陳 浩，何麗華，何應明

(1.玉溪礦業(yè)有限公司, 云南 玉溪 653405，2.云南冶金高等專科學校 礦業(yè)學院，云南 昆明 650300)

0 引言

隨著淺部礦產(chǎn)資源的日益減少，礦山開采逐步向深部推進[1]。隨著深度的增加，巖石的力學特性必然會發(fā)生改變，除了靜態(tài)的地應力外，還受到開挖、地震等帶來的動力擾動[2]。眾多學者已對巖石的力學特性開展了大量試驗研究：BAILLY等[3]采用霍普金森壓桿系統(tǒng)對含能材料進行了三軸沖擊壓縮試驗，探討了材料在高應變率下的力學行為；宮鳳強等[4]利用改進的三軸SHPB試驗系統(tǒng)對均質砂巖進行了動靜組合沖擊試驗，分析了均質砂巖在沖擊過程中的力學特性以及破壞模式；葉洲元等[5]探討了三維動靜組合加載作用下，軸壓與圍壓對細砂巖動靜組合強度、彈性模量以及最大應變率的影響；牛勇等[6]分析了紅砂巖在動靜組合受力狀態(tài)下的破壞形態(tài)、能耗規(guī)律以及變形強度特征；盧志堂等[7]基于改進的霍普金森壓桿對不同應變率下的花崗巖樣進行了試驗，分析了試樣在中高應變率下的動力響應以及破壞模式；許金余等[8]通過試驗研究與理論分析建立了巖石損傷度的判定標準；李海潮等[9]基于Weibull分布與修正Lemaitre應變等價性假設，建立了巖石的損傷本構模型。

已有研究[10]表明，可將礦山地下巖體所處應力環(huán)境視為動靜組合受力狀態(tài)。本文以大紅山銅礦巷道掏槽掘進優(yōu)化課題為研究背景，借助三維動靜組合SHPB試驗系統(tǒng)研究該礦山某巷道大理巖的應力應變特征、能量傳遞及損傷演化規(guī)律，以期為巷道掘進爆破參數(shù)優(yōu)化提供參考。

1 試驗系統(tǒng)及方案

1.1 試驗設置及方案

從大紅山銅礦某中段巷道圍巖中選擇均質且完整性較好的巖塊作為試驗對象，按照國際巖石力學試驗要求，采用2S-200型立式取芯機和SHM-200型雙端磨石機取樣加工，制作端面不平整度小于0.02 mm的試樣，并對其進行聲波測試，篩選出波速、密度大致相同的試樣用于靜載和動態(tài)沖擊力學試驗。大理巖試樣的靜態(tài)力學參數(shù)如表1所示。

表1 大理巖試樣的靜態(tài)力學參數(shù)

(1)

式中：E為壓桿的彈性模量，GPa；C為壓桿的彈性波速，m/s；Ls為試件長度，mm；A、As分別為壓桿與試件的橫截面積，mm2；εt(t)為入射應變脈沖；εr(t)為反射應變脈沖。

1-軸壓加載裝置；2-圍壓加載裝置；3-測速系統(tǒng)；

通過水壓致裂法測得大理巖取樣區(qū)域的地應力值，確定本次三維動靜組合加載的軸壓為14 MPa，圍壓為5 MPa，試樣尺寸為φ50 mm×50 mm。圖2為電壓時程曲線，圖3為應力平衡曲線。為研究試樣在三維動靜組合加載下的動力學特性和損傷程度，初步以1.5 MPa沖擊氣壓對試樣進行試沖，其側面破壞形式如圖4所示。選擇試樣的沖擊氣壓(PI)為1.4、1.5、1.6、1.7、1.8 MPa，試驗方案及結果見表2。

圖2 電壓時程曲線 圖3 應力平衡曲線

表2 試樣力學試驗參數(shù)及結果

1.2 試驗數(shù)據(jù)處理方法

在外部載荷或環(huán)境作用下，由于細觀結構的缺陷(如微裂紋、微孔洞等)引起材料或結構的劣化過程，稱為損傷[14]。用單位體積內(nèi)破壞微元數(shù)目Nx與總微元數(shù)目N之比表征損傷變量D，即

