高軸壓和圍壓共同作用下受頻繁沖擊時含銅蛇紋巖能量演化規律*

王 春，程露萍，唐禮忠，王 文，劉 濤，韋永恒

（1.河南理工大學能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；2.中南大學資源與安全工程學院，湖南 長沙 410083；3.煤炭安全生產河南省協同創新中心，河南 焦作 454000）

能量是物質發生變形破壞的內在因素，影響其變化規律的因素眾多，如外部荷載、溫度、濕度、物質自身材質等。巖石是一種非均勻性的特殊材料，其變形破壞的過程中同樣伴隨著能量的傳遞與轉換[1-2]。研究不同環境下巖石伴隨能量的演化規律，可為巖石工程中涉及的爆破開挖、圍巖支護、巖爆預測等提供理論參考。深部巖石工程處于高地應力環境中，開挖時受頻繁爆破擾動影響，故研究高靜應力、頻繁動態擾動條件下深部巖石能量演化的規律更具有實際意義。

關于深部巖石工程中巖石處于動靜組合力學條件下變形破壞伴隨能量特征的問題，各國學者進行了一定的研究，探討了不同巖性、沖擊強度、溫度對巖石耗能規律的影響。Liu 等[3]、李明等[4]、于水生等[5]和Ju 等[6]研究了砂巖、花崗巖破壞程度與能量耗散之間的關系，發現巖樣破壞后的塊度越小，耗能越多。黎立云等[7]和葉洲元等[8]研究了不同沖擊速度下巖石破壞能量的規律，當沖擊速度越快，巖石破碎越嚴重，能耗越大。許金余等[9]和徐小麗等[10]研究了高溫下巖石破壞過程中涉及的能量演化規律，認為巖石單位體積吸收能不隨溫度的增加而呈現規律性變化。尹土兵等[11]研究了溫、壓耦合及動力擾動下巖石破碎時的耗能規律，得出巖石破碎時能量吸收率最大的預壓力及溫度值。李夕兵等[12]分析了動靜組合加載下巖石破壞的應變能密度準則和突變理論，認為巖石破壞時的應變能密度臨界值與破壞前的塑性變形及所處環境有關。金解放等[13]研究了軸壓、圍壓對循環沖擊下砂巖耗能的影響，得出巖石單位體積耗能隨循環沖擊次數的增大而增加。趙伏軍等[14]研究了動載、靜載、動靜組合荷載三種條件下破巖時巖石釋放聲發射累計能量的大小，得出動靜組合荷載破巖時居中。劉少虹等[15]、王文等[16]還探討了動靜組合加載下煤巖的耗能規律，認為應力波幅值、靜載大小、含水率等都是影響煤巖耗能的主要因素。綜上所述，關于動靜組合荷載下巖石伴隨能量的規律研究，學者們投入了大量精力，但還未見涉及含礦物巖石處于高軸壓和圍壓共同作用下受頻繁沖擊時能量演化規律的研究。

本文中，立足于冬瓜山銅礦采礦工程中面臨的巖性條件及力學環境條件，采用SHPB 動靜組合加載裝置對高軸壓和圍壓共同作用下受頻繁沖擊時含銅蛇紋巖進行沖擊加載，研究其能量演化規律。

1 實驗方案與原理

1.1 實驗裝置及原理

（1） 實驗裝置

實驗采用的SHPB 動靜組合加載實驗裝置[17-19]，主要由入射桿、透射桿、緩沖桿、紡錘型沖頭、加壓裝置、數據采集系統組成，其結構示意圖及實物見圖1。制造桿件的材料為40Cr 合金鋼，單軸抗壓強度為800 MPa，縱波波速5447 m/s，彈性模量為240 GPa。實驗采用高壓氮氣發動紡錘型沖頭，沖擊2 m 長的入射桿，產生恒應變率加載的半正弦應力脈沖，透射波經1.5 m 長的透射桿傳播，0.5 m 長的緩沖桿和軸壓加載裝置可吸收透射桿中的部分能量，以提高實驗精度。實驗過程中的數據由DL-750 示波器及CS-1D 超動態應變儀進行采集。

