扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究.pdf

第4 6 卷第2 期 2 0 2 1 年2 月 煤炭学报 J O U R N A L0 FC H I N AC O A LS O C I E T Y V o l _ 4 6N o ．2 F e b ．2 0 2 1 扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究 赵光明1 ，一，刘崇岩1 ’2 ，许文松1 ’2 ，孟祥瑞1 ’2 1 ．安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室，安徽淮南2 3 2 0 叭；2 ．安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点 实验室，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要为研究扰动诱发不同中间主应力单面卸荷岩体破坏特征，通过真三轴扰动卸荷测试系统和 声发射监测系统，进行了不同中间主应力卸荷实验及卸荷扰动实验，研究了中间主应力对单面卸荷 岩石强度特征、演变规律及破裂模式的影响，分析了中间主应力盯方向扰动作用后卸荷岩石的力 学特性。结果表明在一定范围内，随着中间主应力的增大，卸荷岩石的稳定性和峰值强度都有所 增强，但较大的中间主应力会逐渐弱化岩石的承载能力；随着中间主应力的增大，卸荷岩石的开裂 模式由张拉一剪切破坏逐渐转变成张拉一劈裂破坏；在仃≤3 0M P a 时，声发射信号经历了平静、持 续出现伴随小幅突增、陡升高峰、持续低峰、大幅突增破坏；在盯 3 0M P a 时，声发射信号经历了平 静、持续出现、多低峰、持续升高、突增破坏；不同类型扰动作用后卸荷岩石的破坏差异明显，中频中 幅扰动后卸荷面形成明显V 型破坏坑，分形维数最大，中频中幅扰动不仅加速了约束力小的卸荷 面附近的小裂纹发育成核，同时也加速了远离卸荷面的大裂纹之间的连接贯通；扰动对岩石承载能 力的损伤为中频中幅 高频低幅 低频高幅；工程建设时，不能简单增加盯，从而增强围岩承载能 力，还要综合考虑盯，的增大会加剧卸荷岩体破坏时的剧烈程度，减少爆破和机械等对围岩的扰动， 不能只单一地改变扰动源的频率或振幅。 关键词单面卸荷；高应力；扰动；真三轴；中间主应力；声发射 中图分类号T D 3 1 5文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 1 0 2 一0 4 1 2 1 2 E x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ef a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g hs t r e s su l l l o a d i n gr o c k m a s si n d u c e db ym s t u r b a n c e Z H A OG u a n g m i n 9 1 一，L I UC h o n g y a n l ’- ，X UW e n s o n 9 1 ’- ，M E N GX i a n g m i l ，2 1 ．＆眦e | K 可血6 啪￡D ∥∥朋i 疵，w 位5 p o 眦eo ，冽I ％珊把rn 耽胛小加no n d ㈨r D f ‘玎z 七印“Ⅺf 朋} n 黜，一，以m ￡协l 钾倦z 秒∥ 犯聊Pn n dy b c ，1 0 ￡q g y ，爿“n ‘，硷n2 3 丑】【 l ， 傀i ”；2 ．何k 6 0 m ￡o 可矿S 咖n 以助础讹c o “胁，矗增，胁n 厶打y 矿E d u c Ⅱ￡加，』4 n 以‰讹H 蚵旷 据，w 口蒯7 b 如凡。