扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制.pdf

第4 5 卷第3 期 2 0 2 0 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 5N o ．3 M a r ．2 0 2 0 移动阅读 赵光明，许文松，孟祥瑞，等．扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 3 9 3 6 - 9 4 8 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j C C S ．S J 2 0 ．0 1 3 3 Z H A OG u a n g m i n g ，X UW e n s o n g ，M E N GX i a n g r u i ，e ta 1 ．I n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo fh i g hs t r e s sr o c km a s su n d e re x c a v a t i o na n du n l o a d i n gi n d u c e db yd i s t u r b a n c e [ 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 0 ，4 5 3 9 3 6 9 4 8 ．d o i 1 0 ．1 3 2 2 5 ／ j ．c n k i ．j C C S ．S J 2 0 ．0 1 3 3 扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制 赵光明1 , 2 ，许文松1 , 2 ，孟祥瑞1 , 2 ，刘崇岩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 0 1 ；2 ．安徽理q - k q 能源与安全学院，安徽淮南2 3 2 0 0 1 摘要地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏，对地下工程施工人员及施工设备构成了 重大威胁。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行单面卸荷扰动试验，研究高应力岩体开 挖单面卸荷围岩渐进性破坏规律，分析不同初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条件 下高应力岩体单面卸荷力学、破坏特征。结果表明①单面瞬时卸荷时，轴向应变存在瞬时回弹一 压缩流变现象，轴向应力越大，回弹量越小，压缩量越大；②随着第二主应力的增大，破坏强度呈现 一个先升高后降低的一个过程，第二主应力为2 0M P a 处是破坏强度的转折点；③高应力岩体单面 卸荷破坏为拉伸一劈裂一剪切复合破坏，第二主应力对卸荷破坏的最终形态呈现着关键因素，在第 二主应力为1 0M P a 时，试样出现拉伸一劈裂一剪切裂纹，随着第二主应力的增加，试样内部剪切现 象逐渐消失，出现的劈裂裂纹增加，在第二主应力为2 0M P a 时，试样内部基本全部处于劈裂破坏； ④动静组合作用下，静载的大小与岩样的强度是决定破坏的主要因素，同等扰动条件下，当静载为 破坏强度的8 0 ％时，破坏强度为1 4 8 ．6M P a ，静载为破坏值的9 0 ％时，岩样的整体破坏强度为 1 4 2 ．4M P a ，静载越大岩体破坏所需的触发能量越小破坏值越低，静栽相同时，随着扰动振幅、频率 的增加，岩体的破坏强度越低，对高应力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用。 关键词单面卸荷；扰动；动静组合；失稳机制 中图分类号T D 3 2 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 0 0 3 - 0 9 3 6 - 1 3 I n s t a b i l i t ym e c h a n i s mo fh i g hs t r e s sr o c km a s su n d e re x c a v a t i o na n d u n l o a d i n gi n d u c e db yd i s t u r b a n c e Z H A OG u a n g m i n 9 1 ，一，X UW e n s o n 9 1 ”，M E N GX i a n g r u i l ，一，L I UC h o n g y a n l t 2 1 ．L a b o r a t o r yo f M i n i n gR e s p o m ea n dD i s a s t e rP r e v e n t i o na n dC o n t r o li nD e e pC o a zM i n e s ，A n h u iU n i v e r s i t yo yS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ， C h i n a ；2 ．