巖石沖擊破壞室內(nèi)試驗方法研究現(xiàn)狀及展望

姚金鵬，尹延春，2，湯興學(xué)，邢明錄

（1.山東科技大學(xué) 礦山災(zāi)害預(yù)防控制省部共建國家重點實驗室培育基地，山東 青島266590；2.北京理工大學(xué) 宇航學(xué)院，北京100081）

沖擊地壓是礦山等地下工程的典型動力災(zāi)害，發(fā)生頻次與強(qiáng)度隨施工深度呈急劇增加的趨勢，嚴(yán)重威脅著礦山的正常生產(chǎn)與人員安全。在未來5 年乃至10 年內(nèi)，沖擊地壓機(jī)理、預(yù)警與防治仍是礦山工程的研究焦點和亟需解決的問題。在沖擊地壓防治方面，國內(nèi)外學(xué)者從煤巖材料物理力學(xué)性質(zhì)[1-2]、災(zāi)變區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造[3]、工程擾動等角度對沖擊機(jī)理進(jìn)行揭示[4]，先后提出強(qiáng)度理論、沖擊傾向性理論、變形失穩(wěn)理論、應(yīng)力控制理論、沖擊啟動理論[5]、動靜載疊加誘沖理論[6]等，并且從不同角度劃分沖擊地壓類型[7]，包括主要由重力、構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力等靜載高應(yīng)力引發(fā)的應(yīng)變型沖擊地壓，主要由頂板斷裂或斷層滑移引發(fā)的動載誘發(fā)型沖擊地壓[8-9]。另一方面，室內(nèi)力學(xué)試驗也是揭示沖擊地壓機(jī)理的關(guān)鍵技術(shù)方法，眾多學(xué)者采用多種試驗手段試圖再現(xiàn)礦山巖體的沖擊破壞過程[10-12]，為沖擊地壓的機(jī)理揭示與防治提供了重要的依據(jù)。為此，介紹了常用應(yīng)變型沖擊室內(nèi)試驗及動載誘發(fā)型沖擊室內(nèi)試驗方法，總結(jié)了巖石破壞特征測試和其沖擊前兆信息監(jiān)測方法，并對試驗方法的研究趨勢進(jìn)行展望。

1 巖石應(yīng)變型沖擊破壞試驗方法

應(yīng)變型沖擊地壓主要指井巷或工作面周圍巖體在開挖過程中，煤巖體內(nèi)應(yīng)力集中達(dá)到一定程度后，煤巖體內(nèi)部儲存的變形能瞬時釋放而發(fā)生的彈射、拋出式等破壞，主要由重力、構(gòu)造應(yīng)力和采動應(yīng)力等靜載高應(yīng)力作用控制[13]。巷道等地下工程開挖卸荷引起的原巖應(yīng)力調(diào)整及大量應(yīng)變能猛烈釋放，是造成應(yīng)變型沖擊地壓的重要外因條件[14]?；陂_挖卸荷這一誘發(fā)條件，國內(nèi)外學(xué)者常采用三軸卸荷試驗研究應(yīng)變型沖擊地壓。常用巖石應(yīng)變型沖擊破壞試驗如圖1，常用的卸荷試驗方法有假三軸加載的恒軸壓-卸圍壓試驗和加軸壓-卸圍壓試驗（圖1（a））、真三軸加載的五面恒載（或加載）-單面卸荷試驗（圖1（b））等，其中鑒于巖體一般處于三向應(yīng)力狀態(tài)，真三軸卸荷試驗是主要的試驗方法，此類代表試驗有何滿潮等[15-16]研制的沖擊巖爆試驗系統(tǒng)，實現(xiàn)巖體某方向應(yīng)力的快速卸荷，并根據(jù)試驗結(jié)果將巖爆劃分為滯后巖爆、標(biāo)準(zhǔn)巖爆和瞬時巖爆。大量試驗研究表明，卸荷時軸壓同步加載、高速率卸荷下的試樣更易發(fā)生動力破壞。

圖1 常用巖石應(yīng)變型沖擊破壞試驗Fig.1 Strain-type bust failure test of rocks

此外，煤礦開采領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者對沖擊地壓機(jī)理的研究普遍認(rèn)為，沖擊地壓是由于堅硬頂板-煤體-底板所構(gòu)成的組合煤巖體能量積聚與耗散、失去動態(tài)平衡而誘發(fā)的突變事件。部分專家在綜合考慮圍巖結(jié)構(gòu)特征基礎(chǔ)上，進(jìn)行了煤巖組合體試驗[17]（圖2）。如竇林名等[18]、左建平等[19]進(jìn)行了煤巖組合試件的沖擊傾向性測試，研究了不同巖石和煤體組合條件對沖擊破壞特征的影響。Tan 等[20]提出了適于煤巖組合體沖擊傾向性評價的沖擊能速度指數(shù)。相比于單體巖石試件，煤巖組合試件將圍巖結(jié)構(gòu)視為沖擊破壞的重要影響因素，可研究頂板-煤-底板綜合作用下的宏觀變形破壞特征，對揭示不同圍巖條件下的沖擊破壞機(jī)理具有重要指導(dǎo)意義。