（2） 實驗原理

根據一維應力下彈性波在細長桿中傳播無畸變及彈性波在巖樣與桿件接觸的兩界面經多次反射后，兩界面的應力應變趨于平衡的原理，由粘貼在入射桿、透射桿上的應變片A1、A2分別測出沖擊過程中入射波、反射波、透射波對應的電壓信號。測得的電壓信號轉換成相應的入射應力、反射應力、透射應力后，可根據如下公式推算出巖樣的動態應力、動態應變率、動態應變[21]：

式中： σI(t) 、 σR(t)、 σT(t) 分別為沖擊過程中的入射應力、反射應力、透射應力，取壓應力為正； σs(t)、分 別為巖樣的動態應力、應變率、應變； A、 As分別為彈性桿、巖樣橫截面積； E 、c 分別為彈性桿的彈性模量、縱波波速；l 為巖樣的長度。

1.2 巖樣制備

巖樣取自冬瓜山銅礦深部出礦巷道附近的圍巖，取樣位置埋深約900 m。由于出礦巷道圍巖含有少量銅礦物，故取出的巖樣為含銅蛇紋巖。巖樣多呈黑綠色或暗灰綠色，表面可見非均勻的裂紋缺陷及點星銅礦物，但總體結構致密。為確保實驗結果精確，按照巖石力學測試要求，將巖樣加工成直徑為50 mm，高度為100、50 mm 的兩種類型。高徑比為2∶1 巖樣的用于三軸壓縮實驗測定含銅蛇紋巖的三軸抗壓強度，高徑比1∶1 的則用于動力學實驗測試。為確保巖樣內含銅礦物的量相近，實驗選用密度相近且兩端面不平行度及不垂直度均小于0.02 mm 的巖樣進行測試。

1.3 實驗方案

采用預加載圍壓pc模擬深部巖體承受的水平應力，預加載軸壓pa模擬深部巖體垂直方向承受的高靜壓力，較小的沖擊氣壓pshock模擬深部巖體承受的頻繁爆破開挖擾動的影響。實驗中先施加圍壓，再施加軸向壓力，待二者穩定后施加軸向的沖擊荷載，每次沖擊后須進行調整，確保沖擊前預加載的圍壓、軸壓一致，直至巖樣發生宏觀破壞。具體的實驗加載力學模型見圖2，其中：pa,tot為巖體承受的軸向總壓力。

為模擬高靜載的條件，需預加載的軸壓接近巖石的三軸抗壓強度，故實驗前須采用Instron 1346 型電液伺服材料試驗機測定了含銅蛇紋巖的三軸抗壓強度，結果見表1 及圖3。

由表1 及圖3 得，隨圍壓的增加，巖石的三軸抗壓強度增大，原因是圍壓增強了巖石抵抗外部靜力荷載的能力。高軸壓和圍壓共同作用下頻繁沖擊擾動實驗要求預加載圍壓、軸壓時巖樣未發生宏觀破壞，且預加載的軸壓值須趨近巖石靜力學條件下的峰值強度?；诤~蛇紋巖三軸壓縮實驗結果，考慮巖樣內部結構的差異，選擇圍壓為15 MPa 時的三軸抗壓強度185.36 MPa 為參考值，制定動力學實驗預加載的軸壓分別為100、120、140、160 MPa，圍壓則設置為15、20、25、30 MPa。

為模擬深部巖體承受的爆破開挖小擾動條件，基于爆破監測結果及取樣位置與爆破點的距離，由監測點頂板振動速度反演出發射腔內沖頭的速度，進一步推算出動力實驗中沖擊氣壓的值為0.5 MPa。具體的反演步驟如下。

基于冬瓜山銅礦爆破監測結果，以薩氏經驗公式為基本形式，采用最小二乘法進行擬合，獲得出礦巷道-760m 水平監測點頂板振動速度幅值的經驗公式[22]：

圖 2 實驗加載力學模型示意圖Fig.2 Sketch map of mechanical model under test load

表 1 深部含銅蛇紋巖三軸壓縮實驗結果Table 1 Test results of deep copper-bearing serpentine under triaxial constringent compression

