岩石冲击破坏室内试验方法研究现状及展望

2020-06-08姚金鹏尹延春汤兴学邢明录

煤矿安全 2020年5期

姚金鹏，尹延春，2，汤兴学，邢明录

（1.山东科技大学矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东青岛266590；2.北京理工大学宇航学院，北京100081）

冲击地压是矿山等地下工程的典型动力灾害，发生频次与强度随施工深度呈急剧增加的趋势，严重威胁着矿山的正常生产与人员安全。在未来5 年乃至10 年内，冲击地压机理、预警与防治仍是矿山工程的研究焦点和亟需解决的问题。在冲击地压防治方面，国内外学者从煤岩材料物理力学性质[1-2]、灾变区域地质构造[3]、工程扰动等角度对冲击机理进行揭示[4]，先后提出强度理论、冲击倾向性理论、变形失稳理论、应力控制理论、冲击启动理论[5]、动静载叠加诱冲理论[6]等，并且从不同角度划分冲击地压类型[7]，包括主要由重力、构造应力和采动应力等静载高应力引发的应变型冲击地压，主要由顶板断裂或断层滑移引发的动载诱发型冲击地压[8-9]。另一方面，室内力学试验也是揭示冲击地压机理的关键技术方法，众多学者采用多种试验手段试图再现矿山岩体的冲击破坏过程[10-12]，为冲击地压的机理揭示与防治提供了重要的依据。为此，介绍了常用应变型冲击室内试验及动载诱发型冲击室内试验方法，总结了岩石破坏特征测试和其冲击前兆信息监测方法，并对试验方法的研究趋势进行展望。

1 岩石应变型冲击破坏试验方法

应变型冲击地压主要指井巷或工作面周围岩体在开挖过程中，煤岩体内应力集中达到一定程度后，煤岩体内部储存的变形能瞬时释放而发生的弹射、抛出式等破坏，主要由重力、构造应力和采动应力等静载高应力作用控制[13]。巷道等地下工程开挖卸荷引起的原岩应力调整及大量应变能猛烈释放，是造成应变型冲击地压的重要外因条件[14]。基于开挖卸荷这一诱发条件，国内外学者常采用三轴卸荷试验研究应变型冲击地压。常用岩石应变型冲击破坏试验如图1，常用的卸荷试验方法有假三轴加载的恒轴压-卸围压试验和加轴压-卸围压试验（图1（a））、真三轴加载的五面恒载（或加载）-单面卸荷试验（图1（b））等，其中鉴于岩体一般处于三向应力状态，真三轴卸荷试验是主要的试验方法，此类代表试验有何满潮等[15-16]研制的冲击岩爆试验系统，实现岩体某方向应力的快速卸荷，并根据试验结果将岩爆划分为滞后岩爆、标准岩爆和瞬时岩爆。大量试验研究表明，卸荷时轴压同步加载、高速率卸荷下的试样更易发生动力破坏。

图1 常用岩石应变型冲击破坏试验Fig.1 Strain-type bust failure test of rocks

此外，煤矿开采领域专家学者对冲击地压机理的研究普遍认为，冲击地压是由于坚硬顶板-煤体-底板所构成的组合煤岩体能量积聚与耗散、失去动态平衡而诱发的突变事件。部分专家在综合考虑围岩结构特征基础上，进行了煤岩组合体试验[17]（图2）。如窦林名等[18]、左建平等[19]进行了煤岩组合试件的冲击倾向性测试，研究了不同岩石和煤体组合条件对冲击破坏特征的影响。Tan 等[20]提出了适于煤岩组合体冲击倾向性评价的冲击能速度指数。相比于单体岩石试件，煤岩组合试件将围岩结构视为冲击破坏的重要影响因素，可研究顶板-煤-底板综合作用下的宏观变形破坏特征，对揭示不同围岩条件下的冲击破坏机理具有重要指导意义。

图2 煤岩组合体试验Fig.2 Coal-rock combination test

上述试验中所采用的试验设备一般为大刚度岩石力学试验机，可保证岩石峰后破坏可控，并获取全应力应变曲线。钱七虎[21]、Zhang 等[22]、Xu 等[23]等学者认为对于应变型冲击地压，单靠岩体本身积聚的能量很难发生动力破坏，需要周围岩体对其进行能量补充。柔性试验机可在岩石峰后变形阶段，将前期积聚的大量弹性变形能瞬时释放，对岩石试件施加一个弹性力，使其快速冲击破坏，如顾金才等[24]利用油压-弹簧系统（图3）再现了抛掷型岩爆现象。

