張曉君 王宇晨 劉國磊 李寶玉

（1.山東理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學(xué)礦山工程技術(shù)研究所，山東 淄博 255049）

0 引言

巖爆問題已成為我國采礦工程和地下工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。巖爆發(fā)生存在時(shí)間上的延遲效應(yīng)，有必要給予巖爆應(yīng)力松弛問題特別關(guān)注。很多學(xué)者針對(duì)巖石應(yīng)力松弛機(jī)理開展了研究，田洪銘等［1］開展針對(duì)泥質(zhì)紅砂巖的應(yīng)力松弛試驗(yàn)并建立了非線性松弛損傷模型；劉昂等［2］針對(duì)人工模擬結(jié)構(gòu)面的水泥砂漿澆筑試樣開展循環(huán)加載剪切應(yīng)力松弛試驗(yàn)并提出求解長期強(qiáng)度的方法；劉志勇等［3］開展了片巖應(yīng)力松弛試驗(yàn)并推導(dǎo)了應(yīng)力松弛方程；于懷昌等［4-5］針對(duì)粉砂質(zhì)泥巖開展了應(yīng)力松弛試驗(yàn)，基于分?jǐn)?shù)階微積分開展了巖石非線性黏彈性應(yīng)力松弛模型研究；劉圣等［6］針對(duì)紅砂巖開展了三軸壓縮下峰后松弛試驗(yàn)；張海龍等［7］進(jìn)行了2種應(yīng)力水平下的廣義應(yīng)力松弛試驗(yàn)并得出了可變模量本構(gòu)方程解析解；許江等［8］進(jìn)行了廣義應(yīng)力松弛試驗(yàn)并研究了考慮圍壓的巖石廣義應(yīng)力松弛特性；李帥等［9］利用自主研發(fā)的巖石松弛—擾動(dòng)試驗(yàn)裝置，得出了巖石加載、松弛、動(dòng)態(tài)擾動(dòng)和擾動(dòng)后4個(gè)階段的軸向應(yīng)力、軸向應(yīng)變和聲發(fā)射響應(yīng)；趙振華等［10］開展了卸壓孔硬巖應(yīng)力松弛特性試驗(yàn)研究；李曉程等［11］基于全過程超聲波監(jiān)測，開展了具有巖爆傾向性的輝長巖試樣單軸壓縮峰前應(yīng)力松弛試驗(yàn)。

本研究將針對(duì)巖爆應(yīng)力松弛機(jī)理，開展具有巖爆傾向性的輝長巖試樣在側(cè)面約束情況下的單軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)，得到其破裂演化進(jìn)程、應(yīng)力松弛規(guī)律和垂直臨空面方向的位移等，基于垂直臨空面方向的位移，揭示巖爆演化進(jìn)程及位移前兆，為巖爆破裂演化機(jī)理、監(jiān)測和防控提供依據(jù)。

1 側(cè)面約束情況下的單軸壓縮應(yīng)力松弛巖爆試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置與方案

采取濟(jì)南輝長巖，通過對(duì)試樣碎片的觀察及XRD衍射圖譜知，其主要成分是輝石和斜長石，其中斜長石含量占45%，輝石占40%，橄欖石占15%，粒徑以0.3～3.0 mm為主。

首先加工50 mm×100 mm的標(biāo)準(zhǔn)圓柱形試樣及巴西劈裂試驗(yàn)用圓盤試樣，根據(jù)單軸壓縮試驗(yàn)及基于壓拉比的強(qiáng)度脆性系數(shù)法，判定該巖石具有巖爆傾向性，適合本項(xiàng)目問題的研究。

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募皟x器設(shè)備情況，將濟(jì)南輝長巖加工成100 mm×100 mm×30 mm的長方體試樣，其上下兩面高度差不超過0.05 mm，端面不平整度誤差不超過0.02 mm，具體試樣見圖1。