S c h o o lo f E n e r g ya n dS a f e t yE n g i n e e r i n g ，A n h u iU n i v e r s i t yo f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，H u a i n a n2 3 2 0 0 1 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h ep r o c e s so fu n d e r g r o u n de x c a v a t i o n ，t h es u r r o u n d i n gr o c ki nt h eh i g hs t r e s sa r e ai sp r o n et od y n a m i c d a m a g e ，w h i c hp o s e sam a j o rt h r e a tt ot h eu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o np e r s o n n e la n dc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n t ．I nt h i sp a p e r ，t h er o c kt e s t i n gs y s t e mo ft r u et r i a x i a lu n l o a d i n gd i s t u r b a n c ei su s e dt ot e s tt h es i n g l e s i d e du n l o a d i n gd i s t u r b a n c e o fs a n d s t o n e ．T h ep r o g r e s s i v ef a i l u r el a wo fs u r r o u n d i n gr o c ki nt h es i n g l e s i d e du n l o a d i n gr o a d w a yo fh i g hs t r e s sr o c k m a s se x c a v a t i o ni ss t u d i e d ．T h em e c h a n i c sa n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e s i d e du n l o a d i n go fh i g hs t r e s sr o c km a s s u n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n ti n i t i a ls t r e s s e s ，d i f f e r e n td i s t u r b a n c ea m p l i t u d e sa n dd i f f e r e n td i s t u r b a n c ef r e q u e n c i e s a l ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t ①w h e nt h es i n g l es i d ei su n l o a d e di n s t a n t a n e o u s l y ，t h ea x i a ls t r a i nh a st h ep h e n o m e n o no fi n s t a n t a n e o u sr e b o u n dc o m p r e s s i o nr h e o l o g y ．T h eg r e a t e rt h ea x i a ls t r e s s ，t h es m a l l e rt h er e b o u n da n dt h e 收稿日期2 0 2 0 0 1 - 0 4修回日期2 0 2 0 0 3 0 6责任编辑郭晓炜 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 3 ；国家自然科学基金资助项目 5 1 9 7 4 0 0 9 ，5 1 6 7 4 0 0 8 作者简介赵光明 1 9 7 6 一 ，男，安徽桐城人，教授，博士生导师。E - m a i l 1 3 9 5 5 4 7 1 0 0 6 1 6 3 ．c o r n 通讯作者许文松 1 9 8 6 一 ，男，河南焦作人，助教，博士。E - m a i l 3 5 9 8 7 9 0 2 1 q q ．c o r n 万方数据 第3 期赵光明等扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制 9 3 7 l a r g e rt h ec o m p r e s s i o n ．