擾動誘發高應力卸荷巖體破壞特征實驗研究

趙光明，劉崇巖，許文松，孟祥瑞

(1.安徽理工大學 深部煤礦采動響應與災害防控國家重點實驗室，安徽 淮南 232001; 2.安徽理工大學 煤礦安全高效開采省部共建教育部重點實驗室，安徽 淮南 232001)

隨著地下工程建設深度的不斷增加，巖體受到高地應力和深部構造應力場等因素的多重作用[1]，使得巖體應力集中現象日益突出，導致巷道圍巖在開挖卸荷后會發生擴容現象或者支護失效，可能出現巖石劈裂、圍巖剝落、甚至巖爆災害[2-3]。為了充分考慮開挖卸荷效應，國內外學者考慮到地下巖石的三軸受力作用，進行了大量假設圍巖σ2=σ3的卸荷實驗[4-5]，研究圍壓大小、卸荷方式、時機等諸多因素對卸荷過程中巖石力學特性和破壞特征的影響。因此，研究高應力巖體開挖卸荷破壞機理是迫切需要的。但是常規三軸實驗無法較準確地模擬復雜圍巖非等圍壓應力狀態，真三軸實驗系統彌補了這一缺陷，能較好地完成復雜應力路徑變化過程，模擬出現場實際工程巷道開挖卸荷，圍巖由三向六面應力狀態變為三向五面受力的單面卸荷狀態。

中間主應力是決定巖石破壞的重要因素之一，直接影響了巖體的破裂形式及承載能力[6-7]。LI等[8]開展了花崗巖、砂巖、灰巖在不同應力水平下的卸荷試驗，研究了中間主應力對巖石開裂模式的影響。DU等[9]通過雙軸加載得出中間主應力大于20 MPa后，圍巖破裂模式開始轉變;宮鳳強、蘇國韶等[10-12]學者以鉆孔巖石來模擬具有結構相似性的巷道圍巖，研究指出在宏觀上中間主應力增強了圍巖承載能力，并且直接決定了圍巖的顆粒彈射烈度及劈裂程度。所以研究中間主應力的變化對高應力卸荷巖石破壞的影響很有必要。目前，針對真三軸應力狀態，考慮到圍巖開挖卸荷，開展中間主應力影響下高應力單面卸荷巖體破壞模式的研究還需要完善。

在巷道開挖以后，圍巖體不只受到靜應力的作用，還繼續受到由巷道開挖持續產生的動載荷的影響[13]。圍巖在深部高應力集中的情況下，擾動可能誘發巖石發生宏觀破壞，或者改變其內部結構，弱化巖石的承載能力[14]。相關學者使用真三軸實驗系統進行了擾動荷載與靜載聯合作用下巖石破壞試驗，在最大主應力方向施加擾動，改變擾動頻率和振幅，發現循環擾動輸入的大部分能量被耗散，從而降低了巖石的能量存儲能力和強度[15]，在巖石積聚足夠大的彈性能時，足夠載荷和適當頻率的擾動可以直接造成巖石破壞?？紤]到真三軸應力狀態的研究，主要是進行了最大主應力方向的擾動實驗[16-17]，通過擾動促使巖石破裂。而在圍巖開挖卸荷后，進行高應力巖體中間主應力方向擾動實驗的相關研究有待開展。

因此，基于以上對現有研究的分析，筆者借助真三軸卸荷擾動巖石測試系統和聲發射監測系統，考慮圍巖開挖卸荷的實際情況，設計單面卸荷實驗，研究中間主應力對單面卸荷巖石破壞的影響，分析σ2方向不同類型擾動作用后卸荷巖石的力學特性，為高應力卸荷巖體建設的穩定性提供參考。

1 試驗方案

1.1 實驗設備

采用自主研發的真三軸擾動卸荷巖石測試系統，如圖1所示，其中，σX，σY，σZ分別為X，Y，Z方向載荷，σd為擾動載荷。該實驗機器可對巖石進行三向六面加載，每個方向獨立控制，可分別進行單軸、雙軸、真三軸、單面卸荷、動靜耦合加載等實驗。Z向可施加最大5 000 kN載荷，Y向和X向最大可施加3 000 kN載荷，在Y向和Z向加載頭中分別設計嵌入擾動加載頭，擾動頭沖擊幅值0～500 kN，頻率范圍0～50 Hz，可實現2個方向同時獨立擾動加載。同時采用軟島DS5聲發射信號采集系統監測卸荷巖石破壞過程，配合6個聲發射探頭采集信號，聲發探頭安裝如圖1所示，σX方向卸荷面和非卸荷面對稱各安裝3個探頭。為盡量減少噪音影響，門檻值設定40 dB，聲發射采樣頻率設定為1 kHz～1 MHz，聲發射信號分析軟件實時記錄AE事件、能量、振幅等參數。通過斷鉛實驗對巖樣聲速進行標定，在聲發射探頭涂抹耦合劑，以減小實驗誤差。

