“裂纹到底怎么发展的”-核磁共振研究试样损伤过程中裂隙的扩展规律

大家好，本期为大家解读并推荐的文章，为2021年发表在《International Journal of Mining Science and Technology 》上，来自福州大学李兵磊教授团队，研究模拟深部采场中充填体矿柱在高地应力作用下，周边相邻矿房的爆破荷载对其产生的损伤。

本文的核心内容是：

以充填体-类岩材料组合的耦合试件为研究对象，对充填体受动静载荷作用前后的核磁共振孔隙度和核磁共振图像的变化特征进行研究，定量分析岩石内部裂隙的发育、扩展和贯通情况，获得试样的裂隙结构变化和细观损伤演化规律。

以下内容为李教授团队主笔所写，千万不要错过！

内容概要

▲本篇文章内容概要，提供给没时间完整阅读的用户

01

研究背景

充填采矿技术在防止地表塌陷、控制采区地压、提高资源回收率等方面具有巨大的优势。矿山生产作业中，充填体不仅承受着变化极为缓慢的准静态载荷，而且同时还承受着变化较快的动态载荷，如冲击载荷、爆破载荷等，这会在充填体内部引起拉应力，当拉应力较大时，会产生张拉裂缝等细观结构损伤，最终导致充填体的破坏，影响采矿的正常生产。

本文结论

耦合试件中充填体内部孔隙孔径的变化范围随着加载幅值的增加而增大，孔径分布曲线的大波峰不断右移，表面的新生孔隙和裂纹不断增多且其孔隙的孔径不断增大，其右侧产生了微小波峰与原有孔隙或裂缝的扩展和贯通有关。

在不同预静载水平下，受动力冲击作用的充填体的核磁共振孔隙度随着预静载的增加呈对数函数曲线增加的趋势，伴随着孔隙的数量和孔径增加。表明在高地应力作用下，充填体内部的孔隙被压密实，其自身动力特性发生变化，在动载作用下呈现脆性破坏的特性。

耦合试件中充填体的小孔隙所占比例随着预静载值的增加有略微增大后减小的趋势，但变化很小，即受动静载组合作用下充填体内部小孔径孔隙与大孔径孔隙几乎是等幅度增多。

02

实验设计及方法

原料及样品制备

试验的试样采用充填体和类岩材料组合而成。充填体中的尾砂取自福建省上杭县紫金山金铜矿选矿厂，粒径小于2mm。

▲图1. 填充体-类岩材料机械模型系统

实验载荷条件

▲图2. 实验动态、静态载荷施加示意图

如图所示，对于填充体类岩材料，分别在Y、Z方向上施加静态载荷，在X轴方向上施加动态载荷，具体施加强度如下表所示。

实验系统

本文采用的是中国苏州纽迈分析仪器股份有限公司生产的中尺寸核磁共振成像分析仪。

03

实验结论分析

01

不同动静载荷作用下充填体孔径分布的变化

▲图3. 第一阶段不同动载幅值作用充填体孔径分布的变化

▲图4. 第一阶段不同动载幅值作用充填体孔径分布的变化

加载后的孔径分布曲线与横轴所围成的面积（即峰面积）随着动载幅值的增加而变大，即耦合试件中的充填体孔隙度随着动载幅值的增加而增大，充填体中孔隙的数量大幅增加。

孔径分布曲线的波峰向右边移动，表明孔隙的孔径相对加载前变大，具体而言：试样A7的内部孔隙的孔径期望值由加载前的0.0286um增大至0.0361um，试样A8则由加载前的0.0279um增大至0.0366um，试样A9由加载前的0.0284um增大至0.0723um，试样A10由加载前的0.0285um增大至0.0916um。

02

不同动载情况下耦合试件充填体孔隙率

▲图5. 不同动载情况核磁共振孔隙率变化表

以上分析可知不同轴向预静载下的耦合试件中的充填体在受动力冲击后，充填体的孔隙度都上升了，内部的孔径数值变化范围比加载前变大，即在受动静组合扰动力作用下，伴随着新生小孔隙的萌生和原有孔隙的扩展成更大孔径的裂隙，使得孔径分布曲线的波峰都上移，与横轴所围成的面积都增大。

值得一提的是，当预静载为5MPa时，耦合试件的类岩部分棱角岩体剥落，酥松破碎，有多条贯穿裂缝使其分裂成多块，内部充填体也沿着横向断裂成多块，分别对碎块进行核磁共振测试，对各碎块的孔径数据进行叠加形成试样B5孔径分布曲线，如图6所示。

▲图6. 充填体碎块受动力扰动前后孔径分布变化

从图中可以看出波峰向左移动及右侧大孔径波峰的凸起，表征小微孔隙的大量产生及大孔径裂缝的大幅上升。孔径的增大是耦合试件中充填体在动静载组合作用下内部孔隙扩展、发育的体现，也是动力扰动细观损伤的表现。

04结论

核心结论

在同一的预静载水平下，保持其他动载参数不变，随着动载幅值的增大，耦合试件中充填体内部的孔隙度经历一个先略微减小后大幅增加的过程，其转折点在于充填体周围的类岩部分发育成几条贯穿的裂缝，并且在动静载组合作用下会发生相对错动。当动载幅值大于140KN时，耦合试件的类岩部分的裂缝发展迅速，其内部充填体的孔隙度大幅增加，损伤劣化表现非常显著。

耦合试件中充填体内部孔隙孔径的变化范围随着加载幅值的增加而增大，孔径分布曲线的大波峰不断右移，表面了新生孔隙和裂纹不断增多且其孔隙的孔径不断增大，其右侧产生了微小波峰与原有孔隙或裂缝的扩展和贯通有关。

在不同预静载水平下，受动力冲击作用的充填体的核磁共振孔隙度随着预静载的增加呈对数函数曲线增加的趋势，其伴随着孔隙的数量和孔径增加。表明在高地应力作用下，充填体内部的孔隙被压密实，其自身动力特性发生变化，在动载作用下呈现脆性破坏的特性。

耦合试件中充填体的小孔隙所占比例随着预静载值的增加有略微增大后减小的趋势，但变化很小，即受动静载组合作用下充填体内部小孔径孔隙与大孔径孔隙几乎是等幅度增多。

充填体的孔隙度在周围围岩开裂之前随着加载幅值的增加，其孔隙度减小；开裂之后随着动载幅值的增大而增大。由此可见当要保护充填体矿柱的稳定性，保证其周围围岩不发生大的裂缝是最关键必要措施，即保证其在动载作用下不产生惯性运动。

参考文献：10.1016/j.ijmst.2020.03.015

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