幻g y ，m n i m n2 3 2 0 0 l ，m i m A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ef a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n d e - s i d e du n l o a d i n gr o c km a s sw i t hd i f k r e n ti n t e 瑚e d i a t e p r i n c i p a ls t r e s si n d u c e db yd i s t u r b a n c e ，at m et r i a x i a ld i s t u r b a n c eu n l o a d i n gt e s ts y s t e ma n da na c o u s t i ce m i s s i o nm o - n i t o r i n gs y s t e mw e r eu s e dt oc a r r yo u td i f 亿r e n ti n t e 咖e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s su n l o a d i n ge x p e r i m e n t sa n du n l o a d i n gd i s t u r b a n c ee x p e r i m e n t s ．T h ei n n u e n c eo fp r i n c i p a ls t r e s so nt h es t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c s ，e V o l u t i o nl a w ，a n df h c t u r em o d e o fs i n g I e s i d e du n l o a d e dr o c kw a sa n a l y z e d ．F u r t h e 咖o r e ，t h em e c h a n i c a lp I D p e n i e so fu n l o a d e dm c ka f t e rd i s t u r b a n c e i nc r 2d i r e c t i o nw e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ei n t e 珊e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s ，t h es t a b i l i t y 收稿日期2 0 2 0 一l l 一2 9修回日期2 0 2 0 一1 2 2 9责任编辑郭晓炜D o I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／jc nk i j c c s ．x R 2 0 ．1 8 6 0 基金项目安徽省重点研究与开发计划资助项目 2 0 1 9 0 4 a 0 7 0 2 0 0 l O ；国家自然科学基金资助项目 5 1 9 7 4 0 0 9 ， 5 2 0 0 徜1 作者简介赵光明 1 9 7 6 一 ，男，安徽桐城人，教授。T e l 0 5 5 4 6 6 6 8 6 9 7 ，E m a i l 1 3 9 5 5 4 7 1 0 0 6 1 6 3 ．c o ” 通讯作者刘崇岩 1 9 9 4 一 ，男，安徽阜阳人，博士研究生。T e l 0 5 5 4 6 6 6 8 6 9 7 ，E m a i l c h o n g y a n l i u 1 2 6 ．c o m 引用格式赵光明，刘崇岩，许文松，等．扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 l ，4 6 2 4 1 2 4 2 3 ． Z H A 0G u a “g m i n g ，L I UC h o “g y a n ，X UW e n s o “g ，e ta 1 ．E 。p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ef a 订u r ec h a m c l e r i s t i c so fh i g h s t r e s su n l o a d i n gm c km a s si n d u c e db yd i s t u r b a n c e [ J ] ．J o u m a lo fc h i n aC o a ls o c i e t y ，2 0 2 l ，4 6 2 4 1 2 4 2 3 ． 