紀洪廣 蘇曉波 權道路 張改改 陳東升 張同釗

（北京科技大學土木與資源工程學院，北京100083）

在資源開采進入深部以后，開采地層處于高壓縮狀態(tài)，原位巖體內將積蓄更多的彈性應變能。這時，地下工程中一些特殊現象便與之伴生，如鉆孔巖心餅化[1-7]，圍巖分區(qū)破裂[8-10]，硬質圍巖表層發(fā)生板裂甚至動力彈射等。地下空間開采后的應力調整使得圍巖體應力集中，在壓剪作用下外緣臨空面巖體破裂松脹使得內部高壓縮巖體回彈阻力減小[11]；卸荷效應又往往使得垂直于巖體弱面的正應力值降低，這都增加了應變型巖爆[12]風險。此外，高蓄能圍巖體對振動擾動更具敏感性，這也使得礦震巖爆[12]發(fā)生的概率較淺部有所增加。

動力破壞發(fā)生時伴隨著圍巖體劇烈振動、巖塊彈射與粉塵氣浪等現象，這一特征使其區(qū)別于圍巖體時效性明顯的或是一般的脆性破壞。俄羅斯學者很早就發(fā)現地下巨型爆炸導致巖體破壞產生的能量遠大于巨型爆炸本身的能量[9，13]。南非2 300 m深金礦采掘過程中巨大的能量釋放使得為避免不良地質作用而預留的巖體發(fā)生偏移，最外緣臨空面出現巖石彈射現象，同時堅硬頂板受振碎裂，致使支護體系失效[14]。印度Kolar金礦受構造應力影響，在臨近斷層、溝堰等地質不連續(xù)體以及偉晶制巖體中出現震動集群區(qū)域的巖爆現象[15]。

能量驅動的巖體破壞主要發(fā)生在高地應力地區(qū)的硬脆性巖體中[16-17]，巖石的脆性特征與其自身結構特征亦或是結構完整性有關，這種脆性破壞對巖石破壞過程有很強的影響，動力災害往往與之伴生[18]。在實驗室試樣的尺度下，不同種類的巖石具有不同的微觀結構特征，其力學性能和能量演化特征自然也存在差異，巖石沖擊傾向性[19]的概念便源于此。

本文就受載巖石能量演化的三方面內容能量分配及其各組分表征、結構特征與能量演化關系、外載條件對巖石能量演化影響等的研究資料進行了搜集，對其研究結論進行了梳理。就目前研究進展而言，以能量為視角的巖石破裂分析理論仍是處于發(fā)展階段，然而能量作為一種描述“宏觀系統(tǒng)”的“宏觀變量”，其物理意義較之用復雜數學語言描述的力學體系而言更容易被人理解，并且這種描述是有能量守恒和熵增的基本理論作為基礎的[20]。

1 能量分配及各組分表征

礦山動力災害發(fā)生前往往不易被人察覺。動力災害發(fā)生時，巖石中積聚的絕大部分能量突然釋放，印度某金礦支架因遭遇圍巖沖擊破壞直接由頂板被壓屈曲至底板，這種現象有別于常見的重力作用為主的巖體破裂冒頂現象[21]。然而無論是室內聲發(fā)射試驗還是現場監(jiān)測都發(fā)現堅硬巖石受載具有階段特性，巖爆發(fā)生前巖石內部存在大量微小的拉破裂現象[22-23]，這為災害預警的可能性提供了理論支持。

由于巖石受載過程中伴隨著微破裂的釋能現象，基于熱力學第一定律，不考慮熱交換，便可將受載過程中外界輸入巖體的能量U分為2部分，即U=Ud+Ue，其中Ud為耗散能，Ue為彈性能[24]。彈性能即巖石內部儲存的能量中可以通過變形恢復對外做功的一部分能量，彈性能又可以分為造成巖石形狀改變的能量和巖石體積改變的能量2部分[25-26]，以能量為視角解釋米塞斯準則即表示造成材料單元形狀改變的能量達到某一特定值時，材料便發(fā)生屈服或破壞[27]。耗散能即巖石材料受載過程中消散于破裂和塑性變形的能量，且這部分能量破壞了巖石結構的完整性，耗散能占比越大巖石破裂的越充分，目前認為峰后能量耗散機制的動力來源也是巖石自身儲備的彈性能[18]。波蘭學者Kidybinski將受載水平0.7～0.8Rc（Rc為巖石單軸抗壓強度）時彈性能與耗散能之比來定量評價巖爆傾向性，該指數得到了廣泛應用。外界輸入巖石能量的各組分如圖1所示。

