侯雪迪 劉帆 黃建成 程豪 祝岳

摘 ? 要：層狀巖體破裂失穩(wěn)是導(dǎo)致地下工程地質(zhì)災(zāi)害的重要原因。本文針對(duì)層狀巖體失穩(wěn)問題，在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，從力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)值模擬角度概述了目前進(jìn)行的層狀組合巖體破裂演化規(guī)律研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上分析提出了層狀組合巖體破裂機(jī)制研究的發(fā)展趨勢(shì)：（1）含預(yù)制裂紋的層狀組合巖體破裂演化機(jī)制，（2）多場(chǎng)耦合層狀組合巖體失穩(wěn)特征研究。研究成果對(duì)于分析層狀組合巖體失穩(wěn)破裂研究現(xiàn)狀，明確其未來發(fā)展趨勢(shì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：層狀巖體 ?破裂機(jī)制 ?綜述 ?現(xiàn)狀及趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TU45 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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，我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)力度逐年加大，隨之而來的地下工程建設(shè)也日益廣泛。我國(guó)幅員遼闊，地質(zhì)環(huán)境多變，而地下工程建設(shè)廣度的擴(kuò)展，導(dǎo)致面臨的工程地質(zhì)情況日趨復(fù)雜。目前我國(guó)地下工程逐漸向大深度、大規(guī)模、復(fù)雜的方向發(fā)展，同時(shí)也面臨著更加嚴(yán)重的巖溶突水、巖爆等工程地質(zhì)災(zāi)害。

巖體作為地下工程的基本介質(zhì)，通常以層狀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)。地下工程開挖過程中，系列層狀巖體組合破壞是導(dǎo)致重大工程地質(zhì)災(zāi)害的重要原因。例如駱駝山突水，大同馬脊梁礦煤柱群失穩(wěn)引發(fā)地震及地表塌陷，貴南高鐵朝陽隧道突水等，均是由于層狀組合巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)所致。層狀組合巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)防控已成為地下工程中亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)及技術(shù)難題。

本文立足于層狀組合巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)核心問題，充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究成果，概述了力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)值模擬兩方面針對(duì)該問題進(jìn)行的系列研究，分析了層狀組合巖體破裂演化發(fā)展趨勢(shì)，以期為層狀組合巖體破裂失穩(wěn)研究提供參考。

1 ?國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前從實(shí)驗(yàn)室角度研究層狀巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及體破裂演化規(guī)律，目前主要集中在力學(xué)試驗(yàn)及數(shù)值模擬兩個(gè)方面。

1.1 力學(xué)試驗(yàn)

左建平等[1-8]系統(tǒng)進(jìn)行了多種監(jiān)測(cè)手段不同加載條件下的煤巖組合體力學(xué)行為、能量演化等方面研究，并建立了相應(yīng)的力學(xué)模型。解北京等[9]進(jìn)行了不同組合比條件下砂巖-煤巖-砂巖沖擊載荷試驗(yàn)。郭東明等[10]分析了不同傾角組合影響下煤巖體強(qiáng)度特征及破壞機(jī)制。王崗等[11]揭示了組合煤巖體破裂演化過程中的電荷規(guī)律。Chen等[12-15]分析了單軸加載煤巖組合體及油頁巖-煤巖組合體破裂演化規(guī)律及其力學(xué)行為。彭光忠等[16]采用石膏材料進(jìn)行試驗(yàn)，并解釋了塊狀組合巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)。劉曉云等[17]采用水泥砂漿及石膏材料測(cè)試了單軸壓縮不同強(qiáng)度組合復(fù)合巖體試件力學(xué)特性。

1.2 數(shù)值模擬

在數(shù)值模擬方面，Yin等[18-20]采用PFC進(jìn)行煤巖組合體破裂演化模擬試驗(yàn)，分析了其漸進(jìn)破壞規(guī)律及強(qiáng)度特征。Wang等[21]分析了不同孔洞裂紋情況下裂紋傳播規(guī)律及其力學(xué)性能。趙同彬、付斌、李蒙蒙、曹吉?jiǎng)?、趙宏林、趙越、趙增輝等[22-27]分別采用PFC2D、ANSYS2D、RFPA2D、FLAC3D數(shù)值軟件模擬了不同巖煤傾角、不同強(qiáng)度比的組合體試樣單軸、三軸壓縮試驗(yàn)，研究了巖煤界面傾角、分形特性對(duì)組合體試樣力學(xué)特性的影響及其漸進(jìn)破壞特征。郭偉耀、聶鑫和周安朝等[28-30]采用PFC2D數(shù)值軟件，模擬了不同加載條件下試驗(yàn)，分析了煤巖強(qiáng)度比、高比對(duì)組合體試樣強(qiáng)度、破壞特征的影響。

2 ?存在問題及發(fā)展趨勢(shì)

諸多專家學(xué)者的研究極大促進(jìn)了對(duì)層狀組合巖體破壞規(guī)律的認(rèn)識(shí)，但目前對(duì)于組合巖體破裂演化研究多集中于煤巖組合體，且主要研究對(duì)象為完整巖體或采用數(shù)值方法模擬含裂隙巖體。地下工程中多面臨裂隙巖體，其內(nèi)部原始損傷對(duì)工程巖體穩(wěn)定性具有極其重要的影響，因此僅考慮完整巖體力學(xué)行為，難以提供有效的層狀組合巖體災(zāi)害防控措施。地下工程中，巖體常處于多相耦合作用下，目前已有研究主要集中于載荷作用下層組合巖體破壞規(guī)律，對(duì)多場(chǎng)耦合層狀組合巖體破壞研究較少。在分析總結(jié)前述研究成果的基礎(chǔ)上，筆者認(rèn)為層狀組合巖體破裂研究將在下列兩方面得到長(zhǎng)足發(fā)展：

