肖福坤， 徐 雷， Башков О.В., 包豐源

(1.黑龍江科技大學 黑龍江省煤礦深部開采地壓控制與瓦斯治理重點實驗室， 哈爾濱 150022；2.Комсомольский-на-Амуре государственный университет Материаловедение и технология новых материалов， Хабаровский край г.Комсомольск-на-Амуре， Россия 681013)

0 引 言

在地下工程建設過程中，對穩(wěn)定空間進行開挖將引起地下硐室應力的重新分布，硐室的尺寸、深度、數量及空間位置關系與圍巖的損傷破壞程度及破裂規(guī)律有著緊密聯系。巖體中的卸壓孔、卸壓槽及瓦斯抽采鉆孔形態(tài)均對區(qū)域巖體裂紋延伸及損傷演化產生一定的影響。工程中的孔洞缺陷形式較多且復雜，故探索含孔洞巖石的力學特性及聲發(fā)射特征對圍巖穩(wěn)定性分析具有重要的意義。

巖石孔洞傾角與孔洞填充對巖石抗拉強度有著顯著的影響[1]。單孔試樣的剛度、最大拉伸強度、邊界能和微裂紋總數隨半徑的增加而減小[2]。在數值模擬方面，任惠亮[3]以黃砂巖為研究對象，使用聲發(fā)射系統(tǒng)、數字散斑系統(tǒng)進行了巖石單軸壓縮破壞實驗，并使用RFPA3D數值模擬軟件對巖石三維破壞過程進行了模擬。騰俊洋[4]等采用相似材料制作包含多種支護情況、0°和90°的含孔洞加錨試件，對其進行單軸壓縮實驗，分析試件不同部位裂紋擴展規(guī)律，得到了含孔洞加錨巖石的力學特性和裂紋擴展規(guī)律。楊圣奇[5]等對含孔洞裂隙砂巖的力學特性進行單軸荷載實驗，分析含孔洞裂隙巖樣的強度和變形特性，同時總結出孔洞裂隙等缺陷對聲發(fā)射分布有著顯著的影響。崔嘉慧[6]確定了巖石相似材料及配合比，制備出不同孔徑的單孔類巖石試件，分析了含不同缺陷孔洞試件在單軸壓縮條件下的變形及破壞情況。文獻[7-10]采用數值模擬等方法研究了鉆孔間距等參數對巖石抗拉強度和抗壓強度的影響，并提出了為卸壓提前保留形變空間的控制技術。

在前人研究的基礎之上，筆者利用聲發(fā)射監(jiān)測技術，對孔徑、孔深、孔數及孔位4個維度的砂巖裂紋延伸、破裂形態(tài)、強度特征及聲學特性進行分析，研究孔洞形式對裂紋演化特征、力學特性及聲發(fā)射規(guī)律的影響。

1 實驗方法與設備

在進行壓力機的單軸壓縮實驗時，同時利用聲發(fā)射儀器檢測砂巖內部裂紋的閉合、產生、擴展及貫通過程，設置的門檻值為40dB。實驗結束后導出數據，利用Excel軟件對聲發(fā)射數據進行排列和篩選，選擇聲發(fā)射振鈴計數作為實驗的因變量，然后利用Origin繪圖軟件繪出了砂巖的應力-時間-振鈴計數的圖像，通過聲發(fā)射的振鈴計數可以有效地分析各種不同缺陷砂巖的裂紋演變情況。

通過壓力試驗機對含不同孔洞缺陷的砂巖試件進行位移加載，探討不同類型孔洞對砂巖力學特性的影響。切割長×寬×高為100 mm×30 mm×100 mm的長方體完整試樣，然后經鉆孔機制作成設定的圓形孔洞，用TYJ-500 kN電液伺服巖石剪切流變試驗機對不同孔洞砂巖進行加載。實驗過程選擇位移控制加載，加載速率為0.02 mm/s。記孔直徑為D孔數量為n,砂巖的幾何尺寸見表1，孔洞巖石變形破壞監(jiān)測系統(tǒng)見圖1。砂巖試樣見圖2。

