局部靜載約束條件下動力擾動對煤巖損傷的影響

趙洪寶，劉一洪，劉 瑞，李金雨

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083;2.深部煤礦采動響應(yīng)與災(zāi)害防控國家重點實驗室(安徽理工大學(xué)),安徽 淮南 232001)

煤是重要的傳統(tǒng)化石能源之一，同時也是廣義的巖石類材料。煤巖內(nèi)部具有眾多的微裂隙，微裂隙的擴展是煤巖產(chǎn)生宏觀破壞的內(nèi)在原因，同時,瓦斯的賦存狀態(tài)會隨著微裂隙的擴展發(fā)生改變。在現(xiàn)場，煤巖體在爆破開挖或機械鑿巖過程中需要循環(huán)作業(yè)，此時，工程巖體承受的動荷載形式為循環(huán)沖擊荷載[1-2]。

煤巖材料的強度、變形損傷規(guī)律等特征具有明顯的率相關(guān)性[3-4]，因此，煤巖在沖擊荷載作用下的力學(xué)特征有別于準(zhǔn)靜態(tài)加載。煤巖的抗沖擊能力、屈服強度、變形模量等力學(xué)參數(shù)均會隨著加載速率的變化而變化[5-6]。大量學(xué)者對煤巖類材料進行了相關(guān)試驗，例如，Toihidul等[7]基于落錘沖擊加載裝置對Paskapoo砂巖在不同應(yīng)變率加載條件下的彎曲韌性指數(shù)和斷裂韌度進行了試驗研究，得到了應(yīng)變率對Paskapoo砂巖的彎曲韌性指數(shù)和斷裂韌度的影響規(guī)律；趙洪寶等[8]研究了雙向靜載約束條件下擺錘沖擊對煤巖的損傷影響；劉軍忠等[9]研究了角閃巖的平均應(yīng)變率與其動態(tài)強度增強因子、抗壓強度和比能量吸收的耦合關(guān)系，得到了巖樣破壞應(yīng)變隨應(yīng)變率增大而增大的結(jié)論，并分析了角閃巖在不同應(yīng)變率加載條件下的應(yīng)變率硬化效應(yīng)。

在施加沖擊荷載前，工程巖體往往處于一定靜載約束的環(huán)境中，如掘進面或采煤工作面在施加沖擊荷載前上覆巖體的重力對其產(chǎn)生了一定的約束作用。目前，涉及巖石在動靜組合加載條件下的研究主要是通過對巖石試件預(yù)加軸向靜載后進行沖擊實現(xiàn)的。李夕兵等[10-11]基于SHPB裝置對粉砂巖進行了一維動靜組合加載試驗，發(fā)現(xiàn)試樣在動靜組合加載下的強度大于其純靜載和純動載強度，并且強度會隨應(yīng)變率的增大而增大；Tang等[12]基于改進SHPB裝置，研究了蛇紋巖在不同軸壓和循環(huán)沖擊條件下的力學(xué)特性和破壞模式；Wang等[13]研究了不同含水率煤樣在一維動靜組合加載試驗下的破壞特征；Zhao等[14]利用自行研制的多功能破巖裝置，研究了動靜組合加載的破巖效率，認為在一定程度上加大動載和靜載可提高破巖效果。在實際礦山開采中，由于受地質(zhì)構(gòu)造、人工開挖，以及開采過程中頂板斷裂、局部放震動炮等影響，煤巖體中的巷道或硐室常常處于非均勻靜載約束環(huán)境中，而這種非均勻靜載約束使煤巖體在受到?jīng)_擊荷載后容易產(chǎn)生非對稱或分區(qū)破壞現(xiàn)象，為工程巖體穩(wěn)定性的維護帶來了一定難度。而截至目前，有關(guān)非均勻靜載約束條件下動力沖擊對煤巖損傷影響的研究未見報道，基于此，將非均勻靜載約束簡化為局部靜載約束，研究局部靜載約束條件下動力沖擊對煤巖分區(qū)破壞的影響規(guī)律。