圖1 真三軸擾動卸荷巖石測試系統及試件安裝Fig.1 True triaxial disturbance and unloading rock testing system

1.2 試件制作

取圍巖單元體作為研究對象[13]，以強度較高的花崗巖作為實驗材料，50 mm×100 mm的圓柱體單軸抗壓強度為220.96 MPa。為減少由于試件的離散性造成的實驗誤差，在取石場選擇一塊較大的花崗巖進行切割，加工成100 m×100 mm×200 mm的長方體試件，保證試件的端面不平整度和不垂直度小于0.02 mm。測量出花崗巖的基本物理參數，密度2.64 g/cm3、縱波波速5 670 m/s、橫波波速3 541 m/s、孔隙率0.45%、泊松比0.27、彈性模量26.8 GPa。

1.3 實驗方案

(1)不同中間主應力單面卸荷實驗(實驗1)。在高應力巷道開挖卸荷后，巖石從真三軸六面受力狀態轉變成單面卸荷的五面受力狀態，如圖2(a)所示，圍巖應力重新調整平衡，自由面附近巖石可能會出現應力集中現象，當次生應力超過巖石的承載能力時，巖體產生破壞。實驗路徑如圖3所示。首先，加載σ1(Z向)到50 MPa，加載速率為15 MPa/min，在相同的時間內加載σ2(Y側向)到預設的不同中間主應力(10，15，20，30，40，50 MPa);以1.5 MPa/min速率加載σ3(X側向)到5 MPa，瞬時單面卸荷σ3;然后，以15 MPa/min加載速率持續增加σ1至試件失去承載能力破壞。

(2)擾動誘發卸荷巖體破壞實驗(實驗2)。巷道開挖卸荷以后，工作面后方圍巖還會繼續受到來自掘進工作面動載荷的影響，如圖2(b)所示，本文探討中間主應力方向擾動對巖石破壞的影響，應力路徑如圖4所示。與實驗1相同在加載到初始圍壓時，進行單面卸荷，將σ1加載到80%σs，保持σ1不變，σ2方向進行擾動后，再繼續增加σ1到巖石破壞。初始圍壓σ1=50 MPa，σ2=30 MPa,σ3=5 MPa，σs為在此圍壓條件實驗1的峰值強度。參考總結前人研究，井下開挖和震動產生的擾動頻率范圍為2～15 Hz[17-18]，認為小于5%σs是小應力幅值[18]，所以筆者選取擾動頻率為2，8，15 Hz，幅值為1%σs，5%σs，10%σs。實驗最終設置低頻高幅(2 Hz，19 MPa)、高頻低幅(15 Hz，1.9 MPa)、中頻中幅(8 Hz，9.5 MPa)3種擾動模式。

2 不同中間主應力試驗結果分析

2.1 強度特征

分析不同中間主應力作用下，卸荷巖石強度特征，如表1和圖5所示。在初始圍壓加載階段，巖石裂隙被壓密，單面卸荷之前，應力應變曲線斜率呈增大趨勢。在單面卸荷時不同中間主應力巖石都出現了不同程度的軸向擴容，應變減小，在σ2<30 MPa時較為明顯，在σ2=50 MPa的高中間主應力狀態下，擴容量較小。

圖2 開挖卸荷及擾動示意Fig.2 Diagram of excavation unloading and disturbance

圖3 不同中間主應力單面卸荷實驗路徑Fig.3 Single-sided unloading path with different intermediate principal stresses

圖4 擾動實驗應力路徑Fig.4 Stress path of disturbance experiment

表1 不同中間主應力卸荷初始應力及峰值強度Table 1 Unloading initial stress and peak strength of different second principal stresses MPa

圖5 不同σ2應力應變曲線Fig.5 Stress-strain curves of different σ2

中間主應力較低時，單面卸荷后，巖石應力應變曲線不光滑，而在σ2>30 MPa時，應變與應力有較好的相關性。可以得出在較小的中間主應力下，巖石的裂隙發育及擴展有很大的不穩定性，而在較大的中間主應力作用下，應力應變曲線光滑，可以很好地提高巖石承載的穩定性。并且隨著中間主應力的增大，巖石的峰值強度增大，說明中間主應力可以提高單面卸荷巖體對外載荷的承載能力。