（1）含預(yù)制裂紋的層狀組合巖體破裂演化研究。

采用預(yù)制裂紋模擬工程地質(zhì)中的原始損傷，分析預(yù)制裂紋在載荷作用下傳播特征及其穿層破壞特征，揭示開挖擾動(dòng)影響下斷層、節(jié)理等原始損傷傳播演化誘發(fā)工程地質(zhì)災(zāi)害全過程，辨識(shí)災(zāi)變前兆信息，為層狀裂隙巖體工程失穩(wěn)防控提供可靠依據(jù)。

（2）多場(chǎng)耦合層狀組合巖體失穩(wěn)特征研究。

地下工程建設(shè)過程中，巖體除受到載荷作用，還常受到滲流場(chǎng)、熱力場(chǎng)影響，這導(dǎo)致巖石破壞并非單純受應(yīng)力場(chǎng)控制，而是多場(chǎng)耦合破壞過程。因此研究滲流場(chǎng)-熱力場(chǎng)-應(yīng)力場(chǎng)耦合作用下層狀組合巖體破裂失穩(wěn)過程，揭示其破裂失穩(wěn)機(jī)制及特征信息具有重要意義。

3 ?結(jié)語

層狀巖體失穩(wěn)災(zāi)害是地下工程安全建設(shè)面臨的重要技術(shù)難題。本文在充分調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，分析了層狀組合巖體失穩(wěn)破壞研究所取得進(jìn)展，同時(shí)提出了層狀組合巖體破裂研究在含原始損傷及多場(chǎng)耦合兩個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)。本文可為本領(lǐng)域研究提供一定的參考，同時(shí)對(duì)地下工程層狀巖體失穩(wěn)災(zāi)害預(yù)測(cè)及防控具有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 左建平， 陳巖， 張俊文， 等. 不同圍壓作用下煤-巖組合體破壞行為及強(qiáng)度特征[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2016， 41（11）： 2706-2713.

[2] 左建平， 謝和平， 吳愛民， 等. 深部煤巖單體及組合體的破壞機(jī)制與力學(xué)特性研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2011， 30（1）： 84-92.

[3] 左建平， 宋洪強(qiáng)， 陳巖， 等. 煤巖組合體峰后漸進(jìn)破壞特征與非線性模型[J]. 煤炭學(xué)報(bào)，2018， 43（12）： 3265-3272.

[4] 左建平， 裴建良， 劉建鋒， 等. 煤巖體破裂過程中聲發(fā)射行為及時(shí)空演化機(jī)制[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2011， 30（8）： 1564-1570.

[5] 左建平， 謝和平， 孟冰冰， 等. 煤巖組合體分級(jí)加卸載特性的試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)， 2011， 32（5）： 1287-1296.

[6] 左建平， 陳巖， 宋洪強(qiáng)， 等. 煤巖組合體峰前軸向裂紋演化與非線性模型[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 2017， 39（9）： 1609-1615.

[7] 左建平， 陳巖. 卸載條件下煤巖組合體的裂紋張開效應(yīng)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 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， 嚴(yán)正. 基于層疊模型組合煤巖體動(dòng)態(tài)力學(xué)本構(gòu)模型[J]. 煤炭學(xué)報(bào)， 2019， 44（2）： 463-472.

[10]郭東明， 左建平， 張毅， 等. 不同傾角組合煤巖體的強(qiáng)度與破壞機(jī)制研究[J]. 巖土力學(xué)， 2011， 32（5）： 1333-1339.

[11]王崗， 潘一山， 肖曉春， 等. 組合煤巖體沖擊傾向性及破壞特征的電荷規(guī)律試驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)， 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， 張利軍. 塊狀組合巖體結(jié)構(gòu)力學(xué)效應(yīng)的模型研究[J]. 巖土力學(xué)， 1985， 6（1）： 27-35.

[17]劉曉云， 葉義成， 王其虎， 等. 單軸壓縮下不同強(qiáng)度組合復(fù)合巖體相似材料試件力學(xué)特性研究[J]. 巖土力學(xué)， 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]趙宏林， 趙越. 傾角對(duì)煤巖組合體力學(xué)及沖擊傾向性影響的顆粒流分析[J]. 煤礦安全， 2018， 49（3）： 198-201

[24]李蒙蒙， 劉靖， 劉帥， 等. 基于Ansys對(duì)不同界面傾角煤巖組合體的破壞分析[A].北京力學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)[C].2013.

[25]曹吉?jiǎng)伲?戴前偉， 周巖， 等. 考慮界面傾角及分形特性的組合煤巖體強(qiáng)度及破壞機(jī)制分析[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2018， 49（1）： 175-182.

[26]付斌， 周宗紅， 王友新， 等. 不同煤巖組合體力學(xué)特性的數(shù)值模擬研究[J]. 南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)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， 徐寧輝， 等. 煤巖組合體力學(xué)特性模擬研究[J]. 煤礦安全， 2016， 47（2）： 33-35，39.

[30]聶鑫， 周安朝. 煤巖高度比對(duì)組合體力學(xué)特性影響的數(shù)值分析[J]. 煤炭技術(shù)， 2018， 37（3）： 102-104.