移动阅读 万方数据 第2 期赵光明等扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究 4 1 3 a n dp e a ks t r e n 舒ho ft h eu n l o a d e dr o c ka r ee n h a n c e d ，b u tal a 氇e ro n ew i l lg r a d u a l l yw e a k e nt h er o c kb e a r i n gc a p a c i t y ．W i t ht h ei n c r e a s eo fs t r e s s ，t h ec r a c k i n gm o d eo fu n l o a d i n gr o c kg m d u a l l yc h a n g e sf 而mt e n s i o n s h e a rf a i l u r et ot e n - s i o n - f r a c t u r i n gf a i l u r e ．B e s i d e s ，a t 盯2 ≤3 0M P a ，t h ea c o u s t i ce m i s s i o no fm c k f a i l u r ee x p e r i e n c e sc a l ma n dc o n t i n u e st o a p p e a ra c c o m p a n i e db yas m a l ls u d d e ni n c r e a s ea n das t e e pr i s e ，c o n t i n u o u sl o wp e a k ，a n d1 a r g es u d d e ni n c r e a s eo f d a m a g e ．A f t e r 盯2 3 0M P a ，t h es i g n a le x p e r i e n c e sc a l m ，c o n t i n u o u s a p p e a r a n c e ，m u l t i p l el o wp e a k s ，a n dc o n t i n u o u s r i s i n gd a m a g e ．M o r e o v e r ，t h ef a i l u r eo fu n l o a d e dr o c k sa f t e rd i Ⅱ．e r e n tt y p e so fd i s t u r b a n c e si ss i g n i f i c a n t l yd i f k r e n t ．A f - t e rt h em e d i u m - f 沁q u e n c ya n dm e d i u m a m p l i t u d ed i s t u r b a n c e s ，t h eu n l o a d i n gs u ’a c ef b 珊so b v i o u sV s h a p e df a i l u r e p i t s ，a n dt h ef r a c t a ld i m e n s i o no ft h ed e b r i si st h el a 略e s t ．‘1 1 h e r e f o r e ，t h em i d - f r e q u e n c ya n dm i d - a m p l i t u d ed i s t u r b a n c e n o to n l ya c c e l e r a t e st h en u c l e a t i o no fs m a Uc m c k sn e a rt h eu n l o a d i n gs u d ．a c ew i t hs m a Uc o n s t r a i n i n gf o r c e ，b u ta l s o a c c e l e r a t e st h ec o n n e c t i o nb e t w e e n1 a r g ec r a c k sf a ra w a yf 而mt h eu n l o a d i n gs u d a c e ．T h ed a m a g eo fb e a r i n gc a p a c i t yi s m e d i u mf b q u e n c ym e d i u ma m p l i t u d e h i g hf b q u e n c yl o wa m p l i t u d e l o wf b q u e n c yh i g ha m p l i t u d e ．