1 試 驗

1.1 試驗設(shè)備及原理

為研究局部靜載約束條件下沖擊荷載對煤巖的損傷影響規(guī)律，研制了約束式擺錘沖擊動力加載裝置，如圖1所示。該裝置主要由圓柱體擺錘、擺桿、度盤、約束加載機構(gòu)等組成，其中，約束加載機構(gòu)可對試樣施加不同面積的靜載約束，通過調(diào)節(jié)擺桿的角度調(diào)整沖擊荷載大小，有關(guān)該裝置的詳細參數(shù)見文獻[8]。施加沖擊荷載時，擺錘的中心點與試樣的中心點相對應(yīng)，為保證試樣受力均勻，沖擊時在試樣沖擊面上置一剛性墊片，剛性墊片尺寸與試樣的沖擊面尺寸一致。

圖1 擺錘沖擊動力加載裝置

本試驗中，以擺錘的沖量大小表征沖擊荷載對煤巖的沖擊強度，經(jīng)計算擺錘單位面積上作用的沖量為[8]

(1)

式中h為擺錘高度。

煤巖的損傷變量可以通過超聲波波速的變化表征，記煤巖的初始波速為v0，受到第n次沖擊荷載后，煤巖的超聲波波速變?yōu)関n，則煤巖的損傷量可表征為[15-17]

(2)

通過監(jiān)測煤巖內(nèi)超聲波傳播速度的變化間接表征巖石的損傷量，基于式(2)定量描述煤巖損傷量演化過程，損傷值為0～1。試驗系統(tǒng)參數(shù)見表1。

表1 超聲波裝置系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置

1.2 試樣選取

加工原煤試樣時，嚴(yán)格按照國際巖石力學(xué)學(xué)會要求，采用濕式加工法將其加工成標(biāo)準(zhǔn)正方體試件。原煤試樣尺寸均為70 mm×70 mm×70 mm，如圖2所示。

圖2 部分試樣

開展試驗前，對試樣進行稱重和超聲波測強，剔除差異較大的試樣，剔除后，所選取試樣的基本物理參數(shù)如表2所示。

表2 試樣超聲波速分布特征

1.3 試驗方案

本文主要研究煤巖在局部靜載約束條件下，擺錘沖擊對煤巖損傷的影響規(guī)律。試驗時，首先對試樣上表面的1/2面積施加靜載約束，待施加的靜載值達到預(yù)設(shè)值并穩(wěn)定后對試樣施加沖擊荷載。在局部靜載約束條件下，試樣不同區(qū)域可能會產(chǎn)生不同的損傷規(guī)律。因此，試驗過程中，沿著擺錘沖擊方向?qū)⒃嚇泳譃锳、B、C 3個區(qū)域，其中，A區(qū)域為完整約束區(qū)，B為過渡區(qū)，C為自由區(qū)，如圖3所示。每次施加沖擊荷載后，分別對A、B、C 3個區(qū)域的內(nèi)部損傷以及表面裂紋演化情況進行監(jiān)測和識別。

圖3 荷載施加示意

原煤試樣的單軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示。對試樣所施加的靜載值主要依據(jù)煤樣的單軸抗壓強度進行設(shè)定，針對試樣的彈性階段和屈服階段選取3個靜載值，即3、6和9 MPa 3種情況，同時，增加一組無靜載約束條件下的擺錘沖擊試驗作為對比分析。

圖4 試樣應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過調(diào)整擺桿的擺角使擺錘處于不同高度，可對試樣施加不同沖量的沖擊荷載。為了研究不同沖擊方式對煤巖損傷的影響，分別采用恒定沖量循環(huán)沖擊和遞增沖量循環(huán)沖擊兩種動力沖擊方式對試樣施加沖擊荷載，直至試樣完全破壞。每組試驗重復(fù)進行3次，以減少試樣離散性造成的誤差，獲得具有代表性的試樣損傷規(guī)律，具體試驗方案見表3。