材料破壞過程中的彈性變形能釋放量與應力松弛過程相關，從巖石破壞的峰后特征計算儲存彈性能的釋放量為

式中，σa為巖石的峰值強度；σb為巖石的峰后殘余強度；E為巖石的回彈模量；Er為破壞瞬間的能量釋放量，這部分能量用于破裂瞬間的釋放與破裂瞬間的消耗。應力松弛現象因受力形式不同而表現不同，巖石在受彎狀態(tài)下的應力松弛較受壓而言極不明顯，說明拉應力作用下巖石的變形絕大部分不可逆，巖石受彎曲卸載回彈量小，彈性能釋放量較小。但由于受彎構件的下部受拉，而上部處于受壓狀態(tài)，所以理論上較大開采空間頂板的快速破裂釋能區(qū)域并非緊鄰臨空面。

一般來說，巖石動力破壞所需要的能量是一定的，即最小能量原理，巖體破壞形式一定的情況下，其破壞消耗的能量為單向應力狀態(tài)的破壞能量，應力條件的不同只是決定了巖體所儲存彈性能量的不同；在三向應力條件下應力越高，巖體內部的彈性能就越高，破裂耗能不變的情況下，最終巖體破壞后的彈性余能就越大[13]。應變巖爆的彈射能大小往往直接影響工人安全，然而研究表明單軸條件下巖塊的彈射動能占峰前應變總能比值不到1%[28]。

工程巖體動力災害中，圍巖巖爆破壞的力學機制分為壓致拉裂、壓致剪切拉裂、彎曲鼓折（潰屈）等3種基本類型[29]。壓致拉裂破壞的巖石雖然在較低應力水平下發(fā)生，但由于周圍介質約束少，應力松弛量大且?guī)r石的拉裂耗能微乎其微，彈性余能依舊不小。在更大壓力水平下的單位體積剪切破壞耗散能占單位體積總能的比值將增加，這就使得地下空間的破裂范圍更大，開采空間振動更明顯。

2 結構特征與能量演化關系

2.1 工程巖體質量影響

工程巖體結構越差，時效性特征越明顯。在高地應力下地下空間開挖后這類巖體自我調整的時間更長，流變性特征更為凸顯，理論上可以借鑒粘稠流體的剪切形式描述能量耗散的形式[30]，這也造成該類巖體在形式上可以通過大變形和內部結構的調整更多地耗散地層儲備的彈性變形能；類似的觀點，在關于三峽邊坡[31]，錦屏一級水電站廠房[32]穩(wěn)定性分析中也有所提及。

錦屏水電站的巖爆現象[33]、南盤江天生橋水電站引水隧洞巖爆現象等[34]多出現在圍巖質量較好的地層地段中。但是當在開挖空間附近存在著局部破碎帶和軟弱帶等地質弱面構造時，由于在能量積蓄和釋放的空間分布上存在著明顯的不均勻性，在軟弱面處能量釋放梯度和速率均較大，從而很容易產生突然、猛烈的沖擊失穩(wěn)破壞[35]，二郎山隧道的巖爆地段多發(fā)生在距離斷裂面10～20 m以外的地段，從區(qū)域應力場分析可能是由于張拉性斷裂使得應力重新調整進而使得斷裂帶附近較完整巖體應力升高、蓄能量增加、區(qū)域能量釋放的梯度增大所致。而對于軟巖硬巖相互交織的地層，巖爆多發(fā)生在硬巖中[36]，表明軟硬交替的巖石中硬巖部分可以構成較好的蓄能結構，且卸荷時的釋能發(fā)生更為劇烈。