為了更加接近巷道圍巖實(shí)際受力情況且能從側(cè)面觀測圍巖變形破裂演化進(jìn)程，這里采用透明亞克力板材對(duì)試樣進(jìn)行側(cè)向約束。該板材具有剛度大、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，滿足側(cè)向約束的要求，由于其透明性可通過攝像機(jī)全程攝錄試樣側(cè)面的變形破裂演化情況，具體見圖2（a）～圖2（c）。為了深入挖掘臨空面巖爆前兆信息，這里采用激光位移監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲得試樣應(yīng)力松弛過程中垂直圍巖臨空面方向的位移，具體見圖2（d）。監(jiān)測點(diǎn)位于試樣臨空面中部，位移監(jiān)測精度達(dá)到微米級(jí)，以期得到基于垂直圍巖臨空面方向位移的巖爆前兆信息及規(guī)律。

采用自制的巖石應(yīng)力松弛試驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)試樣的單軸抗壓強(qiáng)度，在側(cè)向約束的情況下，首先施加垂直載荷到140 MPa，保持加載位移不變，監(jiān)測應(yīng)力松弛過程，如試樣未發(fā)生失穩(wěn)巖爆，則在此基礎(chǔ)上繼續(xù)加載到150 MPa，同理，繼續(xù)加載到160 MPa，直到試樣在應(yīng)力松弛過程發(fā)生失穩(wěn)巖爆，整個(gè)加載速率控制在0.4 MPa/s。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

加載到140 MPa時(shí)，垂直方向?qū)嶋H加載位移為0.37 mm，保持位移不變，應(yīng)力松弛過程試驗(yàn)結(jié)果見圖3。從圖3（a）中可見，應(yīng)力隨時(shí)間首先表現(xiàn)為迅速衰減，隨后轉(zhuǎn)為逐漸衰減，向穩(wěn)定演化階段發(fā)展。從圖3（b）中可見，監(jiān)測點(diǎn)處垂直臨空面方向的位移在應(yīng)力松弛初期有小幅的波動(dòng)變化（變化值為0.001 mm），隨后再未發(fā)生變化，表明應(yīng)力松弛過程是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生巖爆。圖3（c）為加載到140 MPa時(shí)試樣一個(gè)側(cè)面的裂紋演化情況，圖3（d）為應(yīng)力松弛過程試樣側(cè)面的裂紋演化情況，可見應(yīng)力松弛過程裂紋未繼續(xù)擴(kuò)展演化，沒有能量耗散與釋放，表明應(yīng)力松弛過程是安全的，這與前面的分析結(jié)果一致。

繼續(xù)加載到150 MPa，垂直方向加載位移為0.02 mm，保持位移不變，應(yīng)力松弛過程試驗(yàn)結(jié)果見圖4。從圖4（a）中可見，應(yīng)力隨時(shí)間同樣首先表現(xiàn)為迅速衰減，隨后轉(zhuǎn)為逐漸衰減，向穩(wěn)定演化階段發(fā)展。從圖4（b）中可見，監(jiān)測點(diǎn)處垂直臨空面方向的位移在應(yīng)力松弛初期有較明顯的波動(dòng)變化，位移以遠(yuǎn)離母體為主（變化值為0.001 mm），隨后再未發(fā)生變化，表明應(yīng)力松弛過程最終是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生巖爆。圖4（c）為應(yīng)力松弛過程試樣一個(gè)側(cè)面的破裂演化情況，可見有2次明顯的裂紋密集生成和擴(kuò)展，隨后未再有裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，表明應(yīng)力松弛過程最終是安全的，這與前面的分析結(jié)果一致。

繼續(xù)加載到160 MPa，垂直方向加載位移為0.02 mm，保持位移不變，應(yīng)力松弛過程試驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖5（a）中可見，應(yīng)力隨時(shí)間同樣首先表現(xiàn)為迅速衰減，隨后轉(zhuǎn)為逐漸衰減，然后向穩(wěn)定演化階段發(fā)展。從圖5（b）中可見，監(jiān)測點(diǎn)處垂直臨空面方向的位移在應(yīng)力松弛過程中一直未發(fā)生變化，表明應(yīng)力松弛過程是穩(wěn)定的，不會(huì)發(fā)生巖爆。圖5（c）為應(yīng)力松弛過程試樣一個(gè)側(cè)面的破裂演化情況，可見在該載荷下，其應(yīng)力松弛過程有新的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展，但裂紋比較細(xì)小，張開度極低，最終該應(yīng)力松弛過程是穩(wěn)定的，這與前面的分析結(jié)果一致。