2 恒定沖擊對煤巖分區(qū)損傷的影響

恒定沖擊是指對試樣施加恒定沖量的循環(huán)沖擊荷載。根據(jù)表3恒定沖量循環(huán)沖擊試驗方案和煤巖損傷因子計算公式，對煤巖在不同局部靜載值約束條件下受沖擊作用后的損傷因子進行計算，研究煤巖在A、B、C 3個區(qū)域內(nèi)微結(jié)構(gòu)演化規(guī)律，并分析不同靜載值約束條件對煤巖的分區(qū)損傷影響。

表3 試驗方案

試樣各分區(qū)損傷因子與循環(huán)沖擊次數(shù)呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，擬合曲線如圖5所示?？傮w上，在靜載約束條件下試樣各區(qū)域的損傷量均小于無約束試樣。當(dāng)約束靜載值不為0時，在A區(qū)域，即全面積靜載約束區(qū)，靜載值為9 MPa時損傷量最大，這是因為試樣處于屈服階段，其內(nèi)部初始損傷程度較高，弱化了其抗沖擊能力。靜載值為6 MPa時，A區(qū)域的損傷量小于3 MPa約束的試樣，這說明在保證煤巖處于彈性階段的前提下，靜載值越大，煤巖的抗沖擊能力越強。在B區(qū)域，即靜載約束過渡區(qū)，6 MPa約束條件下對微結(jié)構(gòu)擴展的抑制能力最強，試樣的損傷因子最小，靜載值為9 MPa時試樣的抗沖擊能力強于3 MPa約束的試樣，與A區(qū)域的情況相反，這主要因為9 MPa約束對試樣微結(jié)構(gòu)擴展的抑制能力強于3 MPa約束，并且試樣在B區(qū)域的初始損傷程度較A區(qū)域低。在C區(qū)域，靜載值為3 MPa時試樣抗沖擊能力最小，而6和9 MPa約束下試樣的抗沖擊能力相差不大。局部靜載約束條件下一般不會對C區(qū)域造成初始損傷，C區(qū)域的抗沖擊能力主要取決于靜載值在該區(qū)域的傳遞效率，9 MPa約束時，由于A區(qū)域處于屈服狀態(tài)，對靜載約束在C區(qū)域的傳播起到了一定的腐蝕效應(yīng)，導(dǎo)致9 MPa約束條件下C區(qū)域的抗沖擊能力并沒有較3和6 MPa約束時得到顯著提高。基于上述分析，在不同局部靜載約束條件下，損傷因子在不同區(qū)域呈現(xiàn)不同的分布規(guī)律，總體上，靜載值為6 MPa時，試樣在各區(qū)域的抗沖擊能力均強于其他試樣，因此，對于單向局部靜載約束的工程巖體，當(dāng)靜載值達到保持巖體處于彈性階段的上限值時，可最大限度提高巖體各區(qū)域的抗沖擊能力。

圖5 恒定沖量沖擊分區(qū)損傷特征

在不同靜載約束條件下試樣內(nèi)部各區(qū)域損傷因子Dn與循環(huán)沖擊次數(shù)和位置的擬合關(guān)系如圖6所示。隨著沖擊次數(shù)增加，靜載約束條件下煤巖的損傷量明顯小于無靜載約束煤樣，說明靜載約束可以提高煤巖的抗沖擊能力。局部靜載約束條件下煤巖的損傷演化呈明顯的分區(qū)特征，當(dāng)靜載值為3 MPa時，C區(qū)域損傷最大，B區(qū)域次之，A區(qū)域損傷最小，即分區(qū)的靜載約束面積越大，其抗沖擊能力越強，這是因為靜載約束的存在使得煤巖內(nèi)的部分微裂隙閉合，煤巖微裂隙總數(shù)量減少，同時，靜載約束可以阻礙微裂隙的擴展，從而間接提高煤巖的抗沖擊能力。當(dāng)靜載值為6 MPa時，試樣的分區(qū)損傷特征與3 MPa約束下的試樣較為一致，但煤樣的抗沖擊能力得到進一步提高。當(dāng)靜載值為9 MPa時，試樣的分區(qū)損傷特征發(fā)生變化，其中，受靜載約束面積最大的A區(qū)域損傷量最大，而B區(qū)域和C區(qū)域損傷量較小。這是因為當(dāng)靜載值為9 MPa時，原煤受約束區(qū)域達到了屈服狀態(tài)，施加沖擊荷載前累積了較高的能量和塑性變形，內(nèi)部微結(jié)構(gòu)處于擴展的臨界狀態(tài)，即靜載約束對試樣造成了初始損傷。由于A區(qū)域的約束面積最大，其初始損傷程度最高，抗沖擊能力最差。

