基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6 N o ．3 M a r ．2 0 2 1 基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学 研究进展与展望 李夕兵1 ，宫凤强2 1 ．中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙4 1 0 0 8 3 ；2 ．东南大学土木工程学院，江苏南京2 1 1 1 8 9 摘要深部围岩开采前处于高静应力状态，开采 开挖 过程中不可避免承受机械或爆破开挖带 来的开采扰动、卸载扰动以及应力调整扰动作用，属于典型的动静组合受力状态。用动静组合加载 力学研究深部开采岩石力学问题更加符合深部围岩开采的实际情况。从深部围岩开采受力全过程 出发，介绍了“岩石动静组合力学”概念和试验研究的提出过程，阐述了岩石动静组合力学试验研 究从一维状态到二维状态再到三维状态的发展历程，并重点介绍了真三轴动静组合加载岩石力学 试验系统的研制情况和取得的研究进展。根据对深部开采岩石力学科学认识的不断深入，结合动 静组合加载岩石力学试验相关研究结果，揭示了深部岩石在各种动静组合受力状态下的力学响应、 破坏特征以及能量规律，科学再现并解释了岩爆、板裂及冲击地压等非常规岩石破坏现象和机理。 在此基础上，系统总结了真三轴动静组合加载岩石力学试验机的共同特点，并提出了未来研究的4 个重点发展方向①发展能实现“三维高静应力 卸载 冲击扰动”功能的真三轴S H P B 动静组合 加载试验机；②发展大尺寸岩石内部卸荷真三轴试验机；③基于三维动静组合加载岩石力学试验 聚焦深部围岩发生岩爆灾害的能量机理；④开展深部原位保真取芯的三维动静组合加栽岩石力学 试验。 关键词岩石力学；深部开采；动静组合加栽；真三轴；高应力；卸载；扰动；岩爆 中图分类号T D 3 1 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 - 0 8 4 6 2 l R e s e a r c hp r o g r e s sa n dp r o s p e c to fd e e pm i n i n gr o c km e c h a n i c sb a s e do n c o u p l e ds t a t i c - d y n a m i cl o a d i n gt e s t i n g L IX i b i n 9 1 ，G O N GF e n g q i a n 9 2 1 ．S c h o o lo f R e s o u r c e sa n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，C e n t r a lS o u t hU n i v e r s i t y ，C h a n g s h a4 1 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ．S c h o o lo f C i v i lE n g i n e e r i n g ，S o u t h e a s tU n i v e r s i t y ， N a n j i n g2 1 1 1 8 9 ，C h i n a A b s t r a c t D e e ps u r r o u n d i n gr o c k sa r eh i g h l ys t a t i c a l l ys t r e s s e db e f o r em i n i n g e x c a v a t i n g a n dw i l li n e v i t a b l ye x p e r i - e n c ed i s t u r b a n c e sf r o mu n l o a d i n g ，m i n i n g ，s t r e s sa d j u s t m e n to rt h e i rc o m b i n a t i o n sd u r i n gm e c h a n i c a lo rb l a s t i n ge x c a v a t i o n ，w h i c ha c t u a l l ys u f f e rf r o mat y p i c a lc o u p l e ds t a t i c d y n a m i cs t r e s s ．