretical formula.The influence of various factors,including the mass of the block,the structural surface damping,the frequency and amplitude of vertical impact loading,on the regularity of the displacement difference between the blocks was analyzed.The occurrence of the anomalously low friction effect was assessed by the change of the minimum vertical displacement difference.The anomalously low friction effect occurs easily with the smaller minimum vertical displacement difference.The results show that when the block model is subjected to vertical impact disturbance,the block will go through forced vibration and free vibration.Its vertical movement can be divided into four stages:super strong extrusion,strong extrusion,weak extrusion and mutual separation according to the change of the vertical displacement difference.The phase of mutual separation and the weak extrusion are prone to induce anomalously low friction effects.The block mass and structural surface damping changes have a significant effect on the vertical displacement difference amplitude and period.The minimum value of the vertical displacement difference between blocks increases with the logarithm of the mass of the block,and increases linearly with the increase of the damping of the structural surface between the blocks.The smaller the block mass and structural surface damping,the more significant the anomalous low friction effect.The vertical impact loading frequency and amplitude make the vertical displacement difference between blocks change significantly.The minimum value of the displacement difference decreases linearly with the increase of the vertical impact loading amplitude,and increases in logarithm with the increase of the vertical impact frequency.The study concludes that low frequency and strong impact disturbance are more prone to induce anomalously low friction typels rock burst.

Key words:rock mechanics;anomalously low friction effect;block rock media;vertical displacement difference;dynamic load

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李利萍,李卫军,潘一山.基于竖向位移差的块系岩体超低摩擦效应理论分析[J].煤炭学报,2019,44(7):2116-2124.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1013

LI Liping,LI Weijun,PAN Yishan.Theoretical analysis of anomalously low friction effect of block rock media based on vertical displacement difference[J].Journal of China Coal Society,2019,44(7):2116-2124.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2018.1013

中图分类号:TD313

文献标志码:A

文章编号:0253-9993(2019)07-2116-09

收稿日期:2018-08-01

修回日期:2018-12-12

责任编辑:常 琛

基金项目:国家重点研发计划资助项目(2016YFC0600901,2017YFC0804208);辽宁省自然科学基金资助项目(201602353)

作者简介:李利萍(1983—),女,安徽亳州人,副教授,博士。E-mail:llpah@126.com