繼續(xù)加載到170 MPa，垂直方向加載位移為0.01 mm，保持位移不變，應(yīng)力松弛過程試驗(yàn)結(jié)果見圖6。從圖6（a）中可見，應(yīng)力隨時(shí)間迅速降低，當(dāng)應(yīng)力降低到155 MPa時(shí)試樣發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，總的應(yīng)力松弛時(shí)間僅為41 s，應(yīng)力隨之陡降到6.7 MPa。從圖6（b）中可見，監(jiān)測點(diǎn)處垂直臨空面方向的位移隨松弛時(shí)間不斷增加，增幅越來越明顯，預(yù)示著巖爆即將發(fā)生，發(fā)生巖爆時(shí)位移陡增，由0.008 mm劇增到0.274 mm，因此可通過監(jiān)測垂直臨空面方向的位移來反饋圍巖內(nèi)部情況進(jìn)而預(yù)測預(yù)報(bào)巖爆，垂直臨空面方向的位移持續(xù)增加可作為巖爆的前兆信息，雖然巖爆圍巖本身位移很小，但通過高精度的位移監(jiān)測是可行的。圖6（c）為其中一個(gè)側(cè)面的破裂演化情況，從圖中可見，在應(yīng)力松弛過程中，首先表現(xiàn)為在原裂紋基礎(chǔ)上的裂紋繼續(xù)擴(kuò)展，隨后在兩相鄰裂紋之間形成貫通裂紋，裂紋張開度不斷增大，最后在原裂紋基礎(chǔ)上裂紋擴(kuò)展爆裂。圖6（d）為試樣另一側(cè)面的破壞情況，圖6（e）、圖6（f）為臨空面巖爆破壞情況及破碎體，從圖中可見，破裂主要集中在臨空面附近，表現(xiàn)為以劈裂為主的劈裂—剪切復(fù)合破壞，破壞形式、特征與現(xiàn)場巖爆是一致的。巖爆發(fā)生后，亞克力板材未產(chǎn)生任何裂紋及破壞現(xiàn)象，表明采用亞克力板材作為側(cè)向約束材料是可行的，是滿足試驗(yàn)要求的。

巖爆圍巖多為完整性巖體，其受載變形很小，蠕變因素對(duì)其影響非常小，圍巖受載過程更多地表現(xiàn)為加載、松弛、再加載、再松弛的過程，應(yīng)力隨垂直方向加載位移的變化關(guān)系見圖7。從圖7可見，加載到170 MPa時(shí)試樣總位移僅為0.42 mm，變形非常小，在第四次松弛過程中試樣發(fā)生巖爆，由此可見，巖爆不僅會(huì)發(fā)生在加載過程中，也會(huì)發(fā)生在應(yīng)力松弛過程中，應(yīng)力松弛巖爆應(yīng)該引起特別關(guān)注。

2 基于垂直臨空面方向位移的巖爆探討

圍巖產(chǎn)生垂直臨空面方向的位移，將在臨空面附近形成拉張應(yīng)力。設(shè)拉張應(yīng)力為σL，正應(yīng)力以拉為正，則裂紋面上的拉應(yīng)力和剪應(yīng)力為

式中，σ1為鉛垂主應(yīng)力；α為裂紋面與垂直臨空面方向的夾角。

根據(jù)式（1），裂紋面與垂直臨空面方向夾角越大，引起垂直裂紋面的拉應(yīng)力越大，張開度也就越大，因此，圍巖垂直臨空面方向的位移對(duì)裂紋面的影響隨裂紋面與垂直臨空面方向夾角的增大而增大，所以與最大主應(yīng)力方向夾角越小的裂紋面越易產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通。α=0°時(shí)不存在拉應(yīng)力，此時(shí)σ=-σ1，α=90°時(shí)拉應(yīng)力達(dá)到最大，此時(shí)σ=σL。拉應(yīng)力達(dá)到一定值，可導(dǎo)致圍巖內(nèi)一定角度內(nèi)的原有微裂隙張開、擴(kuò)展或新裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通，引發(fā)圍巖擴(kuò)容、劈裂破壞。