I u r i n ge n g i n e e r i n gc o n s t n l c t i o n ，D 。2c a n n o tb es i m p l yi n c r e a s e dt oe n h a n c et h es u n ．0 u n d i n gr o c kb e a r i n gc a p a c i t y ．B e s i d e s ，i tm u s ta l s o b ec o n s i d e r e dc o m p r e h e n s i v e l yt h a tt h ei n c r e a s eo f 矿2w i l li n c r e a s et h es e v e r i t yo fu n l o a d i n gr o c km a s sf a i l u r e ．T or e - d u c et h ed i s t u r b a n c eo fs u I T o u n d i n gI D c kc a u s e db yb l a s t i n ga n dm a e h i n e r y ，t h ef k q u e n c yo ra m p l i t u d eo fd i s t u r b a n c e s o u r c ec a n n o tb ec h a n g e da l o n e ． K e yw o r d s s i n 9 1 e s i d e du n l o a d i n g ；h i g hs t r e s s ；d i s t u r b a n c e ；t r u et r i a x i a l ；i n t e 珊e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s ；a c o u s t i ce m i s - s j n n 随着地下工程建设深度的不断增加，岩体受到高 地应力和深部构造应力场等因素的多重作用⋯，使 得岩体应力集中现象日益突出，导致巷道围岩在开挖 卸荷后会发生扩容现象或者支护失效，可能出现岩石 劈裂、围岩剥落、甚至岩爆灾害”≈j 。为了充分考虑 开挖卸荷效应，国内外学者考虑到地下岩石的三轴受 力作用，进行了大量假设围岩盯 盯，的卸荷实 验H 。1 ，研究围压大小、卸荷方式、时机等诸多因素对 卸荷过程中岩石力学特性和破坏特征的影响。因此， 研究高应力岩体开挖卸荷破坏机理是迫切需要的。 但是常规三轴实验无法较准确地模拟复杂围岩非等 围压应力状态，真三轴实验系统弥补了这一缺陷，能 较好地完成复杂应力路径变化过程，模拟出现场实际 工程巷道开挖卸荷，围岩由三向六面应力状态变为三 向五面受力的单面卸荷状态。 中问主应力是决定岩石破坏的重要因素之一，直 接影响了岩体的破裂形式及承载能力帕。J 。L I 等呻1 开展了花岗岩、砂岩、灰岩在不同应力水平下的卸荷 试验，研究了中间主应力对岩石开裂模式的影响。 D U 等∽5 通过双轴加载得出中间主应力大于2 0M P a 后，围岩破裂模式开始转变；宫凤强、苏国韶等p 1 2 1 学者以钻孔岩石来模拟具有结构相似性的巷道围岩， 研究指出在宏观上中间主应力增强了围岩承载能力， 并且直接决定了围岩的颗粒弹射烈度及劈裂程度。 所以研究中间主应力的变化对高应力卸荷岩石破坏 的影响很有必要。目前，针对真三轴应力状态，考虑 到围岩开挖卸荷，开展中间主应力影响下高应力单面 卸荷岩体破坏模式的研究还需要完善。 在巷道开挖以后，围岩体不只受到静应力的作 用，还继续受到由巷道开挖持续产生的动载荷的影 响3 | 。围岩在深部高应力集中的情况下，扰动可能 诱发岩石发生宏观破坏，或者改变其内部结构，弱化 岩石的承载能力【14 | 。相关学者使用真三轴实验系统 进行了扰动荷载与静载联合作用下岩石破坏试验，在 最大主应力方向施加扰动，改变扰动频率和振幅，发 现循环扰动输入的大部分能量被耗散，从而降低了岩 石的能量存储能力和强度引，在岩石积聚足够大的 弹性能时，足够载荷和适当频率的扰动可以直接造成 岩石破坏。考虑到真三轴应力状态的研究，主要是进 行了最大主应力方向的扰动实验6 。1 7J ，通过扰动促 使岩石破裂。而在围岩开挖卸荷后，进行高应力岩体 中间主应力方向扰动实验的相关研究有待开展。 