S t u d y i n gd e e pm i n i n gr o c kb e h a v i o r sf r o mt h e p e r s p e c t i v eo fc o u p l e ds t a t i c d y n a m i cm e c h a n i c si sm o r ea c c o r d a n tw i t ht h ep r a c t i c a ls t r e s sc o n d i t i o n so fd e e ps u r - r o u n d i n gr o c k s ．I nv i e wo ft h i s ．t h ec o n c e p to f “c o u p l e ds t a t i c d y n a m i cr o c km e c h a n i c s ”a n dt h eh i s t o r yo fe x p e r i m e n - t a lr e s e a r c ho nc o u p l e ds t a t i c ．d y n a m i cr o c km e c h a n i c sf r o mo n e ．t ot w o d i m e n s i o n a ls t a t ea n dt h e nt ot h r e e ．d i m e n s i o n a l 收稿日期2 0 2 1 0 1 2 6修回日期2 0 2 1 0 3 0 9 责任编辑钱小静D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．Y T 2 1 ．0 1 7 6 基金项目国家自然科学基金重点资助项目 4 1 6 3 0 6 4 2 ；国家自然科学基金重大科研仪器研制资助项目 5 1 9 2 7 8 0 8 ；国家自然科学基金资助项目 4 2 0 7 7 2 4 4 作者简介李夕兵 1 9 6 2 一 ，男，湖南宁乡人，教授。E m a i l x b l i C S U ．e d u ．c n 引用格式李夕兵，宫凤强．基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 1 ，4 6 3 8 4 6 8 6 6 ． L IX i b i n g ，G O N GF e n g q i a n g ．R e s e a r c hp r o g r e s sa n dp r o s p e c to fd e e pm i n i n gr o c km e c h a n i c sb a s e dO i lc o u p l e ds t a t i c d y n a m i c l o a d i n g t e s t i n g [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 8 4 6 8 6 6 ． 移动阅读 万方数据 第3 期 李夕兵等基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望 s t a t ea r ep r e s e n t e d ，f o c u s i n go nt h ed e v e l o p m e n ta n da d v a n c e si nt h ed e v e l o p m e n to ft h et r u et r i a x i a lc o u p l e ds t a t i c - d y - n a m i cr o c km e c h a n i c st e s ts y s t e m ．