②W i t ht h eg r o w t ho ft h es e c o n dp r i n c i p a ls t r e s s ，t h ef a i l u r es t r e n g t hf i r s ti n c r e a s e sa n dt h e n d e c r e a s e s ，a n dt h et u r n i n gp o i n to ft h ef a i l u r es t r e n g t hi sa tt h es e c o n dp r i n c i p a ls t r e s so f2 0M P a ．③T h es i n g l es i d e u n l o a d i n gf a i l u r eo fh i g hs t r e s sr o c km a s si sac o m p o s i t ef a i l u r eo ft e n s i o ns p l i u i n gs h e a rf a i l u r ea n dt h es e c o n dp r i n c i - p a ls t r e s si st h ek e yf a c t o rt ot h ef i n a ls h a p eo fu n l o a d i n gf a i l u r e ．W h e nt h es e c o n dp r i n c i p a ls t r e s si s1 0M P a ，t h et e n - s i l es p l i t t i n gs h e a rc r a c ka p p e a r si nt h es a m p l e ．W i t ht h ei n c r e a s eo ft h es e c o n dp r i n c i p a ls t r e s s ，t h es h e a rp h e n o m e n o n d i s a p p e a r sa n dt h ec l e a v a g ec r a c ki n c r e a s e s ．T h ec l e a v a g ef a i l u r eo ft h es p e c i m e ni sa l m o s tc o m p l e t ew h e nt h es e c o n d p r i n c i p a ls t r e s si s2 0M P a ．④U n d e rt h ec o m b i n e da c t i o no fd y n a m i ca n ds t a t i cl o a d s ，t h es i z eo fs t a t i c l o a da n dt h e s t r e n g t ho fr o c ks a m p l ea r et h em a i nf a c t o r st od e t e r m i n et h ef a i l u r e ．U n d e rt h es a m ed i s t u r b a n c ec o n d i t i o n ，t h es t a t i c l o a di s8 0 ％o ft h ef a i l u r es t r e n g t h ，t h ef a i l u r es t r e n g t hi s1 4 8 ．6M P a ，a n dt h es t a t i cl o a di s9 0 ％o ft h ef a i l u r ev a l u e ， t h eo v e r a l lf a i l u r es t r e n g t ho ft h er o c ks a m p l ei s1 4 2 ．4M P a ．T h el a r g e rt h es t a t i cl o a di s ，t h es m a l l e rt h et r i g g e re n e r g y r e q u i r e df o rr o c kf a i l u r ei s ．W h e nt h es t o i cl o a di st h es a m e ，t h el o w e rt h ef a i l u r es t r e n g t ho fr o c km a s si sw i t ht h ei n c r e a s eo fd i s t u r b a n c ea m p l i t u d ea n df r e q u e n c y ．