圖6 恒定沖量沖擊整體損傷特征

3 遞增沖擊對煤巖分區(qū)損傷的影響

遞增沖擊是指試樣所受沖擊荷載的沖量是從小到大逐漸增加的。遞增沖擊作用下煤巖內(nèi)部損傷演化規(guī)律與恒定沖擊不同，因此，按照表3開展了不同局部靜載約束條件下遞增沖擊對煤巖損傷演化規(guī)律影響的試驗。

遞增沖擊下不同區(qū)域損傷因子與循環(huán)沖擊次數(shù)的擬合關(guān)系如圖7所示。與恒定沖擊相似，在靜載約束條件下，試樣各區(qū)域的損傷量均小于無約束試樣。當(dāng)約束靜載值不為0時，在A區(qū)域，由于9 MPa靜載約束條件下煤巖的初始損傷程度最高，其抗沖擊能力最差，而6 MPa約束條件下試樣內(nèi)微結(jié)構(gòu)擴展受到的抑制力最高，試樣的抗沖擊能力最強。在B區(qū)域，6 MPa靜載約束條件下試樣的抗沖擊能力最強，而3和9 MPa約束下試樣的抗沖擊能力相差不大。在C區(qū)域，靜載值為3 MPa時試樣的抗沖擊能力最差，而6和9 MPa約束下抗沖擊能力相差不大。

圖7 遞增沖量沖擊分區(qū)損傷特征

在不同靜載約束條件下試樣內(nèi)部各區(qū)域損傷因子Dn與循環(huán)沖擊次數(shù)和位置的擬合關(guān)系如圖8所示。對比圖6可知，在遞增沖量循環(huán)沖擊作用下，煤巖依然存在較為明顯的分區(qū)破壞特征，并且與恒定沖擊作用下煤巖的分區(qū)損傷特征相似，在試樣未達到屈服狀態(tài)前，靜載約束面積越大，其抗沖擊能力越強。

圖8 遞增沖量沖擊整體損傷特征

綜上，遞增沖量循環(huán)沖擊與恒定沖量循環(huán)沖擊對煤巖造成的分區(qū)損傷特征是一致的，這說明不同的沖擊方式會改變局部靜載約束條件下煤巖的損傷效率，但并不會改變其分區(qū)損傷特征。對比圖5(c)和圖7(c)可知，不同靜載約束條件下C區(qū)域的抗沖擊能力均高于無靜載約束的試樣，這說明雖然C區(qū)域表面未直接施加約束，但約束區(qū)對C區(qū)域起到了保護作用，增加了C區(qū)域的抗沖擊能力。

4 沖擊方式對煤巖損傷的影響

累計沖量相同而沖擊方式不同時可能對煤巖的致?lián)p效率不同，基于此，分別對恒定沖量循環(huán)沖擊和遞增沖量循環(huán)沖擊作用下試樣的損傷演化情況進行對比分析，如圖9所示。為了更加直觀地體現(xiàn)兩種沖擊方式的破巖效率差異，對試驗數(shù)據(jù)點進行了線性擬合。