B a s e do na ni n - d e p t ha n ds c i e n t i f i cu n d e r s t a n d i n go fd e e pm i n i n gr o c km e c h a n i c s ， t h em e c h a n i c a lr e s p o n s e ，f a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c sa n de n e r g yl a w so fd e e pr o c k su n d e rv a r i o u sc o u p l e ds t a t i c - d y n a m i c s t r e s ss t a t e sa r er e v e a l e d ，a n ds o m ea b n o r m a lr o c kf a i l u r ep h e n o m e n as u c ha sr o c k b u r s ta n ds p a l l i n ga r er e p r o d u c e d a n dt h e i ro c c u r r e n c em e c h a n i s m sa r er e v e a l e di na c c o r d a n c ew i t ht h er e l a t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ．O nt h i sb a s i s ，t h e c o m m o nc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r u et r i a x i a lc o u p l e ds t a t i c d y n a m i cr o c km e c h a n i c st e s t i n gm a c h i n e sa r es u m m a r i z e d s y s t e m a t i c a l l y ．F o u rd e v e l o p m e n td i r e c t i o n so ff u t u r er e s e a r c ha r ea l s op r o p o s e d ①D e v e l o p i n gt h et r u et r i a x i a lS H P B c o u p l e dd y n a m i ca n ds t a t i cl o a d i n gt e s t i n gm a c h i n et h a tc a nr e a l i z et h ef u n c t i o no f “t h r e e - d i m e n s i o n a lh i g hs t a t i c s t r e s s u n l o a d i n g i m p a c td i s t u r b a n c e ”；②D e v e l o p i n gal a r g es c a l er o c ki n t e r n a lu n l o a d i n gt r u et r i a x i a lt e s t i n gm a - c h i n e ；③F o c u s i n go nt h ee n e r g ym e c h a n i s mo fr o c kb u r s ti nd e e ps u r r o u n d i n gr o c kt h r e e - d i m e n s i o n a lc o u p l e dd y n a m - i ca n ds t a t i cl o a d i n gr o c km e c h a n i c st e s t s ；a n d ④C a r r y i n go u tt h r e e ．d i m e n s i o n a lc o u p l e dd y n a m i ca n ds t a t i cl o a d i n g r o c km e c h a n i c st e s t sb a s e do nd e e pi n s i t uc o r i n gt e c h n o l o g y ． K e yw o r d s r o c km e c h a n i c s ；d e e pm i n i n g ；c o u p l e ds t a t i c d y n a m i c ；t r u et r i a x i a l ；h i g hs t r e s s ；u n l o a d i n g ；d i s t u r b a n c e ； r o c k b u r s t 随着浅部矿产资源的持续开发和深部交通、水 电、铁路以及核废料处置工程的建设，国内外越来越 多的矿山和隧道 硐 工程趋向深部发展【lJ 。