表1 砂巖的幾何尺寸

圖1 孔洞巖石變形破壞監(jiān)測系統(tǒng) Fig. 1 Hole rock deformation and failure monitoring system

圖2 砂巖試樣Fig. 2 Sandstone sample

2 結果與分析

實驗研究不同缺陷孔洞砂巖應力、振鈴計數和時間對應的關系，闡述相應的機理，有助于全面認識砂巖的破壞規(guī)律，為進一步研究大直徑卸壓鉆孔提供重要指導依據。

2.1 力學特性

單軸抗壓強度的計算公式為

式中：p——試樣的抗壓強度，MPa；

σ——試件破壞載荷，kN；

S——試件初始承載面積，cm2。

彈性模量的計算公式為

式中：E——彈性模量，GPa；

σ1——試件的正應力，MPa；

ε——試件的軸向應變，%。

以單孔試件為例，不同孔徑巖石試件的抗壓強度及彈性模量見表2。

根據表2結果分析得出，試樣抗壓強度總體呈下降趨勢，完整試樣抗壓強度為75.02 MPa；孔徑5 mm試樣抗壓強度為63.65 MPa，降幅為15.16%；孔徑增至10 mm時，抗壓強度降為59.31 MPa，降幅20.94%；孔徑增至15 mm時，抗壓強度降為53.57 MPa，降幅為28.59%。同理，峰值應變降幅分別為41.33%、35.71%和6.89%。隨著孔徑的增加，單軸抗壓強度呈線性遞減，峰值應變呈負指數型遞減，彈性模量在出現孔洞后，先增加，而后隨著孔徑的增加，呈遞減趨勢。

表2 不同孔徑巖石的力學參數

Table 2 Mechanical parameters of rocks with differentpore sizes

n/個D/mmp/MPaε/%E/GPa0075.023.923.211563.652.33.9511059.312.523.1611553.573.652.22

2.2 聲發(fā)射特征

完整試樣、孔徑分別為5、10、15 mm 4種巖石試件破壞形態(tài)如圖3所示。

從圖3a中可以看出，隨著壓力機的連續(xù)位移加載，當所受到的壓力超過巖石的承載極限時，巖樣發(fā)生破壞。完整試樣破壞形態(tài)表現為右下角表層剝落，左下角和試樣頂端中間出現剪切裂紋，呈現出與壓應力方向偏離30°的宏觀裂紋，屬于剪切破壞類型。當孔徑為5 mm時，孔洞左側平行于加載方向出現拉應力集中現象，導致產生近似豎直方向的拉伸裂紋，隨著壓力的繼續(xù)加載,試樣左側完全分離,導致試樣最終破壞，孔洞右側形成遠場裂紋，它是由試樣在單軸荷載作用內部應力超過極限強度產生的，最終試樣呈拉伸破壞類型,如圖3b所示。當孔徑為10 mm時，孔洞周邊兩側方向由于壓應力集中導致剪切裂紋的產生。最后呈60°“>”形狀表面剝離，及“”形狀剪切裂紋，試樣發(fā)生剪切拉伸混合破壞,如圖3c所示。當孔徑為15 mm時，孔洞周邊兩側方向由于在單軸荷載作用下壓應力集中導致剪切裂紋的產生,呈現30°扁 “>”型裂紋，最后其表面剝落，孔洞右側裂紋是與右側面呈30°的“”形的剪切破壞，“>”和 “”之間有個相連的呈松動狀態(tài)的三角形區(qū)域,如圖3d所示。從總體上看，裂紋的擴展路徑由剪切破壞向拉伸破壞過渡，最終發(fā)育為剪切拉伸混合破壞。隨著孔徑的增加，試樣由剪切破壞向拉伸破壞過渡，最終發(fā)育為剪切拉伸破壞。