圖 3 三軸壓縮條件下含銅蛇紋巖的應力-應變曲線Fig.3 Stress-strain curves of copper-bearing serpentine under triaxial constringent compression

式中：vd為爆破振動速度，cm/s；Q 為單循環總耗炸藥量，kg；r 為監測點到爆破點的距離，m；R 為擬合相關系數。

由式（4）可計算出距爆破點21 m 處（取樣位置）的爆破振動速度為12.37 cm/s，為與室內高靜載頻繁動力擾動實驗相結合，假設圖4 發射腔內沖頭受氣體的壓力不變，且沖頭的速度等于取樣處爆破振動速度，故可利用下式推導出沖擊氣壓的值為0.5 MPa[21,23]：

圖 4 沖擊氣壓與沖頭速度關系示意圖Fig.4 Relational diagram of impact pressure and punch speed

式中：發射腔截面積S=1.13×10-3m2；沖頭質量m=1.77 kg；發射腔長度L=2.46 m；p 為沖擊氣壓，MPa；f 為衰減系數，取值為0.1。

1.4 實驗結果

基于實驗原理，總結分析實驗數據，將每組巖樣承受的擾動沖擊次數累計值列入表2。圖5 給出了軸壓為100 MPa，圍壓分別為15、30MPa 時的動態應力-應變曲線，其中數字為擾動沖擊序號。

表 2 高軸壓和圍壓共同作用下頻繁動態擾動實驗結果Table 2 Results of frequent dynamic disturbance test under combined action of high axial pressure and confining pressure

圖 5 動態應力-應變曲線隨沖擊次數的變化規律Fig.5 Change of dynamic stress-strain curves with impact times

表2 中顯示，累計擾動沖擊次數隨軸壓的增大而減小，隨圍壓的增大而增大，說明預加載的軸壓促使了巖石內部微裂紋的萌發、擴展、貫通，降低了巖石抵抗外界沖擊荷載的能力；預加載的圍壓制約了巖石內部的損傷，使巖石內部的微裂紋橫向發展速度減慢，相應提高了巖石抗沖擊荷載的能力。

圖5 顯示了動態應力-應變曲線于峰值應力前由線性向非線性變化的趨勢發展。峰值應力后沖擊應力卸載的階段出現兩種現象：一種是動態應變減小的回彈現象，另一種是動態應變一直增大到沖擊應力卸載結束的現象。究其原因，巖石內部微裂紋壓密后，沖擊擾動時巖石處于彈性變形過程，造成動態應力-應變曲線的直線增長；隨沖擊應力的增加，巖石內部微裂紋萌發、擴展、貫通，出現了塑性變形，尤其當應力達到巖石的屈服應力時，動態應力-應變曲線進入非線性階段；動態應變減小的回彈現象是由于巖石未發生宏觀破壞時內部存儲的彈性力大于卸載階段時的擾動沖擊應力；動態應變增至卸載結束是因為在擾動沖擊過程中，巖石內部產生了局部破壞，內部存儲的彈性能釋放較多，不足以抵抗沖擊應力造成的壓縮強度。

圖5 中還顯示，每次沖擊過程對應的峰值應力隨擾動沖擊次數的增加而降低，且峰值應變滯后于峰值應力。前者說明擾動沖擊誘發了巖石內部損傷，使其損傷程度加劇，后者現象的原因有二：一是沖擊荷載作用時，巖樣已處于高靜應力狀態，沖擊荷載的瞬間作用造成巖樣內部產生一定損傷，當其瞬間卸載后，巖樣在高靜應力趨勢下，短時間內繼續產生壓縮應變；二是沖擊荷載瞬間卸荷，高應變率無法瞬間降為零，巖樣的壓縮應變仍繼續增大，造成峰值應變滯后于峰值應力。