例如南 非W i t w a t e r s r a n d 地区的T a u T o n a 金矿开采深度已经 到地下39 0 0m ，成为目前世界上最深的矿山旧1 ；新 汶矿区孙村煤矿是我国开采深度最大的矿井，采深已 达15 0 1m 口1 ；锦屏2 级水电站引水隧硐的最大埋深 达到了25 2 5m 【4 。5 1 ；瑞士G o t t h a r d 铁路隧道最大埋 深达到23 5 0m 【6J 。在这众多深部地下工程开采或 开挖过程中，出现了很多特殊工程地质灾害现象，其 中尤其以岩爆、板裂破坏、冲击地压的危害最大。卜9 | 。 例如2 0 0 8 - 0 2 - 1 3 ，锦屏2 级水电站隧硐拱顶左侧发 生岩爆，同时在隧道右侧边墙底部也出现了板状挤出 破裂，导致停工达1 0d 之久驯；山东玲珑金矿西山 坑口地下5 0 0m 巷道侧壁发生板裂破坏和岩爆，延伸 达1 0m 左右；该矿大开头矿区也出现了类似现 象；山东龙郓煤业有限公司发生冲击地压事故，造 成2 2 人被困井下2 1 ；这些工程地质灾害的发生机 理，和深部围岩所处的特定应力环境即高地应力和工 程开采 或开挖 扰动有关o t 3 - 1 5 1 。利用现有的强度准 则和纯静、动载理论均无法作出合理的解释0 1 6 ] ，导致 对上述工程地质灾害的预测和控制，很多时候还停留 在定性阶段。因此，明确上述工程地质灾害的发生机 理，不论对于丰富岩石力学理论的发展，还是为深部 矿山安全高效开采与灾害防治提供合理指导，都具有 重要的科学价值和工程现实意义。 在岩石力学研究领域，试验研究占有非常重要的 地位。例如刚性试验机的发明极大促进和提高了研 究人员对硬岩力学行为的科学认识。借助刚性试验 机，不但可以通过试验获得岩石的全应力一应变过 程，而且根据试验可以揭示岩石在峰后的破坏性质， 促进了人们对各种岩石破坏机制科学认识的进一步 深化ⅢJ 。针对深部开采岩石力学而言，也必须开展 试验研究。开展试验研究前，必须科学认识深部围岩 在开采全过程中的受力状态和特点。在开采前，深部 围岩受三维高静应力作用，处于平衡状态。一旦开 采，掘进工作面及工作面围岩在冲击凿岩、崩矿爆破、 机械切割、诱导崩矿等工序作业下，从受力的角度会 受到卸荷扰动作用，部分工序还会对已开采的围岩有 动力扰动作用，而且在近采场区域的深部围岩还会受 到应力调整扰动作用4 1 6 ’1 8 。加】。因此，从全应力过程 来说，深部开采区域的围岩会承受“三维高静应力 扰动应力”的组合作用，简称动静力组合作用。这一 受力状态完全不同于传统的岩石静力学或岩石动力 学范畴，并由此产生了“动静组合加载岩石力学”这 一学术概念。 “动静组合加载岩在力学”学术概念是2 1 世纪 初基于我国当时深部矿山开采及深部岩石工程开挖 建设发展趋势的时代背景提出的。“动静组合加载” 的学术思想最早来源于笔者等2 0 0 1 年在香山科学会 议第1 7 5 次学术讨论会所作的专题报告3 | 。经过近 2 0a 持续深人的研究，“动静组合加载力学”在深部 岩石力学领域已经得到广大专家认可，并拓展应用于 十多个领域旧卜”1 。同时，在近2 0a 中，动静组合岩石 力学试验研究从概念提出到现在，经历了从一维到三 维、从单纯加载到考虑加卸载、从低加载率到高加载 率、从试验研究到理论研究、从研究岩石材料到考虑 结构空间效应的发展历程，并逐渐聚焦于真三轴动静 组合岩石力学试验研究。 岩石真三轴试验在岩石力学研究中非常重要。 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 传统的真三轴岩石力学试验主要研究目的是获取岩 石在三维受力状态下的力学特性，并进一步研究岩石 的强度准则和破坏机制。传统岩石真三轴试验的特 点是均采用加载的方式进行，所获得的应力应变曲线 都是加载受力状态下的应力应变曲线。这种加载方 式没有考虑扰动应力和应力路径不同带来的影响，无 法反映深部岩石在预先承受三维高静应力然后受开 采引起的扰动作用，即动静力组合作用。因此，研究 深部岩石力学特性，特别是开采作用下的深部岩石力 学Ⅱ向应、破坏特性及规律，首先要科学认识深部围岩 开采过程中所经历的“三维高静应力 扰动应力”这 一动静组合受力状态，开发研制能实现这种功能的真 三轴岩石动静组合加载试验机。 