綜上，在高地應力下越硬越完整的地段或是該地段僅存在局部小范圍破碎帶，其發(fā)生能量驅動的失穩(wěn)破壞的可能性是極大的。

新城金礦新主井施工前勘探孔巖心顯示1 300 m出現嚴重餅化現象，但在施工至1 300 m左右時卻發(fā)現巖體質量反而較差，出現嚴重的突水，工作面注漿后依然存在20 m3/h的淋水量，這給施工帶來極大不便，且現場檢測設備上殘留的地下水蒸發(fā)后留下薄薄的一層鹽，推測有可能是海水滲透過來所致，這有別于日本Kan-Et su公路隧道施工過程中，超前鉆孔發(fā)現的巖芯餅裂區(qū)與巖爆區(qū)完全一致的結論[37]。

2.2 室內巖樣受載細觀結構改變與能量演化

巖石微裂紋發(fā)展演化是能量耗散機制的一種，也同時是巖石材料結構改變最為直觀的表現。1920年Griffith[38]的研究即表明當脆性物體內部潛在的釋放能量大于裂紋擴張所消耗的能量時，裂紋就開始擴張，他自己也建議這一理論適合應用于巖石中[39]。

就巖石材料受載進度變化而言，記錄花崗巖受壓過程的聲發(fā)射信號可以發(fā)現在達到彈性極限以前，巖石幾乎無聲發(fā)射信號產生，間接表明很少有新裂紋生成，或者即便有裂紋生成，其耗能量也是極少的，且這些裂紋不影響巖石宏觀性能，在這段受載期間內，控制巖石結構性能的主要因素是巖石顆粒間的結晶連接力[39-42]?；◢弾r內部的張拉現象主要在受壓早期存在，且在巖石試樣中分布較為均勻廣泛，這些發(fā)生張拉的區(qū)域是粘接強度較低，結晶尺寸較大處，而且張拉裂紋的擴張能力是十分有限的[43]，隨著壓力的增加，沿著晶界的晶體間的滑移勢必將成為變形的一部分。圍壓較小的條件下，花崗巖破裂主要形成片裂和一些狹窄的強烈壓碎的剪切帶；有趣的是，在花崗巖的破壞過程中極少發(fā)現在玻璃和塑料中觀察到的格里菲斯裂紋擴展形式，也幾乎沒有發(fā)現傾斜裂紋尖端傾向于最大主應力方向擴展的裂紋群出現[44]。

巖石材料的結構破裂往往在彈性極限點后開始出現明顯變化，同時聲發(fā)射監(jiān)測到的能量開始凸顯，在強度峰值點附近能量釋放達到最大值[45]。在把巖石加載壓縮到破裂的過程中，在達到一個臨界的變形水平之后，在將要形成終斷層的區(qū)帶上，發(fā)生強烈的變形集中，出現原來均勻的或近似均勻的變形場變成極不均勻的現象[46]，這時，巖石摩擦抗剪成分凸顯[41-42]。Scholz[47]于 1968 年對花崗巖進行壓縮試驗，利用微破裂釋放的彈性波定位破裂事件的空間位置；發(fā)現在峰值應力的92%之前，微破裂事件的空間位置沒有相關性，在峰值應力的92%之后，聲發(fā)射破裂的事件數突然增加并且破裂事件在空間上有明顯的聚集現象。

從硬巖的晶體顆粒間相互作用而言，很早研究人員就發(fā)現，圍壓作用下大理巖試樣最早的永久變形是由于晶粒邊界的張開[48]，而且粗粒結晶巖石強度普遍低于細粒[49]，所以大家認為晶界比晶粒要更為薄弱，應用格里菲斯的理論，晶界便可以看作是格里菲斯裂紋[50]，通過特殊的測量手段可以計算晶體間斷裂的表面能，利用公式反推巖石材料間的裂紋尺度[51-52]，但是同種巖石實際表面能的計算由于加載破裂方式的不同有時相差成百倍。

Eberhardt E等[53]認為裂紋最先產生在強度較低的長石晶粒中，然后出現在石英晶粒中，然而他并未對顆粒間邊界的影響進行研究，結合不同構成礦物之間強度的差異，他認為長石的顆粒大、含量高則巖石的塑性變形能力增強，即晶粒越大塑形變形能力越強。晶粒大小的改變也可能會影響到接收的聲發(fā)射信號的改變，巖石受壓后在新形成的剪切面附近的聲發(fā)射信號減少，這可能與貫穿裂紋前端的結晶顆粒先前受力的破壞減小有關。更小的結晶顆粒應該產生與裂紋貫通前不同頻率的聲發(fā)射信號，而這種頻率也有可能在門檻值之外，從而不被監(jiān)測到[54]。