一些學者指出隨著中間主應力的增大，峰值強度會出現拐點，由上升變為下降。SONG等[19]通過玻爾茲曼方程預測真三軸狀態下砂巖強度下降拐點對應中間主應力約為120 MPa。由圖5峰值載荷趨勢可知，中間主應力為50 MPa時，峰值載荷增加趨勢逐漸變緩。一定范圍中間主應力限制了其垂直方向裂紋的擴展，明顯地增強了巖石的承載能力，但是隨著中間主應力的增加，由于卸荷自由面的存在，σ2開始加速了平行其方向的裂紋的發育成核，開始弱化巖石的承載能力，所以中間主應力的增加可能會對單面卸荷后巖石的承載能力起到先增強后逐漸弱化的作用，合適的中間主應力對工程巖體的穩定至關重要。

2.2 不同中間主應力卸荷巖石開裂的模式

圖6給出了不同中間主應力卸荷巖石的破壞模式，圖6(a)～(f)為σ2=10～50 MPa巖石整體破壞;圖6(g)，(h)為卸荷巖石張拉層狀破壞;圖6(i)為現場大理巖層狀破壞[20];圖6(j)為圍巖板裂破壞[21]?？梢园l現明顯差異，在較低的中間主應力作用下，卸荷面附近有明顯的平行卸荷面的宏觀裂紋，并發生層狀拉伸破壞如圖6(g)，(h)所示，與高應力卸荷巖體現場情況及以往學者研究相似如圖6(i)，(j)所示。因為在軸向載荷的作用下，中間主應力限制了巖石的Y向擴張，巖石向卸荷面擴容，產生由壓致拉的張性裂紋，形成明顯的破壞坑，但卸荷巖體最終還在遠離卸荷面產生了斜剪切破裂面，整體呈現張拉-剪切破裂特征。σ2=30 MPa時，破壞后試件也形成了破壞坑，但是破壞坑寬度大，深度淺，裂紋呈現劈裂與剪切復合破壞。在較大的中間主應力作用下，失去承載能力后的試件較完整，卸荷面整體破壞，巖板折斷，多條主破裂面近似平行于最大主應力方向，呈劈裂破壞。

圖6 不同σ2卸荷巖石的破壞形態Fig.6 Failure modes of unloading rock with different σ2

聲發射波形特征通常被認為是反映斷裂破壞模式的有效途徑。研究表明，聲發射參數中的RA值和平均頻率AF值可以反映材料結構內部的裂紋類型，RA值是上升時間和幅值的比值，而平均頻率AF則由振鈴計數和持續時間的比值獲得。一般來說，具有低AF、高RA值的聲發射信號通常代表剪切裂紋的產生或發育，相反，若是高AF、低RA值則是張拉裂紋的產生或發育[22]，花崗巖的裂縫分類的RA值與AF值的比例[17]通常設定為1∶80。繪制聲發射RA-AF的散點分布密度云圖如圖8所示，紅色區域為密度核心區域，藍色區域為無數據分布區域，密度為0，由紅色過渡到藍色區域代表有一定量的數據，如圖7所示。

RA-AF的密度云圖呈三角區域，RA值較大時，AF值變化范圍越小。在較小的中間主應力狀態下，信號點稀疏，核心密度不明顯，隨著中間主應力的增大逐漸增多，核心密度區域逐漸變大，核心密度區靠近AF軸，由圖8的統計結果可知，σ2=10，15 MPa張拉裂紋占據40.54%和41.21%，巖石整體破壞以剪切破裂為主。因為卸荷巖體自由面附近的巖石是由壓致拉裂而產生破壞坑的過程，但是在裂紋貫通后，由于裂紋具有彎曲和非對稱性特點，微裂隙界面會彼此相互移動，會發生剪切摩擦，這也是卸荷面破壞坑也出現白色細小巖粉的原因。斜剪切破裂面貫通是最終導致卸荷巖石失去承載能力的主要原因，因此在較小的中間主應力作用下，還是以剪切破裂為主。隨著σ2的增加，泊松效應使得圍巖更容易發生劈裂破壞，剪切裂紋比例逐漸下降，張拉裂紋比例上升。在σ2=50 MPa時，剪切裂紋下降為25.68%，張拉裂紋占據了主要地位。隨著中間主應力的增大，卸荷巖石的開裂模式由張拉-剪切破壞逐漸轉變成張拉-劈裂破壞，與巖石整體破壞形式基本相符。

2.3 巖石破壞過程的聲發射特征

中間主應力會影響巖石的破壞過程，宮鳳強、LIU等[21-23]通過大量微縮實驗得出巷道圍巖卸荷后，高應力巖體會發生巖爆，洞壁破壞由平靜演變為小顆粒彈射、巖片剝落、劇烈破壞形成V型槽。蔣劍青、許文松等[24-25]通過對卸荷單元體進行實驗發現破壞過程和結果與孔洞微縮實驗及現場有一定的相似性。結合前人研究，分析單面卸荷條件下，巖石破壞過程聲發射特征。