笔者从分析深部围岩开采全过程的受力特点出 发，阐明了“动静组合加载岩石力学”概念提出的经 过，然后分别介绍一维、二维和三维动静组合加载岩 石力学试验研究的发展历程和取得的研究进展。综 述上述动静组合加载岩石力学试验研究的发展历程 时，主要以众多研究单位开发和研制的能满足动静组 合加载力学试验功能的实验系统作为切人点进行介 绍，随后简要总结了在上述实验系统上开展的动静组 合岩石力学试验和获得的研究成果。综述上述情况 后，系统总结了真三轴岩石动静组合力学试验系统和 研究成果的共同点。最后展望了岩石动静组合加载 力学试验未来的发展方向。 1 深部围岩开采全过程的受力特点 1 ．1 浅部和深部岩石受力路径区别 现有的岩石静力学主要研究静载范围内岩石的 力学响应、破坏特性和强度准则13 8 。1 - 。常规岩石动力 学主要关注动载作用下岩石的破坏、能量耗散特性、 动态断裂、本构特征及应力波在岩体中的传输规 律。”。。上述岩石静、动力学理论主要适用于浅部岩 石工程，基本不考虑应力路径的影响，严格意义上和 深部开采岩石力学没有联系。深部岩石在开采前处 于三维高静应力环境中，后期开采是在这一始终存在 的应力环境中进行。这是和浅部岩石开采受力不同 的初始条件和最显著的区别。这一显著区别也决定 了浅部岩石可以采用加载路径进行试验研究，而深部 岩石开采的力学响应和规律则不能采用类似的加载 路径进行研究，必须综合考虑卸载、加载以及组合应 力路径的影响。 1 ．2 静应力和扰动应力的关系 在深部开采岩石力学中讨论静应力和扰动应力 的相互关系时，首先需要明确扰动应力的概念。相对 于开采前深部岩石所承受的三维初始高静应力状态 而言，开采过程及后期应力调整中引起的所有卸荷扰 动、加载扰动、应力调整扰动以及组合应力扰动均属 于扰动应力。因此，在“动静组合加载岩石力学”概 念中，“静力”是指开采前或开采中及开采完成后深 部围岩始终所承受的高静地应力，“动力”是指掘进 工作面及采动区域围岩在开采过程中受到卸荷扰动、 加载扰动、部分工序对已开采深部围岩带来的动力扰 动、采场区域深部围岩受到应力调整扰动甚至上述几 种扰动的组合，是多种扰动应力的总称。图l 为深部 围岩所承受的动静组合受力状态简化示意“。，其中， A 为一维动静载荷组合；B 为三维动静载荷组合。 静荷载 动荷载 P jP l i ii多f U l i l P 只一静载荷 P d 动载荷 图1深部开采罔岩受力示意”吡 F i g ．1 S c h e m a t i cd i a g l ’a n lo fs u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sm o d e l s a ld e e pm i n i n gp r o c e s s ’2 0 在研制动静组合加载岩石力学试验系统时，要深 刻把握深部围岩开采全过程的受力特点，即作为初始 状态的高静应力在试验全过程中始终存在，扰动应力 是后期加上去的。相关研究表明，受初始静应力 或 初始静荷载 作用的岩石受到后期扰动应力作用发 生破坏时，初始静应力条件在岩石破坏过程中起主导 作用，而且决定了岩石破坏的强度水平和能量释放水 平，而扰动作用则起到诱发围岩破坏的作用1 4 04 2 ] 。 2 一维动静组合加载岩石力学试验发展历程 和进展 如前所述，“动静组合载荷” 动静载组合 这一学 万方数据 第3 期 李夕兵等基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望 术思想和固定专业表述最早来源于笔者等2 0 0 1 年香 山会议专题报告‘13 1 。“动静组合加载”这一力学概念 首先来自于一维动静组合加载岩石力学试验和研制新 型多功能岩石破碎试验装置的相关论文口8 _ 9 ’4 3 。川。在 此之前，笔者等在2 0 0 0 - - 2 0 0 1 年研究利用聚晶金刚石 切削钻头 P o l y c r y s t a l l i n eD i a m o n dC o m p a c tb i t ，P D C 钻 头 破碎硬岩时，同时考虑拉力和冲击作用，提出了 “C o m b i n e da c t i o nm o d e ”和“C o m b i n e dl o a d s ”的概 念㈤啪o 。此外，笔者分别指导赵伏军、马春德于2 0 0 4 年完成了“动静载荷耦合作用下岩石破碎理论及试验 研究”博士学位论文和“一维动静组合加载下岩石力学 冲击杆 传动装置 冲击杆 升降横梁 刀具夹 轧轮车 岩样 特性的试验研究”硕士学位论文M 3 1 47 1 。