圖3 不同孔徑巖石試件破壞后的形態(tài) Fig. 3 Failure morphology of rock specimens with different pore diameters

完整試樣、孔徑分別為5、10、15 mm 4種巖石試件的應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計如圖4所示。

完整砂巖試件在0.02 mm/s的位移加載條件下，應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計如圖4a所示。在壓密階段前期，幾乎沒有聲發(fā)射振鈴計數；在壓密階段后期和彈性階段初期，僅有零星聲發(fā)射現象。用不同孔徑試樣與完整試樣對照，孔徑由5 mm增至10 mm，振鈴計數峰值來臨時間提前了61 s。孔徑由10 mm增至15 mm，峰值來臨時間提前了13 s。

圖4 不同孔徑巖石試件應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計 Fig. 4 Stress-time-ringing count statistics of rock specimens with different pore diameters

結果表明：相對于完整試樣，含孔洞的試樣可以減少聲發(fā)射事件的發(fā)生；孔徑的增加可以減少彈性階段的聲發(fā)射事件；隨著孔徑的增加，振鈴計數峰值來臨時間不斷提前，并且提前的幅度逐漸趨于平緩；聲發(fā)射累計數增長幅度隨著孔徑的增加而減少；含孔洞砂巖試樣微裂紋的孕育、萌生、擴展、成核的過程比完整試樣更加規(guī)律，可以按照某一方向發(fā)展，達到了卸壓的效果，這一效果隨孔徑增加而增加，增長曲線逐漸趨于平緩。

雙孔洞直徑5 mm試件破壞后的形態(tài)如圖5所示，應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計如圖6所示，從圖6可以看出，壓密階段幾乎沒有聲發(fā)射振鈴計數產生。對比分析直徑為5 mm的單孔洞和雙孔洞試樣的應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計圖可知，雙孔洞試樣振鈴計數峰值來臨時間更早，振鈴計數峰值略有減少，聲發(fā)射累計數增幅降低。通過對兩組試樣破壞后形態(tài)的分析，發(fā)現雙孔洞的砂巖試樣破壞形態(tài)沿兩個孔洞發(fā)育，能判斷其內部的微裂紋同樣按照此形態(tài)發(fā)育。結果表明：孔洞數目的增加，可以提升卸壓效果；同時能使微裂紋的發(fā)育和破壞形態(tài)更加規(guī)律。

圖5 5 mm直徑雙孔洞水平布置巖石試件破壞后形態(tài)Fig. 5 Failure morphology of rock specimens with 5 mm diameter double holes horizontal arrangement

圖6 5 mm雙孔洞水平布置巖石試件應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計Fig. 6 Stress-time-ringing count statistics of rock specimen with 5 mm diameter double holes horizontal arrangement

不同孔洞數目巖石力學參數如表3所示。

表3 不同孔洞數目巖石的力學參數

Table 3 Mechanical parameters of rock with differentnumber of holes

n/個D/mmp/MPaε/%E/GPa1563.652.304.952552.092.033.38

雙孔豎直布置和雙孔45°傾斜布置2種巖石試件破壞后形態(tài)如圖7所示，應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計如圖8所示。直徑5 mm雙孔洞豎直布置砂巖試件在0.02 mm/s的位移加載條件下，應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計如圖8a所示；直徑5 mm雙孔洞傾斜45°布置砂巖試件的應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計如圖8b所示。荷載施加初期即壓密階段沒有聲發(fā)射振鈴計數產生。彈性階段前中期振鈴計數也是零星現象。通過對3種布置方式巖石試件破壞形態(tài)的分析，可以看出水平布置的試樣破壞形態(tài)比較規(guī)律，其次為傾斜布置的試樣，豎直布置的試樣破壞形態(tài)最為復雜。結果表明：隨著砂巖試樣受力方向與孔洞圓心連線角度的增加，砂巖試樣的單軸抗壓強度和彈性模量逐漸減??；振鈴計數峰值逐漸增大；受力方向和孔洞圓心連線的角度越大，微裂紋的擴展和試樣的破壞形態(tài)越規(guī)律。