因此，基于以上对现有研究的分析，笔者借助真 三轴卸荷扰动岩石测试系统和声发射监测系统，考虑 围岩开挖卸荷的实际情况，设计单面卸荷实验，研究 中间主应力对单面卸荷岩石破坏的影响，分析盯方 向不同类型扰动作用后卸荷岩石的力学特性，为高应 力卸荷岩体建设的稳定性提供参考。 1 试验方案 1 ．1 实验设备 采用自主研发的真三轴扰动卸荷岩石测试系统， 如图1 所示，其中，仃工，盯，，盯z 分别为x ，l ，，z 方向载 荷，盯。为扰动载荷。该实验机器可对岩石进行三向 万方数据 4 1 4 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 六面加载，每个方向独立控制，可分别进行译轴、双 轴、真三轴、单面卸荷、动静耥合加载等实验。，z 向可 施加最大50 0 0k N 载荷，y 向和x 向最大叮施 加30 0 0k N 戟荷，在 ，向和z 向加载头r f l 分别设计 嵌入扰动加载头，扰动头冲。f ．I 幅值0 ～5 0 0k N ，频率 范围0 ～5 0H z ，可实现2 个力‘向同时独直扰动加载。 同时采用软岛D S 5 声发射信号采集系统躲测卸荷岩 石破坏过程，配合6 个声发射探头采集信钞，声发探 头安装如图l 所示，盯、方向卸荷面和非卸荷面对称 各安装3 个探头。为尽城减少噪音影响，』、J 槛值设定 4 0d B ，声发射采样频率设定为lk H z ～lM H z ，声发 射信号分析软件实时记录A E 事件、能量、振幅等参 数。通过断铅实验对岩样，矗速进行标定，在声发射探 头涂抹耦合剂，以减小实验误差。 图I真i 轴扰动卸衙，彳俐0 试系统及试件安装 F 嘻1 r 1 1 r u I J ⋯a x i a l 1 i 舢瞅⋯ ’Pa 小1u n l m ㈤1 9I 1 ‘。k l e s I iJ 1 9H y H I P I l l 1 ．2 试件制作 取围崭译元体作为研究埘象㈠3 I ，以强度较高的 花岗岩作为实验材料，5 0m m 1 0 0m m 的【f | 1 1 柱体单轴 抗压强度为2 2 0 ．9 6M P a 。为减少由于试件的离散性 造成的实验误差，在取石场选择- 块较大的花岗糟进 行切割，加工成1 0 0m 1 0 0m 1 1 1 2 01 1 1 I n 的长力‘体试 件，保证试件的端面不平祭度和不垂直度小于 0 ． 2m m 。测f l lf f ；花岗岩的璀小物理参数，密度 2 ．6 4 g ／c n l 。、纵波波速56 7 0r n ／s 、横波波 速35 4 1n ∥s 、孔隙率0 ．4 5 ％、泊松比0 ．2 7 、弹性模艟 2 6 ．8G P a 。 1 ．3 实验方案 1 不同t } - | 1 1 J 主应力单面卸荷实验 实验1 。 在商应力巷道了I 挖卸荷后，岩石从真三轴六面受力状 态转变成单面卸荷的五面受力状态，如图2 a 所，J j ， H 日岩应力重新调整平衡，自南面附近岩石可能会⋯现 成力集中现象，Ⅵ1 次生应力超过柑行的承载能力H 寸， 树体产生破坏，，实验路径如州3 所示。首先，加载 盯I z 向 到5 0M I ’a ，加载速率为1 5M P a ／1 1 1 i 1 1 ’柏i 相 川的时问内加载盯 1 ，侧向 到预设的不同中1 1 } I J 主应 力 1 0 ，1 5 ，2 0 ，3 0 ，4 0 ，5 0M P a ；以1 ．5M P a ／r n i f l 速率 加载盯、 x 侧阳 剑5M P a ，瞬时t 社面卸荷盯，；然后， 以15M P a ／，，i 、加载速率持续增加盯．至试件失去承 载能力破坏。 2 扰动诱发卸荷岩体破坏实验 实验2 。，巷 道开挖卸荷以后，r 作面后方Ⅲ崧还会继续受到来自 掘进工作面动载荷的影响，如图2 I ， 所示，本文探讨 { ，问主应力方向扰动对岩石破坏的影响，应力路径如 图4 所示。与实验l 相同在加载剑初始围压时，进行 单Ⅲ卸荷，将盯，J J 载到8 0 ％盯。，保持盯．不变，f ，，方 向进行扰动后，f 呼继续增加c r l 到岩石破坏。初始围 J f i 盯】 5 0M P d ，盯 3 0M P a ， 厂、 5M P a ，矿、为和；此围 J | i 条件实验1 的峰值强度。参考总结前人研究，井下 外挖和震动产乍的扰动频率范嘲为2 ～1 5H z ⋯叫“， 认为小于5 ％盯。足小应力幅值㈨，所以笔者选取扰 动频率为2 ，8 ，15H z ，幅值为l ％f ，、，5 ％盯、，l o ％矿、 实验最终设置低频高幅 2m ，1 9M P a 、f 岛频低 { 爵 1 5H z ，1 ．