根据不完全统 计，截至目前，已经有中南大学、煤炭科学研究总院、天 津大学、东北大学、中国矿业大学等3 0 多所高校和科 研院所的研究生完成了“动静组合加载”作用下岩石力 学及地下工程方面的研究。 2 ．1 一维动静组合载荷破岩多功能试验系统 笔者等M 5 ’删在前期研究中发现，冲压和静压的 组合能明显提高岩石的破碎效果。基于这一科学认 识，赵伏军等在中南大学研制了新型多功能岩石破碎 试验装置，并在2 0 0 4 年的论文中介绍了该试验装 置‘4 4 1 图2 。 导轨 图2 切削一冲击多功能实验台‘“1 F i g ．2 M u l t i f u n t i o n a lt e s t i n gd e v i c ef o rc u t t i n g ．i m p a c t [ “] 多功能岩石破碎试验装置集成了多种功能，不但 可以进行单一静载荷或单一动载荷侵入破碎岩石的 试验，还可以进行动静载荷组合加载破碎岩石的试 验。装置主要由轴向静压加载装置、落锤冲击加载装 置、刀具及夹具装置和测试系统等部分组成。利用该 试验机，谢世勇、赵伏军等进行了一系列破岩试 验M 8 ‘5 0 j 。结果表明，静压力和冲击力在一定范围内 组合加载可以使破碎坑体积增加很快，进而大幅提高 破岩效果；另外在预加静载荷使部分岩石发生体积破 碎之后再施加冲击载荷，可以使岩石破碎效果最好。 2 ．2 基于I n s t r o n 试验机的一维动静组合加载岩石 力学试验系统 为了模拟深部开采过程中围岩承受动力扰动情 况下强度变化规律，笔者等8 。1 9 1 设计了能实现一 维 单轴 “预静应力 低周疲劳扰动”动静组合加载 岩石力学试验方案，并在I n s t r o n - 1 3 4 2 电液伺服材料 试验机上对5 0m m x 5 0m m 1 0 0m m 的长方体红砂岩 试样进行了一维动静组合加载试验，试验加载示意如 图3 所示。该试验系统由电液伺服控制，可以实现预 静载情况再施加低周疲劳扰动，扰动形式有正弦波、 三角波和方波等形式，能够满足一维动静组合加载的 试验要求。在红砂岩的一维动静组合加载试验中，分 析了动静组合加载下红砂岩强度和单独动载、单独静 载作用条件下的强度差别以及组合加载情况下预静 载应力与最终破坏强度的对应关系。随后，笔者 等b u 提出了动静组合载荷作用下岩石的应变能密度 准则，并采用红砂岩一维动静组合加载试验结果进行 了验证；左宇军等∞2 1 利用突变理论分析了一维静载 岩石系统在动载作用下的稳定性及变化规律，并建立 了相应的非线性动力学模型，分析了一维动静组合载 荷岩石系统的失稳破坏试验结果。 2 ．3 基于S I - I P B 装置的一维动静组合加载试验系统 为了研究深部高应力围岩在采场近区承受爆破、 冲击等动载荷的力学效应，笔者等基于使用纺锤形冲 头的S H P B S p l i tH o p k i n s o nP r e s s u r eB a r ，简称 S H P B 试验装置“ 引，自主研发了基于S H P B 装置的 一维动静组合加载试验系统㈣’5 4 1 图4 ，即岩石动静 组合加载试验机Ⅲj ，并在2 0 0 5 年申请了发明专 利。55 | 。该试验系统采用半正弦应力波加载，相应的 试验方法已经写入国际和国内岩石动力特性试验规 万方数据 8 5 0 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 ／卜 一 } 一 图3一维动静组合加载试验示意⋯⋯ F i g ．3 S c h e m a t i cd i a g r a mo foned i m e n s i o n a lc o u p l e d s t a t i c d y n a m i cl o a d i n gt e s t 1 8 1 程’5 ””。利用该试验系统，不但可以实现高应变率 下一维动静组合加载岩石力学试验，而且可以进行三 维动静组合加载岩石力学试验。轴向静态预应力装 置由钢架组成，一端设有压力加载装置。压力加载装 置由油缸、活塞和密封圈组成，如图5 所示。油缸两 端进／出油阀通过手动泵连接。当需要施加轴向预压 应力时，启动图5 中的手动泵以增加腔室中的油压， 活塞移动，从而对弹性杆和试样施加静应力。