圖9 不同沖擊方式損傷因子演化對比分析

在無靜載約束條件下，當(dāng)累計沖量相同時，遞增沖擊對煤巖造成的損傷量大于恒定沖擊，并且遞增沖擊損傷曲線的斜率也更高，說明無靜載約束時，遞增沖擊的破巖效率更高。當(dāng)靜載值為3 MPa時，3個區(qū)域遞增沖擊損傷曲線斜率均大于恒定沖擊，其中A區(qū)域遞增沖擊的破巖效率明顯高于恒定沖擊，B區(qū)域和C區(qū)域的破巖效率相差不大。當(dāng)靜載值為6 MPa時，遞增沖擊損傷曲線斜率在A區(qū)域和B區(qū)域均大于恒定沖擊，C區(qū)域則相反，在B區(qū)域和C區(qū)域內(nèi)兩種沖擊方式的破巖效率相差不大。當(dāng)靜載值為9 MPa時，3個區(qū)域內(nèi)遞增沖擊損傷曲線斜率均大于恒定沖擊，并且遞增沖擊破巖效率明顯高于恒定沖擊。在不同局部靜載約束條件下，恒定沖量循環(huán)沖擊與遞增沖量循環(huán)沖擊的破巖效率差異主要體現(xiàn)在A區(qū)域，并且靜載值越大，兩種沖擊方式的破巖效率差異越大，這說明靜載約束面積和靜載值的增加均會提高煤巖損傷因子對沖擊方式的敏感度。

綜上，在局部靜載約束條件下，遞增沖量循環(huán)沖擊對煤巖的致?lián)p效率總體上高于恒定沖量循環(huán)沖擊，因此，當(dāng)工程巖體處于靜載約束環(huán)境中時，可以考慮改變沖擊方式來提高破巖效率。需要注意的是，在本次試驗中，遞增沖量循環(huán)沖擊的破巖效率高于恒定沖量循環(huán)沖擊，但煤巖的致?lián)p效率不僅與沖擊方式的選取有關(guān)，還與循環(huán)沖擊選取的單次沖量值、靜載約束條件、煤巖內(nèi)部微結(jié)構(gòu)分布特征等因素有關(guān)，因此，關(guān)于上述兩種沖擊方式對煤巖致?lián)p效率的嚴(yán)格定義還需進一步深入研究。

5 煤巖裂紋擴展規(guī)律

煤巖表面裂紋的萌生、起裂和擴展本質(zhì)上是其內(nèi)部微結(jié)構(gòu)演化的總體反映?；诖耍瑢υ嚇釉诓煌o載約束條件下表面裂紋細觀演化規(guī)律進行了監(jiān)測。

5.1 裂紋擴展形態(tài)及分析

試樣在不同靜載約束條件下表面裂紋的演化規(guī)律如圖10所示。在無約束條件下，首先在試樣的邊角出現(xiàn)裂紋，隨著沖擊次數(shù)增加，邊角處的微裂紋不斷衍生、擴展。邊角處裂紋擴展一定程度后，試樣中心出現(xiàn)一條傾斜主控裂紋，隨著沖擊次數(shù)增加，裂紋寬度不斷變大，最終貫穿整個試樣，導(dǎo)致試樣整體發(fā)生破壞，試樣破壞較為均勻，裂紋與水平方向夾角為30°～60°。當(dāng)靜載值為3 MPa時，首先在試樣的B區(qū)域和C區(qū)域交界處出現(xiàn)一條近似豎直的主控裂紋，裂紋與水平方向夾角約81°。隨著沖擊次數(shù)增加，主控裂紋逐漸變寬，并向C區(qū)域衍生多條裂紋直至試樣破壞。受靜載約束影響，試樣宏觀裂紋擴展的分區(qū)特征較為明顯，其中，C區(qū)域裂紋密度最高，B區(qū)域次之，而A區(qū)域宏觀裂紋最少。這主要因為靜載約束的存在對裂紋的擴展起到了抑制作用，B區(qū)域和C區(qū)域的靜載約束面積較小，從而對裂紋擴展的抑制作用小于A區(qū)域，導(dǎo)致裂紋沿著對其阻礙作用相對較小的B區(qū)域和C區(qū)域擴展、衍生，最終使試樣的裂紋擴展情況呈現(xiàn)分區(qū)特征。當(dāng)靜載值為6 MPa時，試樣首先在C區(qū)域出現(xiàn)微裂紋，隨著沖擊次數(shù)增加微裂紋不斷擴展、貫通，隨之在B區(qū)域和C區(qū)域交界處出現(xiàn)兩條主控裂紋，兩條主控裂紋與水平方向夾角分別為77°和85°，其中，主控裂紋Ⅲ近似呈豎直方向擴展，而主控裂紋Ⅳ朝著C區(qū)域擴展。隨著主控裂紋的進一步發(fā)育，試樣發(fā)生分區(qū)破壞，其分區(qū)特征與3 MPa約束試樣相似。當(dāng)靜載值為9 MPa時，試樣首先在A區(qū)域出現(xiàn)兩條主控裂紋Ⅰ與Ⅱ，裂紋傾角分別為83°和75°，近似沿著豎直方向擴展，隨著沖擊次數(shù)增加，B區(qū)域和C區(qū)域分別出現(xiàn)主控裂紋Ⅲ和Ⅳ，裂紋傾角分別接近70°和48°，隨著4條主控裂紋的不斷發(fā)育，試樣發(fā)生破壞。在9 MPa約束條件下，宏觀裂紋的分區(qū)特征表現(xiàn)為A區(qū)域裂紋密度最大，B區(qū)域次之，C區(qū)域裂紋密度最小，與3和6 MPa約束試樣的裂紋分區(qū)情況相反，這是因為當(dāng)靜載值為9 MPa時，原煤受約束區(qū)域達到了屈服狀態(tài)，累積了較高的能量和塑性變形，內(nèi)部細觀微結(jié)構(gòu)得到充分發(fā)育，導(dǎo)致靜載約束區(qū)在沖擊荷載作用下宏觀裂紋擴展、發(fā)育的程度更高。