T h e s eh a v ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei nt h et h e o r yo fs u r r o u n d i n gr o c k s u p p o r tf o re x c a v a t i o na n du n l o a d i n go fh i s hs t r e s s r o c km a s s ． K e yw o r d s s i n g l es i d eu n l o a d i n g ；d i s t u r b a n c e ；s t o i ca n dd y n a m i cc o m b i n a t i o n ；i n s t a b i l i t ym e c h a n i s m 高应力岩体的开挖卸荷势必导致围岩产生应力 集中，随着围岩应力的增高，其应力状态接近或超过 了岩体的极限强度，极易受外界载荷扰动产生失稳。 当远场外来载荷与静载叠加合成载荷超过岩体的破 坏临界载荷，发生岩爆、冲击地压、瓦斯爆炸等冲击破 坏。 岩体工程是一个庞大的地质体，其内部存在大量 的节理、结构面、裂隙、构造等，其力学特性在不同加、 卸载路径下有明显的区别。哈秋龄。2 1 根据不同岩 体工程的不同力学状态，提出了“卸荷非线性岩体力 学”的新概念，分析了不同岩石工程中岩石力学的各 向异性，归纳为基础工程的主要表现形式为加载，边 坡工程的主要表现形式为卸载，而地下工程的主要表 现形式为两者共同存在，即切向为加载，径向为卸载。 严鹏等旧1 将原岩应力场和开挖扰动引起的二次应力 进行叠加，分析了圆形隧洞钻爆开挖时开挖边界上初 始应力场动态卸荷效应，并计算了其破坏范围。王明 洋等Ho 研究加卸载条件下岩石的局部破坏特征，岩 石在加载和卸载时内部出现的拉应力及其对岩石破 坏模式的影响；李邵军等Ko 以锦屏I I 级水电站3 号 引水隧洞为研究对象，通过事先开挖的平行于引水隧 洞的2 1 号试验支洞，利用数字钻孔摄像技术，对 T B M 掘进过程中围岩的开挖损伤区进行原位测试， 研究成果为现场支护设计、支护时机、围岩变形特性 和地质资料分析提供直接依据；R E A D ∞1 、M A R T I N r7 | 、K W O N 等’和Y O N G 等”1 通过数值仿真试验 及现场实验得到开挖卸荷打破了原始应力平衡，导 致巷道附近围岩应力场重新分布，当应力大于围岩自 身强度时产生破坏，由自由面向岩体内部逐渐扩张。 陈景涛和冯夏庭叫研究表明，卸荷比加载破坏更加 剧烈，卸荷条件下岩体主要向卸荷面扩容，发生拉伸 张陛破坏一劈裂破坏一剪切破坏复合型破坏；李宏 等⋯1 研究表明，高应力岩体开挖卸荷最大切向应力 是岩石内部发生张拉性破坏的主要因素；张传庆 等2 1 研究表明，围压较低时破坏主要表现为拉伸一劈 裂破坏，围压较高时破坏主要表现形式转变为剪切破 坏；任建喜和葛修润纠率先开展了岩石卸荷全程c T 试验，研究了岩石卸荷过程中损伤裂缝发育破坏的实 时演化过程，研究表明，卸荷比加载更加容易破坏，同 时具有突发性。李建林和孟庆义4o 根据岩体三轴卸 荷试验，研究了卸荷岩体的各向异性特性，如岩体卸 荷的应力一应变关系、抗拉强度和变形模量等；李建 林等纠通过制作不同倾角单一预制节理试件，开展 节理岩体三轴卸荷试验，研究卸荷条件下节理岩体的 应力一应变关系、变形特征、强度特征和破坏模式。 目前普遍接受高应力开挖卸荷围岩损伤开裂机制的 观点是由于高应力岩体开挖卸荷致使径向卸荷从而 引发切向应力集中，造成垂直于最大主应力或平行于 开挖方向发生损伤张性拉伸破坏，最终导致岩体整体 发生剪切破坏6 | 。上述成果对高应力岩体开挖卸荷 效应的研究起到了巨大的推进作用，但多数为单轴、 双轴卸荷试验，采用真三轴单面卸荷试验更能真实的 模拟地下开挖卸荷现象；且在深部地下开挖过程中， 开挖临空面不仅仅受卸荷作用，同时轴向爆破引起的 动态扰动也是致灾的关键因素。窦林名等[ 1 7 。‘9 1 初步 探讨了动静叠加诱发冲击矿压原理并对薄煤层动静 叠加诱发机制进行了研究；刘少虹、李凤鸣等【2 叫试验 研究了动静加载下煤的破坏特性及机制。然而针对 扰动诱发高应力岩体开挖卸荷损伤围岩失稳机制还 需进一步研究。 万方数据 9 3 8 煤炭 学报 笔者采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统，对高应 力岩体开挖单面卸荷渐进性破坏规律进行研究，基于 动力扰动波动方程及其扰动能繁演化规律，分析不同 初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条 件下高应力岩体单面卸荷力学特征和破坏特征，揭示 扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制，对高应 力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用 1 扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机 制 1 ．1高应力岩体开挖卸荷效应 岩体在开挖之前处于三维应力平衡状态，开挖导 致围岩产生单面卸荷，打破原始平衡，由原始三向六 面受力状态转变三向五面受力。由于围岩具有自身 的力学特性，一部分地应力以回弹变形的能量发生在 开挖临空面，另一部分向深部转移，从而进行应力重 新分布产生局部应力集中，当开挖岩体附近围岩应力 达到其临界破坏强度时发生局部渐进性破坏，如图1 所示，其中，丁为剪切应力；c 为黏聚力；盯为法向应 力；妒为内摩擦角。