为了模 拟地下深部岩石的应力状态，在实验室将应力控制在 2 0 0M P a 以内。在一维动静组合加载岩石力学试验 中，应变率为1 0 ～1 0 0S ～，可模拟深部高应力围压在 采场近区受到机械冲击、爆炸载荷下的岩石动力特 性12 0 , 5 8 ] 。 图4基于S H P B 装置的一维动静组合加载试验系统示意”“ F i g ．4E x p e r i m e n t a ls y s t e ms k e t c ho fo n e d i m e n s i o n a lc o u p l e ds t a t i ca n dd y n a m i cl o a d sb a s e do nS H P Bd e v i c e “5 4 图5 一维动静组合加载试验机中的轴压装置“1 F i g ．5 A x i a lc o m p r e s s i v es t r e s sa p t a l ’a l u si ne x p e r i m e n t a l s y s t e mu n d e ro n e d i m e n s i o n a lc o u p l e ds t a t i ca n d d y n a m k - l o a d s ㈣ 笔者利用一维动静组合加载试验装置，针对砂岩 系统地开展了一维动静组合加载下的动力学特性试 验研究L 4 05 4 ] 。在研究中发现，当应变率相同时，岩石 抗压强度会随着轴压比 预静应力和岩石单轴抗压 强度之比 的增加表现出先s 曾D i l 后减小的规律，并且 在轴压比处于0 ．6 ～0 ．7 内达到最大值。当轴压相同 时，岩石抗压强度会随着应变率的增加而增加，呈现 指数函数关系。而且当轴压比合适时，随着入射能的 S 曾D 1 1 ，岩石试样在破坏过程中先后会表现出“吸收能 量一释放能量一吸收能量”3 个阶段，首次确认了“一 维静应力 冲击扰动”组合加载下室内“岩爆”的释放 能量现象。上述结果揭示了矿柱型岩爆的发生机理， 并为岩爆能与人工诱导碎裂能的互换模型和诱导技 术提供了理论依据4 0 。 利用该岩石动静组合加载装置，刘少虹等5 9 “。。研 究了动静组合加载下应力波在煤岩结构中的传播机 制、能量耗散特性、煤岩动态破坏特性和破坏失稳突变 模型以及混沌机制。研究中发现，当煤岩组合体承受 的静载值大于“临界静载”时，外界施加很少的动载能 量就能使煤岩组合体产生破坏；同时，基于试验结果， 认为动载冲击地压可以分为动载主导型和动载诱发 型，前者能量源主要来自于动载，后者能量源来自于静 载，确定动载冲击地压的类型对于如何防治冲击地压 更加有针对性和高效性。金解放和唐礼忠等’6 卜6 3o 对 岩石预先施加一维静应力情况下进行多次循环冲击作 用，考察了轴向静应力、冲击次数对岩石组合抗压强 度、变形模量以及能耗参数的影响。王文等2 6 朋。考 察了含水煤样在一维动静组合受力情况下的破碎块 度、能量耗散特征和动静组合抗压强度的变化情况。、 周子龙和满轲等。6 5 “J 分别对红砂岩和花岗岩进行了 一维动静组合加载下巴西劈裂试验，考察了预静载和 冲击动载对岩石抗拉强度的影响。宫凤强等j 6 卜对花 岗岩进行了一维预静载下的冲击断裂试验，试验结果 表明在不同预静载下岩石承受冲击扰动，会发生明显 的断裂强度弱化效应。利用该试验机，还有很多研究 人员分别开展了一维动静组合加载岩石力学和能耗 特性方面的研究，取得了不少研究成果。 童- 万方数据 第3 期 李夕兵等基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望8 5 1 3 二维动静组合加载岩石力学试验发展历程 和进展 3 ．1 基于I n s t r o n 试验机的二维动静组合加载岩石 力学试验系统 在一维动静组合加载试验研究基础上，左字军 等‘嘣。将特制的一维水平静压装置和I n s h Ⅶ，电液伺 服材料试验机组合，开发了二维动静组合加载试验 机，加载示意如图6 所示。二维动静组合加载试验机 由双轴静载试验装置和动力扰动试验装置组成，伞部 在F a s tT r a c k8 8 0 0 型I n s t r o n 电液伺服控制试验系统 上经过改造完成。经过改造，该系统在水平方向增加 了一个由液压伺服控制的可以独立进行侧向静压加 载的装置。利用该试验装置，可以在精确控制情况下 实现0 ～1 0M P a 内固定侧向静压、竖向动力扰动作 用C r U z ．维动静组合加载试验。