圖10 裂紋演化規(guī)律

綜上，煤巖試樣表面主要以拉伸裂紋為主，無靜載約束時，裂紋沿傾斜方向擴展，而在局部靜載約束條件下，約束區(qū)域內(nèi)的裂紋主要沿豎直方向擴展，非約束區(qū)內(nèi)的裂紋主要沿傾斜方向擴展。這是因為約束區(qū)內(nèi)試樣沿著豎直方向的變形和能量耗散受到抑制，在沖擊作用下，試樣的變形量和耗散能主要沿著水平方向傳播，造成約束區(qū)內(nèi)產(chǎn)生水平方向的拉應(yīng)力，從而產(chǎn)生沿豎直方向擴展的拉伸裂紋。試驗過程中發(fā)現(xiàn)同組不同試樣表面裂紋的密度、主控裂紋數(shù)量、裂紋的擴展方向有差別，經(jīng)統(tǒng)計，同組不同試樣表面主控裂紋擴展角度的差別在0°～18°，對試驗結(jié)論準(zhǔn)確性的影響不大。

對比試樣內(nèi)部損傷因子的分布規(guī)律可知，煤巖內(nèi)部損傷和宏觀裂紋擴展的分區(qū)特征較為一致，這說明內(nèi)部微結(jié)構(gòu)的發(fā)育、貫通是煤巖產(chǎn)生損傷的直接原因。為了減小試驗誤差，本次試驗選取的試樣均取自河南省趙固二礦，試驗過程中發(fā)現(xiàn)，煤巖的非均質(zhì)特征導(dǎo)致同組不同煤樣的超聲波速大小和表面裂紋密度有細微差別，但同組不同試樣的損傷量和裂紋分布規(guī)律均表現(xiàn)了明顯的分區(qū)特征，試樣個體差異對其分區(qū)損傷特征的影響較小。

5.2 局部靜載約束與煤樣表面裂紋分形維數(shù)的關(guān)系

分形理論被提出以來，逐漸成為表征巖石細觀裂隙特征的重要研究手段。盒維數(shù)法通過采用不同尺寸的正方形格子(δ×δ)覆蓋巖石表面的目標(biāo)裂紋，得到不同尺寸下覆蓋裂紋的正方形格子數(shù)目N(δ)，然后通過式(3)計算出裂紋的分形維數(shù)，該方法目前在分形巖石力學(xué)中得到了廣泛應(yīng)用。

logN(δ)=loga-Dlogδ

(3)