圖7 5 mm雙孔洞不同布置方式巖石試件破壞后形態(tài)Fig. 7 Failure morphology of rock specimens with 5 mm diameter double holes arranged in different ways

圖8 5 mm雙孔洞不同布置方式巖石試件應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計Fig. 8 Stress-time-ringing count statistics of rock specimens with 5 mm diameter double holes arranged in different ways

通過分析雙孔洞不同布置方式的應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計圖，得到其巖石力學參數如表4所示。

表4 不同孔洞布置方式巖石的力學參數

Table 4 Mechanical parameters of rock with different hole arrangement

n/個布置方式p/MPaε/%E/GPa2水平52.092.033.382豎直65.593.334.652傾斜56.411.744.09

單孔直徑10mm，孔深分別為10、20 mm 2種巖石試件破壞后的形態(tài)如圖9所示，應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計如圖10所示。單孔直徑10 mm、孔深10 mm的砂巖試件在0.02 mm/s的位移加載條件下，應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計如圖10a所示。單孔直徑10 mm、孔深20 mm的砂巖試件的應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計如圖10b所示。

圖9 10 mm單孔洞不同孔深巖石試件破壞后形態(tài)Fig. 9 Failure morphology of rock specimens with 10 mm diameter single hole and different hole depths

圖10 10 mm單孔洞不同孔深巖石試件應力-時間-振鈴計數統(tǒng)計Fig. 10 Stress-time-ringing count statistics of rock specimens with 10 mm diameter single hole and different hole depths

孔深由10 mm增加至20 mm，振鈴計數峰值也相應從2.8萬增加至3.2萬次。振鈴計數峰值來臨時間比較接近，但孔深20 mm的試樣峰值更加集中，在50～80 s，孔深20 mm的試樣的聲發(fā)射累計數有小幅度增加。對比破壞斷面，孔深20 mm試樣的斷面更加平整。結果表明：孔深的增加，使振鈴計數峰值增加；使聲發(fā)射事件更加集中；對比淺孔而言，深孔試樣的破壞面更加平整；隨著孔深的增加，卸壓效果逐漸增強。

通過分析單孔直徑10 mm，不同孔深砂巖試件的應力-時間-振鈴計數，得到其巖石力學參數如表5所示。

表5 不同孔深巖石的力學參數

Table 5 Mechanical parameters of rocks with differentpore depths

n/個D/mm孔深/mmp/MPaε/%E/GPa1101081.572.144.261102071.252.323.72

3 結 論

(1)相對于完整試樣，含孔洞的試樣可以減少聲發(fā)射事件的發(fā)生，含孔洞的砂巖試樣微裂紋的孕育、萌生、擴展、成核和擴展的過程比完整試樣更加規(guī)律。隨孔徑的增加，缺壓效果逐漸趨于平緩。隨孔洞數目的增加，試件單軸抗壓強度逐漸降低，微裂紋的發(fā)育和破壞形態(tài)更加規(guī)律。

(2)隨著砂巖試樣受力方向與孔洞圓心連線角度的增加，砂巖試樣的單軸抗壓強度和彈性模量逐漸減小，振鈴計數峰值逐漸增大。受力方向和孔洞圓心連線的角度越大，微裂紋的擴展和試樣的破壞形態(tài)越規(guī)律。

(3)隨著孔深的增加，振鈴計數峰值逐漸增加，聲發(fā)射事件更加集中，卸壓效果逐漸增強。對比淺孔而言，深孔試樣的破壞面更加平整。

(4)孔洞能夠起到降低和轉移應力的作用，應力降低效果與孔徑、孔數及孔深成正比，當鉆孔布置方向垂直最大主應力方向時，應力峰值降低最明顯，更有利于巷道的穩(wěn)定。