2 能量種類探討

2.1 基本假設

高軸壓和圍壓共同作用下頻繁沖擊擾動實驗過程中伴隨著多種能量的轉換，部分能量無法通過計算直接得出，如聲能、巖樣震動耗能等。為研究沖擊擾動前后巖樣伴隨能量的變化規律，在一定假設的基礎上利用能量守恒定律定量探討，具體假設條件如下：

（1）預加載圍壓、軸壓時，認為巖樣處于彈性變形階段，此時巖樣可認為是完全彈性的，即應力與應變的關系服從胡克定律；

（2）沖擊荷載作用瞬間，巖樣承受的圍壓值近似認為不發生突變，維持初始圍壓不變；

（3）每次沖擊擾動后，若圍壓、軸壓可調整至初始值，認為巖樣未完全破碎，且巖樣的變形與巖樣原尺寸相比很?。?/p>

（4）每次沖擊擾動后，若圍壓、軸壓無法加載到初始值，認為巖樣完全破碎，失去抵抗外界靜荷載或沖擊荷載的能力；

（5）由于沖擊擾動瞬間完成，可認為沖擊過程中巖樣與外界未進行熱交換。

2.2 能量探討

高軸壓和圍壓共同作用下頻繁沖擊擾動實驗中監測各種能量的轉換規律難以實現，但基于一定假設基礎，可對主要能量的演化規律進行推演，得出巖樣內部能量轉換的基本規律，如彈性能、塑性能、釋放能、吸收能等。由于巖樣承受多次沖擊擾動，每次沖擊擾動后巖樣伴隨的能量都產生變化，為確保能量探討的可靠性，針對每次沖擊擾動前、擾動后的能量種類進行探討。

2.2.1 沖擊擾動前能量探討

在假設（1）的基礎上，每次沖擊擾動前的主要能量為巖樣內部存儲的彈性能及沖擊荷載作用時產生的沖擊動能，即入射能。

（1）彈性能。預加載圍壓、軸壓時，巖樣發生彈性變形，在假設（3）小變形條件下，此時巖樣內部存儲的彈性能可按產生因素分兩部分進行探討：一部分由軸壓引起；另一部分由圍壓產生；總的彈性能則為兩部分之和乘以修正系數K，K 取值范圍為1.05～1.15。

在假設（1）的基礎上，預加軸壓時巖樣內部存儲的彈性能為

式中：Ue,a為巖樣內部軸壓產生的彈性能；E 為靜載作用下巖樣的彈性模量； ε為巖樣產生的壓縮應變；V 為巖樣的體積。

預加載軸壓時巖樣變形服從胡克定律，結合單軸壓縮作用下應力、應變計算的原理，可得：

式中： σ為壓應力；F1為沖擊擾動前預加載的軸向壓力；H 為巖樣的高度。將式（7）帶入式（6），得

預加圍壓時，在小變形假設的基礎上，可將圓柱形巖樣等效為方形巖樣進行彈性能估算，見圖6。

圖 6 圓柱形巖樣與方形巖樣同體積等效示意圖Fig.6 Same volume equivalent diagram of cylindrical rock sample and square rock sample

此時，估算預加圍壓時巖樣內部彈性能的增量，只需將式（8）中巖樣的高度H、橫截面積 As分別用巖樣的半徑r、側面積的一半（Hπr/2）進行替換：

式中：Ue,c為巖樣內部圍壓引起的彈性能，F2為沖擊擾動前預加載的側向壓力。

結合式（8）～（9），可推算預加載圍壓、軸壓時巖石內部存儲的總彈性能表達式為：

（2）入射能。實驗過程中，紡錘型沖頭沖擊入射桿產生正弦應力波，相對應的沖擊動能便是入射能，是巖樣變形、破碎、巖塊彈射等所需能量的主要來源，入射能表達式為[21]