临近巷道的围岩经历了应力集中 作用过程，从而在巷道周围会形成应力梯度，而应力 梯度是导致巷道围岩破坏的重要影响因素之一引。 不同应力条件下围岩发生梯度破坏宏观和细观特征， 随着深度增加，应力梯度更明显1 翌1 。 图1 嘲形巷道吲岩的I 译塑性变形区及心力分前j } ’i g ．I E l a s i i r - p l a s t i 。d e f o i ’l n a l i o i lZ l l ea l l ds l l l P s sd i s t i i I t l i i l i l o fs L l l ‘I O U I I 1 i l l gr ‘，I ’ko t 。 ’i l l ’t l I a l ‘r 1 i l I 、、d j 1 ．2 扰动诱发围岩失稳机理 知识1 1 了知扰动三维波动方程为 地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破 坏，对地下工程施工人员及施一I 没备构成厂相当大的 威胁。在离掘进工作面较远f l , j ；s { 挖边界附近，刖岩常 处于欠耦合静动力加载状态，远程触发的动力破坏常 发生在高应力岩体开挖过程t h I 静应力是切向应力 集中引起的高应力，动荷载是掘进工作而在平行于掘 进轴线圆形围岩中传播的爆破动力波所引起的，如图 2 所示，其中，盯，为第一主应力；盯，为第二主应力；O - ， 为第三主应力；矿“，为沿工方向地应力；盯、。为沿．，方 向地应力；盯。为沿。方向地应力，在静一动耦合荷载 作用下，岩石发生的严霞失稳破坏。高J 、证力条件下的 同岩破坏可能魁由轴向动力扰动载荷触发的具有明 娃时空滞后特征的动力破坏。 I ．3 动力扰动波动方程及其传播规律 假没岩体为理想弹性体，根据弹性理论和物理学 鸳；％2V 2 沙 a ，一 p 擎训 沙 ’ 式中，_ p 为介质密度；c 。为纵波波速，c 。 , ／X 3 1 x ／p ， A ，“为拉梅弹性常数；少为标量势函数，可以是位移、 压力速度等；沙为矢量势函数；V 为L a p l a c e 算子；，为 扰动时问 令t x 0 ，则有 娑；去鸳 2 孤一 ’i a f 一 简谐震动是分析复杂动力扰动的基础，设式 2 解的形式为 ，J P ．Y ∥7 3 式中，1 1 ；为简谐振动频率；，为- - 、『- 方向；p ．v 为一般简 万方数据 第3 期赵光明等扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制 9 3 9 爆 致灾源区致灾源区 a 围岩受力状态 凶 耨 口 目 蠼 R 翻 厘 崮 原岩应力 破裂状态 b 围扰动诱发围岩失稳 图2 开挖后自由边界附近典型岩石单元的应力状态 F i g ．2 S t r e s ss t a t eo far e p r e s e n t a t i v er o c ke l e m e n ti l e a l ’ t h ef r e eb o u n d a r ya f t e re x c a v a t i o n 谐振动方程。 将式 2 代人式 3 ，并整理得 盟掣 七P 戈 o 4 dt 式中，七为波数，七w ／c 。。 常微分方程 4 的解取复数组合形式为 P t ，戈 4 e J ‘⋯H h ’ B e ，‘⋯H h ’ 5 式中，A ，B 为通解系数。 波动方程 P t ，戈 P a e j ‘“。一‘。’ 6 衰减波动方程 P t ，x P a e l “一‘’h ’ 7 反射应力波为 p R t ，戈 T P 。。e 一“‘27 一。’e j ‘“‘ ‘。’ 8 式中，P 。为常微分方程 4 特解；P 。为反射应力波； Y P 2 c 2 一P ．C 。 ／ p 2 c 2 印。c ． 为反射系数，P 。，c I 为一 介质密度与波速，P ，c 为二介质密度与波速 损伤体 可以通过改变介质密度来实现 。 入射应力波与反射应力波叠加得到经过自由面 反射后的波动方程 p t ，戈 p 。e “。∥”‘。1 v p 。e 1 ‘ ⋯’e j ‘“”h ’ 9 1 ．4 扰动能量演化特征 在岩体中取一个微小单元体，其初始体积为％， 外力合力为P ，密度为P 。，速度为秽，则该单元体的动 能A E 。为 A E 。 南。％口2 1 0 二 在扰动作用下，单元体体积将发生膨胀与压缩变 形，其形变能A E 。为 r ，’ A E 。，一IP d V 11 J 【 在平面波传播过程中，只考虑纵波传播时，有 一d P A A 、， d 尸 A 2 七s 一百 △一生 1 2 P 堑一业 P V 式中，A 为拉梅弹性常数；△为二次函数中代表根的 判别式。 由式 1 2 可得 d P 一P O s d V 1 3 r o 式中，七。为弹性系数，组合式 11 ， 1 3 整理得 嵋， 瓤P d P 豪P 2 ㈣， 体积元里总的附加能量 触发能量 为动能与位 能之和，即 衄2 ≯1 咿 盘P 1 5 根据牛顿第二运动定律则有 塑一_ O P16P O t 一磊 L1 6 联立式 7 ， 1 5 ， 1 6 整理得，应力扰动体积元 的总能量 触发能量 A E 为 △E 硼U2 _ 。 