9M I ’a 、中频【l t { 鬲 8H z ，9 ．5M P a 3 种 扰动模式。 2不同中间主应力试验结果分析 2 ．1强度特征 分析不删I | l 问主应力作川下，卸荷岩石强度特 征，如表l 和H5 所示。在初始闭压加载阶段，岩石 裂隙被压密，单而卸荷之前，应力应变曲线斜，簪早增 大趋势。在单而卸荷时不同中问主应力岩t i 都出现 r 不同程度的轴阳扩容，应变减小，在盯， 3 0M P a 时，应变与应力有较好 的相关性。f 叮以得出在较小的中问主应力下，岩石的 裂隙发育及扩展有很大的不稳定性，而在较大的中间 主应力作用下，应力应变曲线光滑，可以很好地提高 岩石承载的稳定性。并且随肴巾间主应力的增大，岩 石的峰值强度增大，说明| f l l l _ I J 主应力可以提高单面卸 荷岩体对外载荷的承载能／J 。， 一些学者指出随着中问主应力的增大，峰值强度 会出现拐点，f | JJ 二升变为卜．降。s 0 N G 等。1 ⋯通过玻 尔兹曼方程预测真三轴状态下砂岩强度下降拐点对 应中问主应／J 约为1 2 0M P a 。，I l I 图5 峰值载荷趋势 可知，中问主』、证力为5 0M P a 时，峰值载荷增加趋势 逐渐变缓。一定范围中问主J 缸力限制了其．睡直方向 裂纹的扩展，明显地增强r 岩石的承载能力，但是随 着中问主应力的增加，由于卸荷自由面的存在，盯开 始加速了平行其方向的裂纹的发育成核，开始弱化岩 石的承载能力，所以中间主应力的增加可能会对单面 卸荷后岩石的承载能力起到先增强后逐渐弱化的作 用，合适的中问主应力对工程岩体的稳定至关承要。 2 ．2 不同中间主应力卸荷岩石开裂的模式 图6 给出r 不同中间主应力卸荷岩石的破坏模 式，l 矧6 a ～ f 为盯， 1 0 ～5 0M P a 岩石整体破坏； 图6 g ， h 为卸荷岩石张拉层状破坏；图6 i 为现 场大理岩层状破坏口o 。；图6 j 为闱岩板裂破坏“。 叮以发现明显筹片，在较低的c Ⅵ主应力作用下，卸 衙面附近有明娃的平行卸荷而的宏观裂纹，并发牛层 状拉伸破坏如图6 g ， h 所刀j ，‘J 高应力卸衙岩体 现场情况及以往学者研究相似如图6 i ， i 所尔。 冈为在轴向载荷的作用下，中1 1 _ 1 J 丰应力限制J ，7 H i 的 y 阳扩张，岩石阳卸荷面扩容，广牛由压致拉的张性 裂纹，形成明显的破坏坑，但卸荷岩体最终还在远离 卸荷面产生了斜剪切破裂面，整体呈现张拉一剪切破 裂特征。盯， 3 M 1 a 时，破坏后试件也形成』，破坏 坑，但是破坏坑宽度大，深度浅，裂纹呈现劈裂‘J 剪切 复合破坏。在较大的中问主应力作用下，失去承载能 力后的试件较完整，卸荷面整体破坏，岩板折断，多条 乒破裂面近似平行于最大主成／J 方向，呈劈裂破坏。 a 巳2 l OM P a b 巳2 1 5M P a c 巴2 2 0M P a d 口2 3 0M P a e 巳2 4 0M P a f 呸2 5 0M P a g h i j I 鬈I6／f i 同盯卸荷7 ，r “内破坏形态 F 畴6 ‰J L J r Pf I l 也so fu 汕m d 吣M kw i t ht | i m ⋯1 l 盯 声发射波形特征通常被认为是反映断裂破坏模 式的有效途径。研究表明，声发射参数中的R A 值和 平均频率A F 值可以反映材料结构内部的裂纹类型， R A 值是f 升时问和幅值的比值，而平均频率A F 则 由振铃计数和持续时间的比值获得。一般来说，具有 低A F 、高R A 值的声发射信号通常代表剪切裂纹的 产生或发育，槲反，若是高A F 、低R A 值则是张拉裂 纹的产生或发育1 22 I ，花岗彳的裂缝分类的R A 值与 A F 值的比例| ”l 通常设定为l 8 0 。绘制声发射 R A A F 的散点分斫i 密度云图如图8 所示，红色f x I 域 为密度核心Ⅸ域，蓝色区域为兀数据分布区域，密度 为0 ，由红色过渡到蓝色区域代表有一定量的数据， 如图7 所示。 R A A F 的密度云图呈二i 角Ⅸ域，R A 值较大时， A F 值变化范Ⅲ越小。在较小的中问主应力状态下， 信号点稀疏，核心密度不明显，随着中问主应力的增 大逐渐增多，核心密度区域逐渐变大，核心密度【 靠 近A F 轴，由图8 的统计结果町知，盯， 1 0 ，1 5M P a 张 万方数据 第2 期 赵光明等扰动诱发高应力卸荷等体破坏特征文验研究 4 1 7 3 0 0 2 5 0 N 2 0 0 工 1 5 0 山 l O O 5 0 0 3 0 0 2 5 0 N2 0 0 工 耋1 5 0 高频低 幅 低频高幅。