3 受載條件對巖石能量演化影響

材料不會自身破壞，要破壞必須有外部因素作用[55]，外界條件會影響巖石結構的破裂形式與能量演化特征，如實際工程中最大主應力與主要節(jié)理組夾角影響巖體受載時的能量積聚與釋放效率[56]，垂直于弱面正應力的降低，增加巖爆風險[57]。實驗室在單軸加載條件下最大主應力使得完整巖石裂紋擴展的方向一直在改變，并且逐漸地平行于最大主應力方向[58-59]，而在有圍壓條件下圍壓越大則巖石試樣破裂面與最大主應力所在豎軸線夾角角度越大[60-63]，除了與圍壓相關外宏觀裂紋角度的變化與巖石種類也相關，對于硬巖而言最終會維持在30°左右；基于此有學者推測，圍壓的增加可能使得巖石試樣破裂后穩(wěn)定性變得更差[64]。

格里菲斯準則適用于固體間的斷裂，而摩爾—庫倫準則適用于顆粒間的拽曳摩擦[65]，不同的外界條件造成不同的破壞形式，所以實際工程中做到在不同外界條件下對能量演化更為合理的估計，就要清楚巖石破壞的形式從而找對能量積聚形式與耗散的途徑。

3.1 圍壓效應

眾所周知，能量的耗散源自于材料內部眾多微小的儲能結構轉變?yōu)楹纳C構，圍壓的存在影響耗散機構的生成形式。觀察先前研究的試驗結果可以發(fā)現，圍壓較大時相同軸力下，環(huán)向位移變得很小，結合Hoek[66]的研究可知最小應力和最大應力的比值超過0.2時，拉裂紋幾乎被全部抑制。側向應力的存在使得拉裂紋的“生長”緩慢并且停止在某一微裂紋長度[67]，這時完整巖石的破壞主要以剪切破壞為主。高圍壓下巖石的剛度更大[68]，相同的軸力下外界做功相對更小。此外低圍壓下由于剪切面凸起顆粒的翻滾摩擦，摩擦系數反而較大；圍壓增大，剪切摩擦系數反而降低[69]。高圍壓下巖石受載體積改變更難，因而外界做功變得更為“艱難”，所以最大主應力的幅值增加較大[70]。

對于巖石這種硬脆性、非均質、多組構材料而言，裂紋生成消耗的能量占耗散能量的很大一部分。巖石內部往往擁有一些天然缺陷，由于圍壓約束的存在，大的缺陷會被抑制住，受載變得更為均勻，進而使得小的缺陷被激活，微裂紋的成核現象最先出現在小的缺陷附近。但是無圍壓的單軸壓縮條件下，裂紋的聚集成核最先發(fā)生在大的缺陷處，大的缺陷導致裂紋集中，最終致使試樣破裂，而小的缺陷甚至都沒有裂紋成核現象[67]。

綜上，圍壓的存在使得小的缺陷被激活，換言之，雖然試驗不易觀察到，但是巖石中無數小缺陷的破裂使得巖石材料的整體破壞更加充分，材料強度得到最大化利用。

通過放大觀察南非金礦的石英巖在單軸壓縮下的裂紋路徑，推測大多數裂紋是沿著晶界發(fā)展的，一些孤立的裂紋則是穿過完整的晶體，試驗條件僅限于單軸壓縮破壞模式下的石英巖[66]。花崗巖在有圍壓的約束下，軸向壓縮破裂后統(tǒng)計微裂紋，發(fā)現四分之三的裂紋穿過晶粒，只有四分之一沿著晶界[71]。所以有無圍壓對裂紋路徑也有一定程度的影響，可能與前文提到圍壓使得小缺陷被激活有關，從微細觀破壞來看，晶界可以看作格里菲斯裂紋[59]，圍壓有可能使得晶界在一定程度上被鎖定，破壞微裂紋沿著晶粒自身缺陷進行。