圖2 煤巖組合體試驗Fig.2 Coal-rock combination test

上述試驗中所采用的試驗設(shè)備一般為大剛度巖石力學(xué)試驗機(jī)，可保證巖石峰后破壞可控，并獲取全應(yīng)力應(yīng)變曲線。錢七虎[21]、Zhang 等[22]、Xu 等[23]等學(xué)者認(rèn)為對于應(yīng)變型沖擊地壓，單靠巖體本身積聚的能量很難發(fā)生動力破壞，需要周圍巖體對其進(jìn)行能量補(bǔ)充。柔性試驗機(jī)可在巖石峰后變形階段，將前期積聚的大量彈性變形能瞬時釋放，對巖石試件施加一個彈性力，使其快速沖擊破壞，如顧金才等[24]利用油壓-彈簧系統(tǒng)（圖3）再現(xiàn)了拋擲型巖爆現(xiàn)象。

2 動載誘發(fā)型沖擊破壞試驗方法

動靜載疊加理論[25]認(rèn)為，當(dāng)外部動載與巖體靜載的疊加值超過其極限強(qiáng)度后，巖體會發(fā)生動力破壞，如頂板斷裂型或斷層滑移型沖擊地壓。因此，對靜載巖體施加沖擊擾動波，可再現(xiàn)沖擊地壓中的巖體剝離、彈射等現(xiàn)象。該類典型試驗為真三軸擾動試驗，擾動荷載可設(shè)計為不同頻率和幅值下的斜坡波、正弦波、方形波、三角波等?；诖祟愒囼灒K國韶等[26]研究獲得了軸向低頻擾動荷載下巖爆發(fā)生的軸向靜應(yīng)力和擾動荷載幅值的門檻值，并指出了巖爆發(fā)生的2 個能量條件。

圖3 柔性加載試驗[20]Fig.3 Low-rigidity loading test

此外，霍普金森壓桿裝置（圖4）也是常用的沖擊試驗裝置，該試驗裝置可對煤巖試件施加高速沖擊荷載，使煤巖試件發(fā)生高應(yīng)變率動態(tài)破壞。如李地元等[27-28]研究了多次沖擊荷載下花崗巖的累計損傷特性，并對比分析了靜載與動載試驗下的試件長徑比效應(yīng)。近年來，部分專家在霍普金森壓桿裝置基礎(chǔ)上增加靜載裝置，研發(fā)了SHPB 動靜組合加載試驗系統(tǒng)[29]，如李夕兵等[30]、宮鳳強(qiáng)等[31]進(jìn)行了一維和三軸動靜組合荷載下的巖石動力破壞測試。

圖4 霍普金森壓桿裝置Fig.4 Split Hopkinson pressure bar

3 巖石破壞特征測試及前兆信息監(jiān)測方法

沖擊地壓監(jiān)測方面，目前常用的監(jiān)測方法主要包括：微震監(jiān)測[32-33]、聲發(fā)射監(jiān)測（地音法）[34]、電磁輻射監(jiān)測、地震CT 監(jiān)測[35]、鉆屑量監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測等，主要預(yù)警參數(shù)包括：反映巖體破裂的微震和聲發(fā)射次數(shù)、能量、位置等，反映應(yīng)力集中程度的電磁輻射脈沖及幅值、地震CT 波速系數(shù)、鉆孔鉆屑量、煤體應(yīng)力等。微震主要用來監(jiān)測大區(qū)域范圍內(nèi)巖體破裂信息，其他手段更加偏向于局部范圍內(nèi)煤體應(yīng)力集中程度監(jiān)測。這些預(yù)警參數(shù)的確定可以通過實驗室內(nèi)巖石力學(xué)試驗測試作為參考依據(jù)[36]，因此，進(jìn)行巖石沖擊破壞過程中關(guān)鍵信息測試，是指導(dǎo)沖擊地壓監(jiān)測方法改進(jìn)及預(yù)警指標(biāo)優(yōu)化的重要手段。

聲發(fā)射是一種常用巖石變形破壞測試手段[37]，主要監(jiān)測巖石內(nèi)部微破裂形成時應(yīng)變能釋放所產(chǎn)生的彈性波信息，不同應(yīng)力路徑下的不同巖石聲發(fā)射信號具有明顯的差異性。李宏艷等[38]研究了不同沖擊傾向性煤體的聲發(fā)射前兆信息，試驗表明煤體沖擊傾向性越強(qiáng)，破壞前的振鈴計數(shù)和能量增幅越大。張艷博等[39]對巷道巖爆的聲發(fā)射信號進(jìn)行了聚類分析，確定巖爆具有“三高一低”的前兆信息特征。張黎明等[40]、劉希靈等[41]分別研究了假三軸、動靜加載下巖樣聲發(fā)射b 值特性。丁鑫等[42]建立了煤巖裂紋表征參量與聲發(fā)射信號頻率、幅值的定性描述。

