层状岩体破裂演化研究现状及发展趋势

侯雪迪 刘帆 黄建成 程豪 祝岳

摘   要：层状岩体破裂失稳是导致地下工程地质灾害的重要原因。本文针对层状岩体失稳问题，在充分调研国内外研究成果的基础上，从力学试验及数值模拟角度概述了目前进行的层状组合岩体破裂演化规律研究现状。在此基础上分析提出了层状组合岩体破裂机制研究的发展趋势：（1）含预制裂纹的层状组合岩体破裂演化机制，（2）多场耦合层状组合岩体失稳特征研究。研究成果对于分析层状组合岩体失稳破裂研究现状，明确其未来发展趋势具有一定的指导意义。

关键词：层状岩体  破裂机制  综述  现状及趋势

中图分类号：TU45                                  文献标识码：A                       文章编号：1674-098X（2020）06（a）-0135-04

Abstract：The fracture instability of the layered rock mass is the main factor to induce the engineering geological disasters. Aiming at the layered rock mass fracture instability， the states of propagation evolution in layered rock mass are summarized from lab tests and numerical modeling according to the existing research results. The trends are put forward： （1） the propagation evolution of layered rock mass containing the pre-existing cracks; （2） the instability characteristics of layered rock mass under the multi-field coupling. This paper provides guidance in states and trends of layered rock mass propagation evolution.

Key Words：Layered rock mass  propagation mechanics  review  state and trends

近年來，我国经济持续增长，基础设施建设力度逐年加大，随之而来的地下工程建设也日益广泛。我国幅员辽阔，地质环境多变，而地下工程建设广度的扩展，导致面临的工程地质情况日趋复杂。目前我国地下工程逐渐向大深度、大规模、复杂的方向发展，同时也面临着更加严重的岩溶突水、岩爆等工程地质灾害。

岩体作为地下工程的基本介质，通常以层状结构出现。地下工程开挖过程中，系列层状岩体组合破坏是导致重大工程地质灾害的重要原因。例如骆驼山突水，大同马脊梁矿煤柱群失稳引发地震及地表塌陷，贵南高铁朝阳隧道突水等，均是由于层状组合岩体结构失稳所致。层状组合岩体结构失稳防控已成为地下工程中亟待解决的关键科学及技术难题。

本文立足于层状组合岩体结构失稳核心问题，充分调研国内外研究成果，概述了力学试验及数值模拟两方面针对该问题进行的系列研究，分析了层状组合岩体破裂演化发展趋势，以期为层状组合岩体破裂失稳研究提供参考。

1  国内外研究现状

目前从实验室角度研究层状岩体结构失稳及体破裂演化规律，目前主要集中在力学试验及数值模拟两个方面。

1.1 力学试验

左建平等[1-8]系统进行了多种监测手段不同加载条件下的煤岩组合体力学行为、能量演化等方面研究，并建立了相应的力学模型。解北京等[9]进行了不同组合比条件下砂岩-煤岩-砂岩冲击载荷试验。郭东明等[10]分析了不同倾角组合影响下煤岩体强度特征及破坏机制。王岗等[11]揭示了组合煤岩体破裂演化过程中的电荷规律。Chen等[12-15]分析了单轴加载煤岩组合体及油页岩-煤岩组合体破裂演化规律及其力学行为。彭光忠等[16]采用石膏材料进行试验，并解释了块状组合岩体结构力学效应。刘晓云等[17]采用水泥砂浆及石膏材料测试了单轴压缩不同强度组合复合岩体试件力学特性。

1.2 数值模拟

在数值模拟方面，Yin等[18-20]采用PFC进行煤岩组合体破裂演化模拟试验，分析了其渐进破坏规律及强度特征。Wang等[21]分析了不同孔洞裂纹情况下裂纹传播规律及其力学性能。赵同彬、付斌、李蒙蒙、曹吉胜、赵宏林、赵越、赵增辉等[22-27]分别采用PFC2D、ANSYS2D、RFPA2D、FLAC3D数值软件模拟了不同岩煤倾角、不同强度比的组合体试样单轴、三轴压缩试验，研究了岩煤界面倾角、分形特性对组合体试样力学特性的影响及其渐进破坏特征。郭伟耀、聂鑫和周安朝等[28-30]采用PFC2D数值软件，模拟了不同加载条件下试验，分析了煤岩强度比、高比对组合体试样强度、破坏特征的影响。