3.2 卸荷效應影響

受載巖石能量狀態(tài)演化能夠解釋一些常見的工程現象，當巖石從高應力向低應力狀態(tài)轉變時，聚集的應變能釋放，伴隨著體積膨脹、結構松弛、宏觀結構效應顯化、細觀結構效應弱化，同時，物理力學性能下降，甚至比長期為低地應力條件下的巖石更差[40]。由工程卸荷引發(fā)的災難性事故，工程實例比比皆是，如硐室開挖引起圍巖的底鼓、冒頂、掉塊和坍塌；由于開挖或爆破導致巖體的滑坡、崩塌巖爆和巖芯餅化等等[72-73]。華安增進行了三軸卸圍壓試驗，得到的結論是加壓破壞以剪切破碎為主而降壓破壞以張拉破壞為主，破壞機理根本上是不一樣的[70]。破壞機理不同對能量的消耗自然也不同，剪切破壞相比于張拉破壞至少多了剪切面的摩擦能的消耗[74]。針對玄武巖控制不同的卸荷條件，發(fā)現不同卸荷應力狀態(tài)下玄武巖可以產生張性破裂，也可以產生剪性破裂，而且剪切破裂往往部分追蹤張性破裂面，發(fā)展為張剪性破裂[75-76]。文[77]的觀點別具一格，其認為剪切破壞僅僅是軸向劈裂之后的二級響應，剪切帶和剪切位移并不是失效的基本力學機制而僅僅是一個破壞的結果。盡管如此，在進行降壓破碎機理的解釋時，研究人員依舊以摩爾—庫倫準則來解釋。

所以，加壓和降壓破壞的能量差異可能體現在破裂形式的差異上。相比于加壓狀態(tài)下的剪切破裂為主，張拉性破裂方式的耗能與巖石破裂時自身儲能水平相比幾乎可以忽略，這就造成在巖石卸荷前應力較大的情況下，巖石卸荷破壞程度比加荷破壞更為劇烈[77-78]，且其破裂的發(fā)生類似于硬巖單軸加載破壞特征，征兆不明顯。由此看來，圍壓側向支撐的存在似乎是巖石受載時內部結構維穩(wěn)及彈性能量儲存的關鍵所在，巖石結構的穩(wěn)定性與能量釋放的程度對圍壓這種側向支撐的變化較為敏感。

只從破壞強度結果而言，相同圍壓下的加荷破壞的主應力較卸荷破壞條件下的最大主應力更大，這表明卸荷條件下巖體的強度降低；同時在相同的應力差下，卸荷破壞的巖石擴容量也比加荷條件下更大[79]。綜上，似乎巖石在卸荷條件下變得更加脆弱，材料性質與加荷大相徑庭。然而從能量的角度而言則有另一番解讀，卸荷條件下雖說巖體強度降低，但是按照研究人員試驗之初的加載條件，在卸荷之初巖體自身儲存的能量是較高的，卸荷是能量由高向低變化的過程，有可能卸荷之初巖體所儲存的能量大于加荷破壞最終的能量，由于能量不會無故消失，卸荷巖石擁有更多的能量，從能量守恒的角度就不難理解為什么卸荷破壞會產生更為被人感知的破壞特征，而相同應力差下卸荷的擴容量更大說明卸荷使得巖石內部破壞程度更大，巖塊的破裂發(fā)展更為充分。由于張拉破壞耗能量是比較低的[80]，加之卸載之初能量儲存較多，就不難理解卸載破壞釋能較強的現象。

綜上，加、卸圍壓改變的是圍巖的受力路徑，受力路徑對巖石能量的積聚和釋放影響較大，從而影響巖體工程性質。加圍壓增加的是圍巖的儲能水平，降低圍壓實質是降低了圍巖的儲能極限，圍壓對彈性能的積聚有促進作用，對能量的耗散有阻礙作用[81]。巖石儲能極限與原位巖石的儲能水平間的相互作用造就了不同的破壞形式。關于原位儲能水平、圍壓變化后的儲能極限與破壞方式之間的對應關系，目前的研究已經就其規(guī)律進行了說明，然而機理的說明尚未解決。關于其機理仍可簡單理解為圍壓對巖石內部不同尺寸的缺陷有激活和鎖定的影響[67]，不同尺寸的缺陷被激活則對應著不同的儲能結構和儲能極限。