巖石動態(tài)破壞前的場信息同樣是沖擊地壓預(yù)測研究受關(guān)注的數(shù)據(jù)，如利用數(shù)字散斑光測方法獲取巖石表面變形場分布[43-45]、利用熱紅外等手段獲得巖石溫度場分布[46]。宋義敏等[47]研究了沖擊載荷作用下花崗巖位移場及裂紋演化過程。上述手段僅能研究巖石表面變形等信息，為進(jìn)一步研究巖石內(nèi)部應(yīng)力分布情況，鞠楊等[48-49]利用CT 技術(shù)獲取了單軸壓縮試件內(nèi)部裂隙網(wǎng)絡(luò)，并采用3D 打印及三維光彈技術(shù)，定量研究了復(fù)雜裂隙煤巖內(nèi)部的應(yīng)力場分布特征，為巖體內(nèi)部應(yīng)力場定量表征與可視化研究提供了新的方法。

沖擊地壓的發(fā)生伴隨著煤巖體的拋出及彈射，煤巖體的破碎程度及彈射速度等可反映沖擊破壞程度，也是室內(nèi)力學(xué)試驗研究的重要內(nèi)容。煤巖體破碎程度可采用分形維數(shù)來定量評價，碎塊分形維數(shù)越大，破碎越劇烈。碎塊彈射速度可通過高速攝像及數(shù)字圖像處理技術(shù)獲得，進(jìn)而根據(jù)碎塊尺寸及速度計算沖擊破碎后的彈射動能[50]。

4 巖石沖擊破壞試驗方法發(fā)展趨勢

1）考慮圍巖結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的沖擊破壞模擬試驗方法。圍巖應(yīng)變型沖擊是“巖體變形失穩(wěn)+應(yīng)力轉(zhuǎn)移+能量積聚-傳遞-釋放”等多因素耦合的暗箱問題，如何將暗箱問題透明或半透明化，揭示沖擊孕育-釋放-災(zāi)變的全過程，是應(yīng)變型沖擊地壓機(jī)理研究的一個關(guān)鍵問題。因此，應(yīng)進(jìn)一步研發(fā)考慮圍巖結(jié)構(gòu)協(xié)同作用的沖擊破壞模擬試驗方法，如考慮頂板與煤體剛度差異的巖石變剛度加載試驗方法，煤巖組合體中煤體與巖石變形破壞信息獨立監(jiān)測方法等。

2）巖石沖擊破壞后多信息精確測試技術(shù)。巖石靜（動）態(tài)變形過程中的微破裂分布、變形場與溫度場等已可以通過多項技術(shù)監(jiān)測獲得，為沖擊地壓監(jiān)測預(yù)警提供了重要的依據(jù)。但巖石沖擊破壞后的信息則關(guān)注較少，而碎塊沖擊動能是影響巷道破壞及災(zāi)害程度的重要指標(biāo)。因此，應(yīng)引入更加先進(jìn)的測試方法來獲取巖石破壞后的碎塊沖擊信息，如彈射動能、沖擊荷載等，為礦山?jīng)_擊地壓烈度評價提供試驗依據(jù)。

5 結(jié) 論

1）巖石沖擊破壞室內(nèi)試驗是揭示沖擊地壓誘發(fā)機(jī)理的一種重要手段，其中三軸卸荷試驗主要研究巷道開挖后應(yīng)變型沖擊破壞，煤巖組合體試驗及柔性加載試驗考慮了圍巖結(jié)構(gòu)條件對沖擊地壓的作用，擾動加載試驗機(jī)和霍普金森壓桿裝置是研究動載誘發(fā)型沖擊破壞常用的試驗裝置。

2）巖石破壞特征測試與前兆信息監(jiān)測是指導(dǎo)沖擊地壓監(jiān)測方法改進(jìn)及預(yù)警指標(biāo)優(yōu)化的重要手段，主要方法包括對應(yīng)于現(xiàn)場地音法和微震法的室內(nèi)聲發(fā)射測試，獲取巖石表面變形場和溫度場等信息的數(shù)字散斑光測和熱紅外方法，巖石內(nèi)部裂隙場及應(yīng)力場可視化測試的CT 技術(shù)及三維光彈技術(shù)。

3）巖石沖擊破壞室內(nèi)試驗為礦山?jīng)_擊地壓防治提供了一系列的技術(shù)手段和成果支持，但仍需在考慮頂板與煤體剛度差異的變剛度加載試驗、組合體試件中煤體與巖石變形信息獨立測試、巖石破碎后沖擊信息等方面研發(fā)新的試驗手段。