巖石沖擊破壞室內試驗方法研究現狀及展望

姚金鵬，尹延春，2，湯興學，邢明錄

（1.山東科技大學 礦山災害預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 宇航學院，北京100081）

沖擊地壓是礦山等地下工程的典型動力災害，發生頻次與強度隨施工深度呈急劇增加的趨勢，嚴重威脅著礦山的正常生產與人員安全。在未來5 年乃至10 年內，沖擊地壓機理、預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，國內外學者從煤巖材料物理力學性質[1-2]、災變區域地質構造[3]、工程擾動等角度對沖擊機理進行揭示[4]，先后提出強度理論、沖擊傾向性理論、變形失穩理論、應力控制理論、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、構造應力和采動應力等靜載高應力引發的應變型沖擊地壓，主要由頂板斷裂或斷層滑移引發的動載誘發型沖擊地壓[8-9]。另一方面，室內力學試驗也是揭示沖擊地壓機理的關鍵技術方法，眾多學者采用多種試驗手段試圖再現礦山巖體的沖擊破壞過程[10-12]，為沖擊地壓的機理揭示與防治提供了重要的依據。為此，介紹了常用應變型沖擊室內試驗及動載誘發型沖擊室內試驗方法，總結了巖石破壞特征測試和其沖擊前兆信息監測方法，并對試驗方法的研究趨勢進行展望。

1 巖石應變型沖擊破壞試驗方法

應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，煤巖體內應力集中達到一定程度后，煤巖體內部儲存的變形能瞬時釋放而發生的彈射、拋出式等破壞，主要由重力、構造應力和采動應力等靜載高應力作用控制[13]。巷道等地下工程開挖卸荷引起的原巖應力調整及大量應變能猛烈釋放，是造成應變型沖擊地壓的重要外因條件[14]。基于開挖卸荷這一誘發條件，國內外學者常采用三軸卸荷試驗研究應變型沖擊地壓。常用巖石應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力狀態，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，實現巖體某方向應力的快速卸荷，并根據試驗結果將巖爆劃分為滯后巖爆、標準巖爆和瞬時巖爆。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生動力破壞。

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

此外，煤礦開采領域專家學者對沖擊地壓機理的研究普遍認為，沖擊地壓是由于堅硬頂板-煤體-底板所構成的組合煤巖體能量積聚與耗散、失去動態平衡而誘發的突變事件。部分專家在綜合考慮圍巖結構特征基礎上，進行了煤巖組合體試驗[17]（圖2）。如竇林名等[18]、左建平等[19]進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。相比于單體巖石試件，煤巖組合試件將圍巖結構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理具有重要指導意義。

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備一般為大剛度巖石力學試驗機，可保證巖石峰后破壞可控，并獲取全應力應變曲線。錢七虎[21]、Zhang 等[22]、Xu 等[23]等學者認為對于應變型沖擊地壓，單靠巖體本身積聚的能量很難發生動力破壞，需要周圍巖體對其進行能量補充。柔性試驗機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（圖3）再現了拋擲型巖爆現象。

2 動載誘發型沖擊破壞試驗方法

動靜載疊加理論[25]認為，當外部動載與巖體靜載的疊加值超過其極限強度后，巖體會發生動力破壞，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，可再現沖擊地壓中的巖體剝離、彈射等現象。該類典型試驗為真三軸擾動試驗，擾動荷載可設計為不同頻率和幅值下的斜坡波、正弦波、方形波、三角波等。基于此類試驗，蘇國韶等[26]研究獲得了軸向低頻擾動荷載下巖爆發生的軸向靜應力和擾動荷載幅值的門檻值，并指出了巖爆發生的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，使煤巖試件發生高應變率動態破壞。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。近年來，部分專家在霍普金森壓桿裝置基礎上增加靜載裝置，研發了SHPB 動靜組合加載試驗系統[29]，如李夕兵等[30]、宮鳳強等[31]進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測方法

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

聲發射是一種常用巖石變形破壞測試手段[37]，主要監測巖石內部微破裂形成時應變能釋放所產生的彈性波信息，不同應力路徑下的不同巖石聲發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射前兆信息，試驗表明煤體沖擊傾向性越強，破壞前的振鈴計數和能量增幅越大。張艷博等[39]對巷道巖爆的聲發射信號進行了聚類分析，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射b 值特性。丁鑫等[42]建立了煤巖裂紋表征參量與聲發射信號頻率、幅值的定性描述。

巖石動態破壞前的場信息同樣是沖擊地壓預測研究受關注的數據，如利用數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，為進一步研究巖石內部應力分布情況，鞠楊等[48-49]利用CT 技術獲取了單軸壓縮試件內部裂隙網絡，并采用3D 打印及三維光彈技術，定量研究了復雜裂隙煤巖內部的應力場分布特征，為巖體內部應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，也是室內力學試驗研究的重要內容。煤巖體破碎程度可采用分形維數來定量評價，碎塊分形維數越大，破碎越劇烈。碎塊彈射速度可通過高速攝像及數字圖像處理技術獲得，進而根據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展趨勢

1）考慮圍巖結構協同作用的沖擊破壞模擬試驗方法。圍巖應變型沖擊是“巖體變形失穩+應力轉移+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-災變的全過程，是應變型沖擊地壓機理研究的一個關鍵問題。因此，應進一步研發考慮圍巖結構協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測方法等。

2）巖石沖擊破壞后多信息精確測試技術。巖石靜（動）態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監測獲得，為沖擊地壓監測預警提供了重要的依據。但巖石沖擊破壞后的信息則關注較少，而碎塊沖擊動能是影響巷道破壞及災害程度的重要指標。因此，應引入更加先進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，為礦山沖擊地壓烈度評價提供試驗依據。

5 結 論

1）巖石沖擊破壞室內試驗是揭示沖擊地壓誘發機理的一種重要手段，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構條件對沖擊地壓的作用，擾動加載試驗機和霍普金森壓桿裝置是研究動載誘發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測是指導沖擊地壓監測方法改進及預警指標優化的重要手段，主要方法包括對應于現場地音法和微震法的室內聲發射測試，獲取巖石表面變形場和溫度場等信息的數字散斑光測和熱紅外方法，巖石內部裂隙場及應力場可視化測試的CT 技術及三維光彈技術。

3）巖石沖擊破壞室內試驗為礦山沖擊地壓防治提供了一系列的技術手段和成果支持，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新的試驗手段。