亡 C O S 2 w t - k x 1 7 扰动能流密度△e 为 忙等 积p ] 虿1 瓦1 卜㈤⋯州1 8 2 单面卸荷扰动试验设备及方案 岩石真三轴试验是一种最全面的强度试验，它不 仅是建立强度准则的重要资料，更是检验岩石强度准 则的最有效依据。岩石真三轴试验可以通过试件3 个垂直方向的主应力独立加载、水平方向的一个面突 然卸载，来模拟地下工程中开挖后产生临空面导致围 岩破坏失稳的现象。 万方数据 煤炭 学报 2 ．1 试验设备 本试验采用自主研发的真三轴卸荷扰动岩石测 试系统不仅能够模拟系统三向独立加载高压真三轴 状态，获得高应力状态下岩石的力学特性和变形破坏 特征，还能够模拟单向或双向突然卸载，监测矿岩的 损伤演化和破裂规律，同时可以实现2 个方向的扰 动 或冲击 ，振动扰动载荷范围0 ～5 0 0k N ，频率范 围0 ～5 0H z ，可实现点的形式、面的形式进行扰动， 如图3 ，4 所示。同时配套声发射监测系统，声发射信 号监测选用软岛D S 5 声发射系统，配合6 个声发射 探头采集信号，为尽量减少噪音影响，门槛值设定 4 0d B ，声发射采样频率范围设定1k 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，并根据采集参数进行三维定位，如图5 所示。 2 ．2 试验方案设计 本文采用自主研发的真三轴卸荷扰动岩石测试 系统进行模拟真三轴二向六面受力状态下单面卸荷 试验，试件采用完整性和均匀性较好的砂岩，尺寸为 1 0 01 1 1 1 1 1 X 1 0 0m m X1 0 0I I l I n 。 方案1 分级加卸载试验。 为了更好的分析岩样在不同围压单面卸荷的力 学特性，l ～4 号选取砂岩进行分级加卸载试验，分级 加卸载试验过程采用液压载荷手动控制对试件进行 图3真三轴扰动卸荷岩石测试系统 F i g ．3 T 1 ．L i 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 gr o ‘kt e s ts v s t e n 图4 真二- i 轴扰动卸荷岩石测试系统加载方式 F i g ．4L o a f l i n gm e t h o do ft r u et r i a x i a ld i s t u r b a n 【’eU l d o a d i n g r o c kt e s ts y s t e m 图5 声发射系统 F i g ．5 A Es y s t e m s 加载，初始围压见表1 。每级应力为1 0M P a ，加载问 隔约15r a i n 旧引，观察声发射信号不发生变化时，证明 该处岩石内部应力处于稳定状态，内部损伤破坏不会 发展，进行下一步加载。首先，对试件施加初始载荷， 模拟地下工程围岩的初始应力状态，然后对最小主应 力进行单面瞬时卸荷，第二主应力不变，稳定1 5m i n ， 再对试件最小主应力卸荷面进行加载至原始应力值， 最大主应力在原来的基础上增加1 0M P a ，然后对最 小主应力进行单面瞬时卸荷，如此循环直至破坏，如 图6 所示。 方案2 单面卸荷扰动试验。 假定真三轴卸荷扰动岩石测试系统z 方向为盯． 方向、，，方向为盯方向、x 方向为盯，方向。试验过 程分为以下3 个阶段①初始应力加载；②进行单面 卸荷；③扰动震源为侧向扰动，波形施加在侧向，应 力路径如图7 所示，扰动时间函数为 表1 不同初始围压 T a b l e1D i f f e r e n ti n i t i a lc o n f i n i n gp r e s s u r e s 万方数据 第3 期赵光明等扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制 m ，卜。、伊扣c 2 删，] ㈥砌 【0 ￡ 1 ／川 式中，F f 为扰动载荷大小，k N ；P 。。为扰动载荷的 峰值。 图6 分级加卸载试验路径 F i g ．6S t e l ll o a d i n ga n du n l o a d i n gt e s tp a t h 图7 应力路径 F 嘻7 S t r e s sp a t h 根据文献[ 1 7 ] 可知，井下震动最大峰值速度取 值范围为0 ．5 2 ～4 ．3 8I l l ／S ，频率范围为2 ～1 5H z ，横 波速度为24 8 01 1 1 ／S ，纵波速度为43 0 0m ／s ，扰动试 验选择频率分别为5 ，1 0 ，1 5H z 。 根据前人总结的经验公式口_ ，可拟合1 0 0k g 炸 药扰动波峰值随着距离的衰减规律，如图8 所示。拟 合公式为 1 2 3 4 ．2 2 99 9 戈。1 8 6 7 ∞ R 0 ．9 9 99 9 2 0 由式 2 0 可知，扰动波峰值随着距离的增加而 衰减，衰减系数为2 ．8 6 79 9 。 根据文献[ 2 4 ] 可知距掘进工作面3 ～5i n ，应力 集中系数最大，最为危险，因此分析主要采用5 ～ 1 0I l l 的扰动波峰值分别为0 ．