(2)

式中，F(xiàn)表示微元體的強度，p(x)表示破壞概率。

假定試樣的微元體的強度服從Weibull統(tǒng)計分布理論[15]，則其概率密度函數(shù)可以表示為

(3)

式中，m、F0是Weibull分布的兩個參數(shù)。

將式(3)代入式(2)可得

(4)

式中，F(xiàn)、m和F0的計算過程見文獻[16]。

計算結果為

(5)

(6)

式中，μ為泊松比，σf、εf分別是應力-應變曲線在峰值處的應力和應變。

2 結果分析

2.1 應力-應變曲線分析

圖5為試樣的應力-應變曲線。由圖5可知：曲線可劃分為裂隙壓密階段、線彈性階段、塑性階段以及破壞階段。裂隙壓密階段的持續(xù)時間極短；在線彈性階段，應力隨著應變的增大而增大，試樣的動彈性模量對應變率的敏感度較高；在塑性階段，試樣內(nèi)部裂隙與孔隙不斷萌生、發(fā)育、匯合，表現(xiàn)為應力-應變曲線斜率逐漸減小，損傷度逐漸增大；在破壞階段，試樣的損傷達到最大，已不能保持其完整性，出現(xiàn)了宏觀破壞，破壞后的試樣仍保有部分殘余強度，表現(xiàn)出應變軟化特性。

圖5 不同應變率下的試樣應力-應變曲線

2.2 巖石破碎與吸能規(guī)律

圖6 不同應變率下的試樣破壞形態(tài)

用能量吸收比(SEA)即單位體積吸收能來定量分析試樣破碎的吸能大小[20]，計算式為

(7)

式中，WD為試樣吸收的能量值，V為試樣體積。

圖7為能量吸收比(SEA)與入射能(EI)的關系。由圖7可知，試樣的SEA隨EI呈線性增加。SEA與試樣的破碎程度密切相關：當EI=688.17 J時，SEA=1.83 J/cm3，試樣未發(fā)生宏觀破壞；當EI=752.56 J時，SEA=2.23 J/cm3，試樣出現(xiàn)1條貫穿裂紋；當EI=890.43 J時，SEA=2.49 J/cm3，試樣產(chǎn)生2條主裂紋，破裂成3個大塊；當EI=963.17 J時，SEA=4.05 J/cm3，試樣整體失穩(wěn)而破碎；當EI=1 227.37 J時，SEA=5.13 J/cm3，試樣由大塊變?yōu)樾K。由擬合公式可知，當EI為258 J時，SEA為0，說明存在SEA為0時的臨界EI，即只有當EI>258 J時試樣才開始吸收能量。當EI<258 J時，試樣吸收的能量極少，入射能量全部以反射能量與透射能量的形式耗散。

圖7 能量吸收比與入射能的關系

3 巖石沖擊損傷特性分析

圖8 動態(tài)本構與損傷度變化曲線

由圖8可知：在應力-應變曲線的線彈性階段，試樣主要發(fā)生彈性變形，損傷變量基本為0；彈性階段過后，試樣內(nèi)部原始裂紋開始擴展，損傷變量緩慢增大，試樣發(fā)生塑性變形；峰后階段，裂紋匯集并貫穿，試樣發(fā)生破裂，損傷變量由緩慢增大轉為快速增大。

4 結論

本文利用三軸SHPB動靜組合加載試驗裝置對大理巖試樣進行軸壓為14 MPa、圍壓為5 MPa、應變率為79.19～186.71 s-1的沖擊試驗，得到以下主要結論：

a.當應變率為79.19、97.15、124.64、152.49、186.71 s-1時，峰值應力分別為152.48、194.25、209.17、236.64、295.31 MPa，相較于單軸抗壓強度分別增加了21.56%、54.85%、66.75%、88.65%、135.42%。

b.當SEA=1.83 J/cm3時，試樣未發(fā)生宏觀破壞；當SEA=2.49 J/cm3時，試樣僅有少數(shù)裂紋貫通；當SEA=4.05 J/cm3時，試樣完全破碎。