图7 为二维动静组合 加载试验机装置图。． 尸，一组 入一丁 ＼／一 图6 二维动静组合加载试验示意“l F i g ．6 S c h e m a t i cd i a g r a mo ft w od i m e n s i o n a lc o u p l e d s t a t i c 一d y n a m i cl o a d i n gt e s t 【呲 利用上述试验机，左宇军等| 6 8 针对红砂岩进行 了二维动静组合加载下的破坏试验，来模拟深部岩体 在二维高静力情况下再承受周期载荷等动力扰动作 用的力学响应和破坏特征。研究中发现，和岩样在周 期荷载作用情况下相比，在相同静载条件下再承受动 试样 作动器 油泵 加载盒 图7 二维动静组合加载试验机“ F 醇7 T w od i m e n s i o n a l 1 m p l e ds t a t i c d y n a m i cl o a d i n g t e s t i n gm a h i n e 6 8 载荷作用后，尽管红砂岩在应力一应变曲线的滞回圈 数和全』、迈变均不相同，但是疲劳破坏的极限变形规律 却一致，而且破坏过程中岩样所消耗的有效全应变能 有趋向相同值的发展趋势。同时，还分析了动载一定 时红砂岩在不同水平静载和不同竖向静载下破坏的 基本规律和特征，为深部采矿和矿柱等的稳定性分析 提供理论与试验依据。马春德等。6 9 1 为r 模拟开采后 的深部在高应力条件下围岩的受力情况，也进行了类 似的试验。试验过程中首先对红砂岩试样静力加载 到屈服状态，然后在某一受压方向再施加正弦疲劳动 荷载，采用定频不同应力幅值的形式，模拟动力扰动 作用，直至试样破坏。研究中发现，在不同应力幅值 的循环扰动荷载作用下，红砂岩试样主要沿着受水平 静压方向发生破裂，破坏模式表现为剪切破坏为主， 而且随着扰动荷载应力幅值的增大，岩石破碎程度会 逐渐增大。特别是当扰动载荷幅值较大时，当试样整 体发生宏观破坏时，在临空面两侧上会产生岩片弹射 的室内“岩爆”现象i 3 ．2 基于S H P B 的不同向二维动静组合加载试验系 统 P E N GJY 等。7 0 。借助S H P B 试验系统，实现了方 体岩样在二维静载条件下承受正面冲击动载试验。 加载试验系统如图8 所示，静载装置和动载装置相互 独立。 图8岩石双向静载冲击加载试验系统7 ‘’ F i g ．8I m p a c tl o a d i n gt e s ts y s t e mf o rr o c ks p e - i m e nH n d e l lb i a x i a ls t a t i c l o a 1 i n g 7 ‘’ 试验前，先对试样在水平和竖直2 个方向上施加 静力，然后利用S H P B 系统中的入射杆施加与静载垂 直的水平向冲击动载。该试验方法和前面的动静组 合加载装置相比，显著区别是静载方向和动载方向相 皇- 万方数据 8 5 2 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 互垂直，而前述的一维或二维动静组合加载装置则是 静、动载在同方向上加载。利用该试验装置进行试 验，研究中发现，在不均匀的双向静载荷作用下，裂纹 首先沿主应力方向扩展，最后形成一个椭圆形的破坏 区。在等双轴静载荷作用下，表面裂纹呈弧形扩展， 最终形成圆形破坏区。破坏区的周长和体积随着静 应力的．L 曾D N 而增大。因此，在深部工程中，合适方向 的高地应力会增大岩石破坏区的大小，通过精心设计 爆破方案与地应力场的匹配，可以减少炸药的消耗。 3 ．3 双杆式二维霍布金森压杆力学试验系统 双杆式二维霍布金森压杆力学试验在三轴霍普 金森杆试验系统上完成。7 。J 。三轴霍普金森杆试验系 统由澳大利亚M o n a s h 大学研制完成 图9 。7 。。最 近东南大学也安装了一套双杆式二维霍布金森压杆 力学试验系统 图1 0 。 图9三轴霍普金森杆试验系统7 ’ F i g ．9 T r i a x i a lH o p k i n s o nb a i t e s ts y s t e m 7 图1 0 东南大学双杆式霍普金森杆试验系统 F i g ．1 0 B i a x i a lH o p k i n s o nb a rt e s ts y s t e mi nS o u t h e a s t u n i v e i ’s i t y 三轴霍普金森杆系