式中： UI為入射能；τ為應力脈沖延續的時間。

2.2.2 沖擊擾動后能量探討

在假設（1）～（5）的基礎上，每次沖擊擾動后巖樣伴隨的主要能量為彈性能、塑性能，以及沖擊荷載作用時產生的反射能、透射能。

根據熱力學定律，彈性能密度 ue、塑性能密度up可根據動態應力-應變曲線進行計算，如圖7 所示，圖中σ*為動態峰值應力，ε*為動態峰值應變，Ed為動態變形模量。

（1） 彈性能。巖樣完全破碎時，在假設（4）的基礎上認為伴隨巖樣的彈性能為零，因此探討巖樣未完全破碎時伴隨的彈性能更有意義。彈性能由圍壓、軸壓及沖擊荷載共同產生，可分兩部分進行探討。在假設（3）的基礎上，擾動沖擊后圍壓、軸壓促使巖樣內部產生的能量類似于實驗前預加圍壓、軸壓產生的彈性能，仍可用式（10）進行計算；沖擊擾動促使巖樣產生彈性變形，基于假設（2）～（5），產生的彈性能為

圖 7 沖擊伴隨彈性能密度、塑性能密度計算關系圖Fig.7 Calculation diagram of elastic energy density and plastic energy density under impact load

（2） 塑性能。沖擊應力加載階段，即動態應力-應變曲線峰前階段，巖樣內部集聚彈性能，且由于損傷加劇也消耗一定的能量，基于假設（5），巖樣伴隨的總能量密度為

由圖7，得，

將式（12）和（14）代入式（13），得

即沖擊擾動后塑性能的計算公式為：

（3）反射能、透射能：每次沖擊擾動時，入射應力脈沖傳至巖樣受沖擊面，部分應力脈沖經巖樣受沖擊面反射回來，伴隨的能量為反射能；部分應力脈沖透過巖樣繼續傳播，伴隨的能量為透射能；二者的計算公式如下[21]：

式中： UR、 UT分 別為反射能、透射能； σR、 σT分別為沖擊過程中的反射應力、透射應力。

3 能量演化規律

3.1 沖擊伴隨彈性能變化規律

沖擊荷載作用時，巖樣產生彈性變形，內部存儲一定的彈性能。當預加載的圍壓、軸壓一定時，巖樣內部存儲的彈性能隨擾動沖擊次數的增加先增加后減小，如圖8 所示。

圖 8 沖擊伴隨彈性能隨擾動沖擊次數的變化規律Fig.8 The change law of elastic energy produced by impact load with disturbance impact times

由于沖擊荷載作用時間極短，巖樣瞬間完成儲能、釋能兩個階段。沖擊初始階段，由于巖樣損傷程度小，抵抗沖擊荷載的能力降低不明顯，但此時壓縮變形量增加幅度相對較大，造成巖樣伴隨的彈性能快速增加，說明巖樣此時具有由脆性向延性轉化的傾向；當沖擊次數達到一定值時，巖樣損傷急劇增加，內部微裂紋快速發展、貫通，此時巖樣以塑性變形為主，彈性變形趨于減小的趨勢發展，造成巖樣內部存儲的彈性能逐漸減小，說明巖樣即將面臨脆性破壞。

預加載的圍壓、軸壓對沖擊伴隨彈性能的變化規律也有一定的影響。圖8（a）中，當沖擊次數小于7 時，彈性能隨圍壓的增大而增大，說明圍壓提高了巖樣抗壓縮變形的能力；當沖擊次數大于7 次時，彈性能隨圍壓的增大而變化的規律不明顯，說明此時巖樣內部微裂紋處于非穩定狀態，圍壓的存在甚至有利于局部裂紋的擴展、貫通。圖8（b）中，當沖擊次數大于10 次時，彈性能隨軸壓的增大而降低，說明高軸壓加劇了巖樣內部損傷，降低其強度，減弱其儲能能力；當沖擊次數小于10 次時，彈性能變化趨勢基本一致，尤其是軸壓為100 和120 MPa 時，因為此時巖樣內部損傷程度較低，不同軸壓下巖樣內部結構特征相似。

3.2 沖擊伴隨塑性能變化規律

沖擊荷載作用時，巖樣產生不可恢復的變形，說明巖樣內部產生了不可逆的結構變化，如裂紋的萌發，需消耗一定的能量。研究沖擊擾動時巖樣伴隨塑性能的變化規律，可揭示巖石內部結構演化的特征。如圖9 所示，預加載圍壓、軸壓不變時，塑性能隨擾動沖擊次數的增加而增大。塑性能的增大說明巖樣內部微裂紋的萌發數量增多，擴展程度提高，進一步說明頻繁的沖擊誘發巖石損傷加劇，降低了巖石抵抗外界荷載的能力。