低频高幅扰动没有充分诱发岩石内 部裂隙的发育，所以轴向压缩，侧向扩容，产生足够的 中幅更强烈地促进卸荷岩体内裂纹的扩展、成核，试 件主要向卸荷面破坏，所以较小的盯，和盯方向应 变就使得内部裂纹贯通形成破裂面。适当的频率和 振幅耦合对卸荷岩体的损伤更大。 3 ．2 扰动卸荷岩石的分形特征 为分析中间主应力方向扰动后卸荷岩石的力学 性质变化规律，明确扰动影响后破碎块体分布特征， 将试件的碎屑采用筛分法进行处理怛州，筛分尺寸分 另0 为0 ～0 ．5 ，0 ．5 ～1 ．0 ，1 ．0 ～2 ．5 ，2 ．5 ～5 ．0 ，5 ．0 ～ 1 0 ，1 0 ～2 0 ，2 0 ～4 0 ，4 0 ～7 0 ，7 0 ～1 0 0m m ，共9 个粒 级，统计不同扰动后试件各粒级的质量占比，筛分碎 块的分布情况如图1 2 所示，在筛选后放入1 0m m 的 黑色方块作为参考物。 图1 2 1 5H z ，1 ．9M P a 扰动碎屑分布 F i g ．12 D i s t u r b a n ‘e [ 1 e 1 r i sd i s t r 订J u 【j o l l J I15H z ，1 ．9M P a 碎屑分形维数D 的计算可以采用碎屑的质量一 等效边长计算，由分形理沦。27 。可知 M r ／埘 r ／“ ‘ 1 l g M r ／M 矗l g r ／n 2 D 3 一矗 3 式中，朋为计算尺度内碎屑总质量；M r 为小于等 效边长r 的碎屑质量；c z 为碎屑平均尺寸；南为 l g M r ／们 一l gr 双对数坐标下拟合曲线的斜率 值，由此可计算出卸荷岩石破碎后的分形维数。 在计算结果时发现，碎屑在7 0 ～l o on ，m 质量较 高数据较离散，影响拟合斜率，相关性系数小于o ．8 。 学者们研究发现碎屑的自相似性并不一定在整个块 度范围内存在2 8o 。因此本文选择通过7 0m m 以内碎 屑计算分形维数，图1 3 为卸荷岩石碎块l g M r ／ 肼 一l gr 曲线。 低频高幅、中频中幅、高频低幅分形维数分别为 2 ．5 4 8 ，2 ．6 8 9 ，2 ．5 8 3 ，碎屑的分形维数能反映试件的 图1 3 岩石醑块l g M r ／M 与l gr 曲线 F i g ．1 3 R ‘ c ki l a g n 州1 t sl g M r ／M w 淌1 9rc u r v e s 破坏程度，分形维数越大，碎屑破碎程度越高。中频 中幅扰动作用后，分形维数最大，表明大碎屑减少，碎 屑质量趋于相近。低频高幅扰动后分形维数最小，碎 块破碎程度低，表明中频中幅扰动后的卸荷岩石更加 破碎，扰动后加载过程中内部裂纹发育越充分，从另 万方数据 4 2 0 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 一方面说明适当的频率和振幅耦合对卸荷岩体的损 伤更大。 3 ．3 扰动卸荷岩石的开裂机制 中间主应力方向扰动后卸荷岩石的破裂形态如 图1 4 所示，图1 4 中红色为贯通裂隙，蓝色为未完全 贯通裂纹，由于中问主应力限制了y 方向的裂隙扩 展，所以在轴向应力的增大下破裂面平行中间主应 力。在低频高幅的扰动作用后，卸荷面破裂较少，附 近岩板整体剥落，局部层状破裂，没有形成明显的V 型破裂坑，整体发展形成近似共轭x 剪切破裂，裂隙 发育不充分，与其分形维数研究破碎程度低的结果吻 合。说明低频高幅对岩石的损伤最小，由前文分析可 知大裂纹在低频高幅扰动后最多，但由于频率较低， 没有激发小裂纹的形成。 图1 4 扰动作用后岩石破裂形态 F i g ．14 R c kh a c t u r es h a p ea f f e r 1 i s t u r l a n 、e 中频中幅扰动后，卸荷面形成明显V 型破坏坑， 其破坏分形维数最大，破坏坑中岩石破坏以小尺寸较 多，破坏过程中出现的小裂隙较多，在远离卸荷面发 现小裂纹较少，裂纹之间相互连通。表明中频中幅不 仅加速了约束力小的卸荷面附近小裂纹的发育成核， 同时也加速了大裂纹之问的连接贯通。 高频低幅扰动后，卸荷岩石自由面附近形成较小 的V 型破坏坑，由于张拉作用形成明显劈裂厚岩板， 并且远离卸荷面裂隙发育也较为明显，存在两条近似 平行最大主应力方向的未完全贯通裂纹，裂纹之间没 有明显连接贯通，整体呈现近似劈裂一剪切复合破 坏。高频低幅加速了小裂纹形成与成核，但是由于扰 动