2  存在问题及发展趋势

诸多专家学者的研究极大促进了对层状组合岩体破坏规律的认识，但目前对于组合岩体破裂演化研究多集中于煤岩组合体，且主要研究对象为完整岩体或采用数值方法模拟含裂隙岩体。地下工程中多面临裂隙岩体，其内部原始损伤对工程岩体稳定性具有极其重要的影响，因此仅考虑完整岩体力学行为，难以提供有效的层状组合岩体灾害防控措施。地下工程中，岩体常处于多相耦合作用下，目前已有研究主要集中于载荷作用下层组合岩体破坏规律，对多场耦合层状组合岩体破坏研究较少。在分析总结前述研究成果的基础上，笔者认为层状组合岩体破裂研究将在下列两方面得到长足发展：

（1）含预制裂纹的层状组合岩体破裂演化研究。

采用预制裂纹模拟工程地质中的原始损伤，分析预制裂纹在载荷作用下传播特征及其穿层破坏特征，揭示开挖扰动影响下断层、节理等原始损伤传播演化诱发工程地质灾害全过程，辨识灾变前兆信息，为层状裂隙岩体工程失稳防控提供可靠依据。

（2）多场耦合层状组合岩体失稳特征研究。

地下工程建设过程中，岩体除受到载荷作用，还常受到渗流场、热力场影响，这导致岩石破坏并非单纯受应力场控制，而是多场耦合破坏过程。因此研究渗流场-热力场-应力场耦合作用下层状组合岩体破裂失稳过程，揭示其破裂失稳机制及特征信息具有重要意义。

3  结语

层状岩体失稳灾害是地下工程安全建设面临的重要技术难题。本文在充分调研国内外研究成果的基础上，分析了层状组合岩体失稳破坏研究所取得进展，同时提出了层状组合岩体破裂研究在含原始损伤及多场耦合两个方面的发展趋势。本文可为本领域研究提供一定的参考，同时对地下工程层状岩体失稳灾害预测及防控具有指導意义。

参考文献

[1] 左建平， 陈岩， 张俊文， 等. 不同围压作用下煤-岩组合体破坏行为及强度特征[J]. 煤炭学报， 2016， 41（11）： 2706-2713.

[2] 左建平， 谢和平， 吴爱民， 等. 深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究[J]. 岩石力学与工程学报， 2011， 30（1）： 84-92.

[3] 左建平， 宋洪强， 陈岩， 等. 煤岩组合体峰后渐进破坏特征与非线性模型[J]. 煤炭学报，2018， 43（12）： 3265-3272.

[4] 左建平， 裴建良， 刘建锋， 等. 煤岩体破裂过程中声发射行为及时空演化机制[J]. 岩石力学与工程学报， 2011， 30（8）： 1564-1570.

[5] 左建平， 谢和平， 孟冰冰， 等. 煤岩组合体分级加卸载特性的试验研究[J]. 岩土力学， 2011， 32（5）： 1287-1296.

[6] 左建平， 陈岩， 宋洪强， 等. 煤岩组合体峰前轴向裂纹演化与非线性模型[J]. 岩土工程学报， 2017， 39（9）： 1609-1615.

[7] 左建平， 陈岩. 卸载条件下煤岩组合体的裂纹张开效应研究[J]. 煤炭学报， 2017， 42（12）：3142-3148.

[8] Zuo Jianping， Wang Zhaofeng， Zhou Hongwei， et al. Failure behavior of a rock-coal-rock combined body with a weak coal interlayer[J]. International Journal of Mining Science and Technology， 2013， 23（6）： 907-912.

[9] 解北京， 严正. 基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型[J]. 煤炭学报， 2019， 44（2）： 463-472.

[10]郭东明， 左建平， 张毅， 等. 不同倾角组合煤岩体的强度与破坏机制研究[J]. 岩土力学， 2011， 32（5）： 1333-1339.