圖 9 沖擊伴隨塑性能隨擾動沖擊次數的變化規律Fig.9 The change law of plastic energy produced by impact load with disturbance impact times

圍壓的存在局限了巖石內部微裂紋的橫向發展，可提高巖石抗沖擊的能力，體現在塑性能的大小上，則隨圍壓的增大，巖樣用于裂紋萌發、擴展等消耗的能量（塑性能）減小，如圖9（a）所示。

當軸壓相對較低時，巖樣內原有微裂紋或由于預加圍壓萌發的微裂紋未充分閉合，沖擊荷載作用時該部分裂紋繼續閉合，消耗的能量較多；隨軸壓的增大巖樣閉合越充分，微裂紋閉合消耗的能量相應減?。晃⒘鸭y完全閉合后，繼續增加軸壓，此時巖樣內部產生損傷，沖擊荷載誘發新微裂紋萌發、擴展，且速度逐漸增大，此時消耗的能量逐漸增多。體現在塑性能的變化規律上如圖9（b）所示，總體上隨軸壓的增大先減小后增大。

3.3 入射能、反射能與透射能

入射能、透射能、反射能是高軸壓和圍壓共同作用下頻繁沖擊擾動實驗中伴隨的三種主要能量。入射能越大則作用于巖樣上的沖擊應力就越大，透射能越大說明巖樣致密性、均質性越好，反射能越大說明巖樣內部損傷越嚴重。分析實驗過程中入射能、透射能、反射能的變化規律，可間接反應巖石內部結構的變化，但由于預加載高軸壓與圍壓使巖樣內部存儲了一定的能量，同時沖擊過程中還伴隨著其他能量的轉換，都影響著入射能、透射能、反射能的變化規律。為消除巖石內部存儲能量對入射能、透射能、反射能造成的影響，取反射能、透射能與入射能的比值進行分析，仍可體現沖擊過程中巖石內部特征的變化情況。

圖10 顯示，當預加載軸壓、圍壓一定時，反射能與入射能的比值隨擾動沖擊次數的增加呈增大的趨勢發展，說明沖擊擾動過程中從巖樣端面反射回來的應力波能量逐漸增大，間接說明巖樣內部損傷加劇，即巖樣內部的破裂裂紋數增多，裂紋間的間隙也增大，造成應力波透過巖樣傳播的阻力增大，同時巖樣受沖擊端面上衍生的破裂裂紋數也增多，不規則的裂紋面也增大了應力波反射的面積，最終造成反射能與入射能的比值增大。

圖 10 反射能與入射能比值隨擾動沖擊次數的變化規律Fig.10 Change law of the ratio of reflection to incident energy with disturbance impact times

圖10 （a）中，當預加載圍壓、擾動沖擊次數一定時，反射能與入射能的比值隨軸壓的增大總體上呈增大的趨勢發展，如沖擊次數為第10 次時，軸壓為100、120、140、160 MPa 對應的比值分別為0.081、0.146、0.225、0.262，說明預加載的高軸壓促使巖樣內部產生損傷，且軸壓越大損傷越嚴重，甚至產生宏觀破壞的傾向。

圖10（b）中，當預加載的軸壓與擾動沖擊次數一定時，當沖擊次數較少時，反射能與入射能的比值隨圍壓的增大呈減小的趨勢發展，如圖中沖擊次數小于5 時；當擾動沖擊次數較大時，反射能與入射能的比值隨圍壓的增大呈增大的趨勢發展，如圖中沖擊次數大于5 時；圍壓的存在限制了巖樣內部微裂紋的橫向擴展，提高了巖樣的致密性，當沖擊次數較少時，隨圍壓的增大巖樣的致密性提高，造成反射能與入射能的比值減?。浑S擾動沖擊次數的增加，巖樣內部損傷逐漸加劇，在動態擾動誘導下圍壓的存在反而促進了巖樣內部損傷的加劇，加速了巖樣的破壞，因此反射能與入射能的比值隨圍壓的增大而增大。