2 动载诱发型冲击破坏试验方法

动静载叠加理论[25]认为，当外部动载与岩体静载的叠加值超过其极限强度后，岩体会发生动力破坏，如顶板断裂型或断层滑移型冲击地压。因此，对静载岩体施加冲击扰动波，可再现冲击地压中的岩体剥离、弹射等现象。该类典型试验为真三轴扰动试验，扰动荷载可设计为不同频率和幅值下的斜坡波、正弦波、方形波、三角波等。基于此类试验，苏国韶等[26]研究获得了轴向低频扰动荷载下岩爆发生的轴向静应力和扰动荷载幅值的门槛值，并指出了岩爆发生的2 个能量条件。

图3 柔性加载试验[20]Fig.3 Low-rigidity loading test

此外，霍普金森压杆装置（图4）也是常用的冲击试验装置，该试验装置可对煤岩试件施加高速冲击荷载，使煤岩试件发生高应变率动态破坏。如李地元等[27-28]研究了多次冲击荷载下花岗岩的累计损伤特性，并对比分析了静载与动载试验下的试件长径比效应。近年来，部分专家在霍普金森压杆装置基础上增加静载装置，研发了SHPB 动静组合加载试验系统[29]，如李夕兵等[30]、宫凤强等[31]进行了一维和三轴动静组合荷载下的岩石动力破坏测试。

图4 霍普金森压杆装置Fig.4 Split Hopkinson pressure bar

3 岩石破坏特征测试及前兆信息监测方法

冲击地压监测方面，目前常用的监测方法主要包括：微震监测[32-33]、声发射监测（地音法）[34]、电磁辐射监测、地震CT 监测[35]、钻屑量监测、应力监测等，主要预警参数包括：反映岩体破裂的微震和声发射次数、能量、位置等，反映应力集中程度的电磁辐射脉冲及幅值、地震CT 波速系数、钻孔钻屑量、煤体应力等。微震主要用来监测大区域范围内岩体破裂信息，其他手段更加偏向于局部范围内煤体应力集中程度监测。这些预警参数的确定可以通过实验室内岩石力学试验测试作为参考依据[36]，因此，进行岩石冲击破坏过程中关键信息测试，是指导冲击地压监测方法改进及预警指标优化的重要手段。

声发射是一种常用岩石变形破坏测试手段[37]，主要监测岩石内部微破裂形成时应变能释放所产生的弹性波信息，不同应力路径下的不同岩石声发射信号具有明显的差异性。李宏艳等[38]研究了不同冲击倾向性煤体的声发射前兆信息，试验表明煤体冲击倾向性越强，破坏前的振铃计数和能量增幅越大。张艳博等[39]对巷道岩爆的声发射信号进行了聚类分析，确定岩爆具有“三高一低”的前兆信息特征。张黎明等[40]、刘希灵等[41]分别研究了假三轴、动静加载下岩样声发射b 值特性。丁鑫等[42]建立了煤岩裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述。

岩石动态破坏前的场信息同样是冲击地压预测研究受关注的数据，如利用数字散斑光测方法获取岩石表面变形场分布[43-45]、利用热红外等手段获得岩石温度场分布[46]。宋义敏等[47]研究了冲击载荷作用下花岗岩位移场及裂纹演化过程。上述手段仅能研究岩石表面变形等信息，为进一步研究岩石内部应力分布情况，鞠杨等[48-49]利用CT 技术获取了单轴压缩试件内部裂隙网络，并采用3D 打印及三维光弹技术，定量研究了复杂裂隙煤岩内部的应力场分布特征，为岩体内部应力场定量表征与可视化研究提供了新的方法。

冲击地压的发生伴随着煤岩体的抛出及弹射，煤岩体的破碎程度及弹射速度等可反映冲击破坏程度，也是室内力学试验研究的重要内容。煤岩体破碎程度可采用分形维数来定量评价，碎块分形维数越大，破碎越剧烈。碎块弹射速度可通过高速摄像及数字图像处理技术获得，进而根据碎块尺寸及速度计算冲击破碎后的弹射动能[50]。

4 岩石冲击破坏试验方法发展趋势

1）考虑围岩结构协同作用的冲击破坏模拟试验方法。围岩应变型冲击是“岩体变形失稳+应力转移+能量积聚-传递-释放”等多因素耦合的暗箱问题，如何将暗箱问题透明或半透明化，揭示冲击孕育-释放-灾变的全过程，是应变型冲击地压机理研究的一个关键问题。因此，应进一步研发考虑围岩结构协同作用的冲击破坏模拟试验方法，如考虑顶板与煤体刚度差异的岩石变刚度加载试验方法，煤岩组合体中煤体与岩石变形破坏信息独立监测方法等。

2）岩石冲击破坏后多信息精确测试技术。岩石静（动）态变形过程中的微破裂分布、变形场与温度场等已可以通过多项技术监测获得，为冲击地压监测预警提供了重要的依据。但岩石冲击破坏后的信息则关注较少，而碎块冲击动能是影响巷道破坏及灾害程度的重要指标。因此，应引入更加先进的测试方法来获取岩石破坏后的碎块冲击信息，如弹射动能、冲击荷载等，为矿山冲击地压烈度评价提供试验依据。