[11]王岗， 潘一山， 肖晓春， 等. 组合煤岩体冲击倾向性及破坏特征的电荷规律试验研究[J]. 中国安全科学学报， 2016， 26（7）： 135-140.

[12]Shaojie Chen， Yao Ge， Dawei Yin， et.al. An Experimental Study of the Uniaxial Failure Behaviour of Rock-Coal Composite Samples with Pre-existing Cracks in the Coal [J]. Advances in Civil Engineering， 2019： 1-12.

[13]Shaojie Chen， Dawei Yin， Ning Jiang， et.al. Mechanical properties of oil shale-coal composite samples [J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences， 2019（123）：1-10.

[14]Dawei Yin， Shaojie Chen， Xizhen Sun， et.al. Strength characteristics of roof rock – coal composite samples with different height ratios under uniaxial loading [J]. Archives of Mining Sciences， 2019（2）：307-319.

[15]Shaojie Chen， Dawei Yin， Huimin Liu， et.al. Effects of coals initial macro-cracks on rockburst tendency of rock–coal composite samples [J]. Royal society open science， 2019， 6（11）： 1-9.

[16]彭光忠， 周宇， 张利军. 块状组合岩体结构力学效应的模型研究[J]. 岩土力学， 1985， 6（1）： 27-35.

[17]刘晓云， 叶义成， 王其虎， 等. 单轴压缩下不同强度组合复合岩体相似材料试件力学特性研究[J]. 岩土力学， 2017， 38（S2）： 183-190.

[18]Dawei Yin， Shaojie Chen， Xingquan Liu， et.al. Effect of joint angle in coal on failure mechanical behaviour of roof rock–coal combined body [J]. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology， 2018， 51： 202- 209.

[19]Dawei Yin， Xiangxi Meng. Numerical Simulation on Uniaxial Compression Failure of A Roof Rock–Coal–Floor Rock Composite Sample with Coal Persistent Joint [J]. Geotechnical and geological engineering， 2019， 37： 13- 23.

[20]Dawei Yin， Shaojie Chen， Bing Chen， et.al. Simulation study on strength and failure characteristics of coal – rock composite sample with coal persistent joint [J]. Archives of Mining Sciences， 2019， 64（3）： 609- 623.

[21]Xiao Wang， longgang Tian. Mechanical and crack evolution characteristics of coal–rock under different fracture?hole conditions： a numerical study based on particle flow code [J]. Environmental Earth Sciences， 2018， 77： 297.

[22]Zhao Tongbin， Guo Weiyao， Lu Caiping， et al. 2016. Failure characteristics of combined coal-rock with different interfacial angles. Geomechanics and Engineering， 2016， 11（3）：345-359.

[23]赵宏林， 赵越. 倾角对煤岩组合体力学及冲击倾向性影响的颗粒流分析[J]. 煤矿安全， 2018， 49（3）： 198-201

[24]李蒙蒙， 刘靖， 刘帅， 等. 基于Ansys对不同界面倾角煤岩组合体的破坏分析[A].北京力学会学术年会[C].2013.

[25]曹吉胜， 戴前伟， 周岩， 等. 考虑界面倾角及分形特性的组合煤岩体强度及破坏机制分析[J]. 中南大学学报：自然科学版，2018， 49（1）： 175-182.

[26]付斌， 周宗红， 王友新， 等. 不同煤岩组合体力学特性的数值模拟研究[J]. 南京理工大学学报：自然科学版， 2016， 40（4）： 485-492.

[27]Zhao Zenghui， Wang Weiming， Dai Chunquan， et al. Failure characteristics of three-body model composed of rock and coal with different strength and stiffness[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2014， 24（5）： 1538-1546.

[28]Guo Weiyao， Tan Yunliang， Yu Fenghai， et al. Mechanical behavior of rock-coal-rock specimens with different coal thicknesses[J]. Geomechanics and Engineering， 2018， 15（4）： 1017-1027.

[29]郭偉耀， 周恒， 徐宁辉， 等. 煤岩组合体力学特性模拟研究[J]. 煤矿安全， 2016， 47（2）： 33-35，39.

[30]聂鑫， 周安朝. 煤岩高度比对组合体力学特性影响的数值分析[J]. 煤炭技术， 2018， 37（3）： 102-104.