圖11 中顯示，當預加載的軸壓、圍壓一定時，透射能與入射能的比值隨擾動沖擊次數的增加呈減小的趨勢發展。其原因是擾動沖擊次數的增加，巖樣內部新舊裂紋的數目增多，且裂紋間隙逐漸增大，導致應力波在不規則的裂隙面上多次反射，最終導致透過巖樣傳播的應力波總能量減小。

圖11（a）中可見預加載的圍壓、擾動沖擊次數一定時，透射能與入射能的比值總體上隨軸壓的增大而減小，但也存在軸壓較小時比值較大的現象。比值隨軸壓增大而減小的原因是預加載的軸壓為高軸壓，接近巖樣的三軸抗壓強度，當其增大時，巖樣破壞的傾向就越明顯，內部裂隙也就越多，導致應力波傳播的阻力增大；軸壓較小時比值較大的偶然現象的主要原因是沖擊過程中預加載的軸壓或圍壓產生了卸壓現象，釋放的部分能量轉換成了透射能。

圖11（b）中可見預加載的軸壓、擾動沖擊次數一定時，沖擊次數小于5 時，透射能與入射能的比值隨圍壓的增大呈增大的現象，是由于圍壓提高了巖樣的致密性，尤其是巖樣橫向的致密性；當沖擊次數大于5 時，比值隨圍壓的增大呈減小的趨勢發展，且規律性明顯，其原因是多次沖擊造成巖石內部損傷加劇，甚至達到了臨界破壞的狀態，圍壓的存在則加速了巖樣破壞的趨勢，圍壓值越高沖擊擾動過程中巖樣破壞的幾率就越大，體現在透射能的總量就越小。

圖 11 透射能與入射能比值隨擾動沖擊次數的變化規律Fig.11 Change law of the ratio of transmission to incident energy with disturbance impact times

3.4 巖樣單位體積吸（釋）能

高軸壓和圍壓共同作用下頻繁沖擊擾動時，軸壓、圍壓、擾動沖擊次數以及巖樣內部特征等都是影響巖樣內部能量變化規律的因素。借助實驗過程中外部能量的變化，可間接推演巖樣內部能量的轉換規律，即考慮入射能與反射能、透射能的差值便可推演巖樣是吸收能量還是釋放能量，若差值為正巖樣吸收能量，反之釋放能量。利用式（19）可計算巖樣單位體積吸/釋能，研究其隨圍壓、軸壓、擾動沖擊次數的變化規律，可推測巖樣內部結構特征的演化。

式中：Uab為巖石單位體積吸能，Uab＜0 為釋放能量； Vs為巖樣的體積。

圖12 中顯示，當預加載的圍壓、軸壓一定時，巖樣單位體積吸（釋）能隨擾動沖擊次數的增加呈先減小后增大的下凸曲線趨勢變化。初始幾次沖擊階段，巖石由吸收能向釋放能轉變，尤其是預加軸壓為100 MPa 時較明顯，原因是開始幾次沖擊時巖樣內部結構較穩定，吸收一定能量用于巖樣內部微裂紋的閉合；當沖擊次數達到一定值時，巖樣呈釋放能量的狀態，且釋放的能量先增大后減小，其是由于該階段巖樣內部損傷加劇，巖樣內部存儲的能量主要轉換為裂紋擴展所需的能量，由于裂紋擴展的速度隨擾動沖擊次數的增加經歷“慢-快-慢-臨界狀態”四個階段，最終導致巖樣內部可釋放的能量先增大后減小；巖樣破壞前的幾次沖擊呈吸收能量的狀態，且吸收的能量驟然增大，其原因是巖樣破壞的過程中伴隨聲能、熱能、破碎能等，該部分能量便是由巖樣吸收的能量轉化而來。

圖 12 單位體積吸（釋）能隨擾動沖擊次數的變化規律Fig.12 Change law of unit volume absorption (release) energy with disturbance impact times