根據(jù)式（2），α=45°時(shí)剪應(yīng)力達(dá)到最大，同時(shí)剪應(yīng)力又隨σL和σ1的增大而增大，而σL和σ1受荷載應(yīng)力水平影響，應(yīng)力水平越高其σL和σ1值越大，拉應(yīng)力的增加伴隨著剪應(yīng)力的增加，剪應(yīng)力達(dá)到一定值，在圍巖內(nèi)部將產(chǎn)生剪裂紋，最終與劈裂紋一起形成劈裂—剪切復(fù)合破壞。

由Griffith斷裂分析的能量方法［12］，在單向拉伸條件下，巖石的應(yīng)變比能為

式中，σ為巖石所受的拉應(yīng)力；E為巖石的彈性模量。

則單位厚度巖板的總應(yīng)變能釋放量為

表面能為，

式中，γs為單位面積表面能；a為裂紋半長。

令總能量的導(dǎo)數(shù)為零，得，

對(duì)于非常脆的材料，滿足裂紋擴(kuò)展的拉應(yīng)力為

隨著脆性程度的降低，需考慮塑性變形能則上式變?yōu)椋?3］，

式中，γp為單位面積塑性變形能。

由式（8）可見，隨著脆性程度的降低，要滿足裂紋擴(kuò)展所需的拉應(yīng)力越大，巖爆越難發(fā)生，但一旦發(fā)生，則巖爆劇烈，反之巖爆越易發(fā)生。圍巖產(chǎn)生垂直臨空面方向的位移并持續(xù)增加，致使拉張應(yīng)力σL不斷增加，如果拉張應(yīng)力σL＞σf則裂紋啟裂擴(kuò)展，而σf主要依賴于巖石的脆性程度，巖石越脆則σf越小，其裂紋越易啟裂并極易失穩(wěn)擴(kuò)展，一旦擴(kuò)展至邊界將形成片落或彈射。

3 結(jié)論

（1）針對(duì)巖爆應(yīng)力松弛機(jī)理，開展了具有巖爆傾向性的輝長巖試樣在側(cè)面約束情況下的單軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)。采用透明亞克力板材對(duì)試樣進(jìn)行側(cè)向約束，巖爆發(fā)生后，亞克力板材未產(chǎn)生任何裂紋及破壞現(xiàn)象，表明采用亞克力板材作為側(cè)向約束材料是可行的，滿足試驗(yàn)要求。

（2）監(jiān)測垂直臨空面方向的位移可以反映圍巖內(nèi)部情況，位移持續(xù)增加可作為巖爆的前兆信息，進(jìn)而預(yù)測預(yù)報(bào)巖爆。巖爆破裂主要集中在臨空面附近，表現(xiàn)為以劈裂為主的劈—剪復(fù)合破壞。巖爆不僅會(huì)發(fā)生在加載過程中，也會(huì)發(fā)生在應(yīng)力松弛過程中。

（3）圍巖產(chǎn)生垂直臨空面方向的位移將形成拉張應(yīng)力，如果拉張應(yīng)力σL＞σf，則極易失穩(wěn)發(fā)生劈裂破壞，拉應(yīng)力的增加伴隨著剪應(yīng)力的增加，剪應(yīng)力達(dá)到一定值，在圍巖內(nèi)部將產(chǎn)生剪裂紋，最終與劈裂紋一起形成劈—剪復(fù)合破壞。

需要說明的是，本次只開展了側(cè)面約束情況下的單軸壓縮應(yīng)力松弛試驗(yàn)研究，對(duì)于更復(fù)雜的情況有待進(jìn)一步研究，研究結(jié)果對(duì)巖爆機(jī)理、監(jiān)測與防控具有很好的指導(dǎo)和借鑒意義。