5 ，1 ．0 ，1 ．5M P a ，具体扰 动试验设定值见表2 ，其中，O - ．为破坏应力。 3 高应力岩体开挖卸荷围岩渐进性破坏规律 高应力岩体开挖过程出现的变形破坏现象均是 岩体开挖应力重新分布导致岩体动力破坏的表现形 式，都涉及开挖边界上地应力瞬态卸荷及邻近围岩应 叠 ≤ 坦 磐 燃 督 基 图8扰动峰值随爆破中心的应力衰减拟合曲线 F i g ．8F i t t i n gC H I ’v eo fd i s t u r b a n c ep e a kw i t l _ lt h e s t r e s sa t t e n u a t i o no fb l a s l i n gc e n t e l ’ 力动态调整。同时，伴随岩体开挖必然导致围岩能量 的集聚、储存、耗散与释放，上述围岩变形与失稳现象 本质上也是能量驱动下的岩体动态破坏。 表2 扰动试验设定值 T a b l e2D i s t u r b a n c et e s ts e tv a l u e 编号I 仞I i ／始M 围P 。。轴爪襄瑟 篙{ i ／物嚣7 8 0 ％盯 8 0 ％仃 8 0 ％o 8 0 ％” 8 0 ％” 9 0 ％O - 9 0 ％口 9 0 ％ r 3 ．1 高应力岩体开挖卸荷围岩应力一应变曲线 研究高应力岩体开挖过程中围岩应力与应变能 的瞬态调整过程，有助于探明高应力岩体变形破坏的 孕育、演化及发生机制，掌握高应力开挖卸荷围岩渐 进性破坏规律，为高应力岩体的变形分析及稳定控制 提供必要的试验支持。图9 为不同围压条件下，试样 瞬时卸荷的应力一应变曲线。 应变／1 0 ， 图9 分级加卸载应力一应变曲线 F i g ．9 S t r e s s s t r a i ne u r v f f ．su n 1 e lg r a d e dl o a d i n ga l l 1u n l o a d i n g i 一 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ Z ，- Z ，- 1 - ，一 ，- 7 - O O O 0 0 0 O O O ， ， ， ， ， ， ， ， O 0 0 O 0 O 0 O O ，- 2 ，- ，- ，- ，一 2 ，- ，- ， ， ， ， ， ， ， ， 0 0 0 O O 0 0 O 0 3 3 3 3 3 1 J 1 J 3 3 5 6 7 8 9 m 他 ” 万方数据 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 由图9 可以看出单面瞬时卸荷时，轴向应变存 在瞬时回弹现象，说明岩体由于3 向受压，存储大量 的能量，在最小主应力单面瞬时卸荷时，有惯性力的 存在，岩体发生瞬时扩容；随后轴向应变存在一个增 大的过程，到某个值时固定不变，说明岩样单面卸荷 后，由于第二主应力的限制，扩容方向主要向临空面 扩展，在轴压不变的情况下，应变增大，因此可以看 出，单面卸荷后岩体存在一个流变的时间效应。随着 第二主应力的增加，破坏时轴向应力发生改变，且单 面卸荷后发生破坏的时间也不同，见表3 。 表3 不同主应力单面卸荷轴向应力及破坏时间 T a b l e3 S i n g l es i d eu n l o a d i n ga x i a ls t r e s sa n d f a i l u r et i m ew i t hd i f f e r e n tp r i n c i p a ls t r e s s e s 随着第二主应力的增大，破坏强度呈现一个先升 高后降低的一个过程，第二主应力为2 0M P a 处是破 坏强度的转折点。由此可以看出，初始围压越大储存 的能量越多，开挖卸荷后释放的能量就越多，沿卸荷 面产生的变形就越大、越剧烈。 3 ．2 高应力岩体开挖卸荷巷道围岩破坏特征 为了进一步分析瞬时卸荷试样的宏观破坏特征， 对试样施加不同围压情况下，进行单面瞬时卸荷，从 而对比分析其差异。通过图1 0 可以看出试样卸荷 面都产生了劈裂成板的现象，在第二主应力为 1 0M P a 时，试样内部出现剪切裂纹；随着第二主应力 的增加，试样内部剪切现象逐渐消失，出现的劈裂裂 纹增加，在第二主应力为2 0M P a 时，试样内部基本 全部处于劈裂破坏。说明试样进行单面卸荷，第二主 应力限制了其应变扩展方向，对卸荷破坏的最终形态 呈现着关键因素。 根据岩石K a i s e r 效应的特点，将试件应力一应变 曲线与相应的声发射振铃计数、能量计数进行分析处 理，如图11 ，1 2 所示。 图1 0 分级加卸载宏观破坏 F i g ．10M a c r o s c o p i cf a i l u r ed i a g r a mo fh i e r a r c h i c a ll o a d i n ga n du n l o a d i n g 结合图1 1 ，12 中声发射撞击数、能量及计算参数 的时间演化曲线，可以看出，在试样加载至初始围压 过程中，产生大量声发射，同时出现