為研究巖石單位體積吸（釋）能受圍壓、軸壓的影響，取每塊巖樣沖擊過程中單位體積吸（釋）能的均值進行分析，其變化規律見圖13。

圖 13 單位體積吸（釋）能均值隨預加圍壓或軸壓的變化規律Fig.13 Change laws of the mean value of energy absorption (dissipation) per unit volume with preload confining pressure or axial pressure

圖中顯示巖樣單位體積吸（釋）能隨圍壓的增大先減小后增大，且圍壓較小時呈吸收能狀態，說明圍壓較小時可增強巖樣的儲能能力，但圍壓增大到一定區間則會促使巖樣產生損傷，降低其儲能能力；隨軸壓的增大，巖樣單位體積吸（釋）能呈減小的趨勢發展，說明軸壓是巖樣發生破壞的主導因素，軸壓越大巖樣破壞的傾向就越強。

4 工程應用探討

深部巖體工程開挖時，內部能量突然釋放可能導致巖爆產生，其宗旨是能量的釋放。由于地應力的存在，巖體內便產生一定的彈性能，研究沖擊擾動時巖樣內部彈性能隨擾動沖擊次數的變化規律，可揭示巖體受爆破擾動時產生彈性能的變化規律，將二者結合起來便可預測第幾次爆破時巖爆可能發生，為巖爆預防提供理論參考。

為將研究成果應用到工程實踐中，首先探討含銅蛇紋巖與一般均質巖石動力學特征及能量演化規律的異同點。含銅蛇紋巖與一般均質的蛇紋巖相比，能承受的擾動沖擊次數隨預加軸壓的變化趨勢無明顯差別，實驗中伴隨彈性能、塑性能等隨沖擊擾動次數增加而變化的規律也無明顯差別。不同之處在于二者的脆性、抵抗外界的能力方面，含銅巖石的脆性弱于一般均質巖石，同一條件下能承受的擾動沖擊次數、存儲的彈性能等都高于一般均質巖石。

沖擊擾動時伴隨的塑性能、反射能、透射能等隨擾動沖擊次數的變化規律，可揭示巖樣內部的損傷程度，也可反映巖體中裂隙、裂紋等的發育程度。監測爆破擾動時產生的沖擊應力波的能量，結合爆破的次數和塑性能、反射能、透射能等隨爆破次數的變化規律，便可推測巖體的損傷程度，為分析巖體的整體穩定性提供理論參考，以便服務于爆破采礦、圍巖支護、采空區穩定性控制等。巖石處于高靜應力條件下，內部存儲一定的彈性能，若該能量超出巖樣儲能極限，瞬間進行釋放便產生巖爆；若儲能位于巖樣儲能極限之下，則需沖擊擾動誘導，才可能發生巖爆。因此，可采用巖樣內存儲的彈性能為指標預測巖爆的發生，計算公式如下：

式中：Ue,pre為預加載圍壓、軸壓時巖石內部存儲的總彈性能；Ue,shock為沖擊荷載作用產生的彈性能；Ue,lim為巖樣能存儲的臨界彈性能。

5 結 論

基于高軸壓和圍壓共同作用下頻繁沖擊擾動實驗結果，分析了含銅量近似一致的蛇紋巖的力學特征及能量演化規律，得出如下結論：

（1）巖樣承受的擾動沖擊次數隨軸壓的增大而減小，隨圍壓的增大而增大，且每次沖擊時對應的峰值應力隨擾動沖擊次數的增大而減??；

（2）隨擾動沖擊次數的增加，巖樣伴隨的彈性能總體上呈先增大后趨于減小的趨勢發展，塑性能、反射能與入射能比值呈增大的規律變化，透射能與入射能比值則呈減小的規律變化；

（3）預加載的圍壓、軸壓一定時，巖樣單位體積吸（釋）能隨擾動沖擊次數的增加呈先減小后增大的趨勢發展，其均值隨圍壓的增大也呈先減小后增大的規律變化，但隨軸壓的增大呈減小趨勢發展。