3.3 加載速率影響下靜態(tài)、動態(tài)破壞的差異

加載速率對巖石力學性質具有重要影響，影響的程度與巖石自身的微結構和加、卸載應力路徑及狀態(tài)等密切相關。單軸靜態(tài)加載過程中隨著加載速率的增大，巖石的破壞由張剪性破壞逐漸過渡到張性劈裂甚至是劈裂彈射[82]。和圍壓效應相似，加載速率的變化同樣影響了巖石的破壞形式，緩慢加載的張剪性破壞可以增加巖石單元內的能量耗散[24]；加載速率越大，峰前巖樣的裂紋發(fā)育與擴展越欠充分，消耗的能量越少，導致峰前集聚的彈性應變能越高，巖爆瞬間所釋放的彈射動能越大。反之，加載速率越小，巖樣的裂紋發(fā)育與擴展越充分，消耗的能量越大，造成峰前集聚的彈性應變能越小，進而導致巖樣趨于發(fā)生較弱巖爆或一般脆性破壞[83]。

如果加載速率繼續(xù)增加，加載形式就從靜態(tài)加載過渡到動態(tài)，能量的變化將變得更加復雜。從斷裂力學的觀點出發(fā)，模擬斷裂Ⅰ型裂紋，在靜態(tài)劈裂加載速率下，對于輝長巖和大理巖而言，靜態(tài)斷裂韌度接近常數，但是在動態(tài)沖擊作用下，斷裂韌度隨著加載速率的增大而增加。SEM掃描觀察動態(tài)破壞后的巖石樣本，動態(tài)加載速率越高，裂紋產生的分支就越多，進而造成巖石破碎的塊數就越多[84]。如果采用表面能去估算破裂區(qū)以及破裂面的能量耗散值，那么加載速率越大，產生的破裂面積越大，則對應的能量耗散就越多。因此在分析破裂后巖石的彈射動能時，就變得較為復雜，從能量守恒原則出發(fā)可知，巖石靜態(tài)加載可能發(fā)生動態(tài)破壞，動態(tài)加載也可能發(fā)生靜態(tài)破壞[85]。加載速率與破壞后動能釋放大小并沒有嚴格的對應關系。

采用SHPB試驗裝置以不同的速率撞擊巖石，觀察不同撞擊速率下的各組分能量的變化發(fā)現，撞錘桿的撞擊速度越大，巖石破裂碎塊獲得的動能就越大。但是相對于整個SHPB加載系統(tǒng)的能量吸收率而言，加載速率越大，吸收到試塊中的能量占總能量的比值越小，換言之，系統(tǒng)能量用于破裂的利用率隨著加載速率的增加而減小[86]。

4 結論與展望

能量演化攜帶的信息量是豐富的，它既包含了巖石自身儲能狀態(tài)信息又包含了巖石結構的損傷破裂信息。例如，單位時間內巖體局部破裂的輻射能大小一般取決于破裂區(qū)域周圍應變能大小及損傷演化速度。因此理論上可通過輻射能的實時動態(tài)監(jiān)測以及損傷演化速度監(jiān)測來評估圍巖體蓄能量，進而評估動力災害發(fā)生的風險。

通過對資料搜集總結可以發(fā)現，現階段研究人員把研究重點放在受載巖石損傷過程中巖石內部形成的微小耗散系統(tǒng)及宏觀破裂形式對各組分能量演化規(guī)律的影響上，進而揭示能量驅動下的巖石破裂機理。下一步關于圍巖體儲能水平、不同約束條件下圍巖體儲能極限以及可能的破壞形式之間的對應關系，以及三者之間動態(tài)演化過程的相互作用的研究是有一定意義的。

能量的研究存在一些困難，目前受載巖石能量測評試驗方法略顯淺薄，主要是依靠加卸載試驗，霍普金森桿撞擊試驗等，有時也借助聲發(fā)射監(jiān)測設備，然而聲發(fā)射參數的選取又憑借研究人員主觀性，缺少對試驗監(jiān)測參數物理意義的進一步挖掘。所以試驗方法創(chuàng)新或是傳統(tǒng)試驗方法基礎上實驗參數更深一層物理意義的揭示是必要的。目前對于熱力學基本定律的挖掘也不夠深入，因而應用這些理論解決實際工程問題則必然存在困難。