式中：δ為方格尺寸，a為常數(shù)，D為分形維數(shù)。

利用MATLAB分形維數(shù)計算程序，對圖10中試樣臨近破壞時的裂紋圖片進行識別計算，結(jié)果如圖11所示。計算結(jié)果表明，在不同靜載約束條件下，煤巖表面裂紋覆蓋的方格尺寸δ與方格數(shù)目N(δ)具有較好的線性關(guān)系，試樣擬合曲線相關(guān)系數(shù)均在0.9以上，表明在不同局部靜載約束條件下煤巖表面裂紋擴展具有分形特征。

圖11 煤樣表面裂紋分形維數(shù)計算結(jié)果

根據(jù)不同靜載約束條件下試樣表面分形維數(shù)的計算結(jié)果，繪制試樣表面裂紋分形維數(shù)與約束靜載值的關(guān)系，如圖12所示?？梢钥闯?，隨著靜載值增加，試樣表面裂紋的分形維數(shù)先減小后增加，當(dāng)試樣為彈性狀態(tài)時，靜載值越大，分形維數(shù)越小，并且分形維數(shù)小于無靜載約束試樣。當(dāng)試樣為塑性狀態(tài)時，分形維數(shù)大于無約束試樣。分形維數(shù)與裂紋擴展的復(fù)雜程度呈正相關(guān)，基于前述，當(dāng)試樣處于彈性狀態(tài)時，增加局部約束靜載值不僅能夠提高煤巖的抗沖擊能力，還可以降低裂紋的分形維數(shù)，即裂紋擴展的復(fù)雜程度。而當(dāng)試樣處于塑性狀態(tài)時，約束靜載的存在雖然可以增加煤巖的抗沖擊能力，但增加了煤巖表面裂紋擴展的復(fù)雜程度，這對于工程巖體穩(wěn)定性的維護較為不利。

圖12 分形維數(shù)與靜載值的關(guān)系

6 結(jié) 論

1)局部靜載約束提高了煤巖的抗沖擊能力，煤巖損傷演化呈明顯的分區(qū)特征。在彈狀態(tài)下，靜載值越大，煤巖的抗沖擊能力越強，并且煤巖約束區(qū)的抗沖擊能力強于非約束區(qū)。在塑性狀態(tài)下，損傷因子的分區(qū)特征發(fā)生變化，煤巖非約束區(qū)的抗沖擊能力強于約束區(qū)。

2)總體上，遞增沖量循環(huán)沖擊對煤巖的致?lián)p效率高于恒定沖量循環(huán)沖擊，兩種循環(huán)沖擊方式破巖效率的差異主要體現(xiàn)在完整約束區(qū)，并且靜載值越大，損傷因子對沖擊方式的敏感程度越高。

3)在局部靜載約束條件下，煤巖的裂紋擴展情況呈現(xiàn)明顯的分區(qū)特征，損傷因子和宏觀裂紋擴展的分區(qū)特征較為一致。在彈性狀態(tài)下，靜載約束對裂紋的擴展起到抑制作用，裂紋主要沿著對其阻礙作用相對較小的非約束區(qū)擴展、衍生。在塑性狀態(tài)下，裂紋主要在A區(qū)域擴展。在沖擊作用下，受約束試樣的變形量和耗散能主要沿著水平方向傳播，造成約束區(qū)內(nèi)產(chǎn)生水平方向的拉應(yīng)力，試樣表面主要以拉伸裂紋為主。

4)隨著靜載值增加，試樣表面裂紋的分形維數(shù)先減小后增加。當(dāng)試樣為彈性狀態(tài)時，靜載值越大，分形維數(shù)越小，并且分形維數(shù)小于無靜載約束試樣。當(dāng)試樣為塑性狀態(tài)時，分形維數(shù)大于無約束試樣。塑性狀態(tài)下約束靜載可以增加煤巖的抗沖擊能力，但增加了表面裂紋擴展的復(fù)雜程度，對于工程巖體穩(wěn)定性的維護較為不利。