σ2≤30 MPa時，巖石破壞聲發射特征為平靜到持續出現伴隨小幅突增、陡升高峰持續低峰、大幅突增破壞。卸荷面破壞形成明顯的V型破壞坑，主破壞面為明顯的斜剪破壞。結合本文的實驗結果以σ2=20 MPa進行單面卸荷巖體破壞特征探討，如圖9所示。在單面卸荷之前，應力水平較低，圍巖中原生裂隙閉合，巖石主要經歷裂隙壓密階段，聲發射信號處于平靜期(Ⅰ)，累計能量增加較小，主要為能量積聚。單面卸荷后，經歷了裂隙發育時期(Ⅱ)，聲發射信號持續出現，幅值較小，振鈴計數和累計能量出現小幅突增，累計能量階梯式增長，自由面小裂隙不斷發育成核，隨著軸向應力的升高會發生小顆粒彈射，大部分能量在繼續積累。

圖9 σ2=20 MPa時巖石破壞及聲發射結果Fig.9 Rock failure and acoustic emission results when σ2=20 MPa

軸向應力達到123.93 MPa以后，進入發展期(Ⅲ)，聲發射信號持續出現，振鈴計數出現兩次較大的升降，且兩峰之間伴隨一段振鈴計數小幅值的振動，累計能量小階梯增長，可能是卸荷自由面發生兩次較大的彈射破壞，裂紋貫通后卸荷面巖板屈曲折斷，滑落，在一次巖爆后，聲發射信號明顯持續出現，卸荷面持續發育，應力重新調整，當能量再次積聚較大時，卸荷面再次出現較大的巖爆破壞，聲發射信號再次高幅值增加，而后突然降低，進入一小段平靜期。軸向應力增加到154.48 MPa后，聲發射信號再次出現，振鈴計數幅值較巖爆時低，呈多低峰狀態，伴隨累計能量不規律增長，卸荷面經歷巖爆后，應力重新調整，新的自由面發生再次破壞，破壞坑持續加深，逐漸形成V型巖爆坑。

卸荷巖石在整體破壞前振鈴計數經歷了一小段相對平靜期，累計能量斜率逐漸減小，與LIU等[23]研究孔洞整體破壞前破壞活動減弱，聲發射信號相對較低相似，最終剪切破裂面在較短的破壞階段(Ⅳ)貫通，卸荷巖石整體失去承載能力。

σ2>30 MPa時，聲發射信號經歷了平靜、持續出現、多低峰、持續升高、突增破壞。卸荷面破壞未形成明顯的破壞坑，主破壞面基本平行于最大主應力方向，呈劈裂狀。以中間主應力為50 MPa為例進行分析，如圖10所示，在卸荷之前經歷平靜期(Ⅰ)，聲發射斷續出現，累計能量基本沒有變化。卸荷后進入裂隙發育期(Ⅱ)，聲發射信號持續出現，但振鈴計數較低，累計能量上升較小，巖石彈性能不斷積累。在軸向應力到達137.85 MPa后，在發展期(Ⅲ)，振鈴計數出現多次集中小幅陡增，累計能量線性增長，卸荷面發生破壞，能量小幅釋放，與較低中間主應力不同未發生較大的破壞，沒有發生振鈴計數及累計能量的陡升。當軸向應力升高為216.75 MPa左右時，聲發射經歷了一小段平靜期，隨后振鈴計數持續出現，峰值逐漸升高，伴隨高密度陡升，信號峰值間隔時間較短，累計能量持續迅速升高。軸向應力加載到253.20 MPa后進入破壞階段(Ⅳ)，振鈴計數大幅突升，裂隙融合貫通，主破裂面逐漸形成，巖石發生集中破壞，能量大幅釋放，巖石承載能力不斷弱化，最終發生破壞。

圖10 σ2=50 MPa時巖石破壞及聲發射結果Fig.10 Rock failure and acoustic emission results when σ2=50 MPa

3 擾動誘發卸荷巖石破壞實驗結果

3.1 強度特征

表2和圖11給出了單面卸荷后不同擾動類型參數及應力應變曲線，在靜載荷加載階段，加載到152.81 MPa時，3種耦合荷載作用下的力學行為與靜荷載作用下的較為相似，都經歷了非線性壓實行為，線性彈性行為，經過動力擾動后，經歷了非線性破壞階段，3種卸荷巖石的變形和強度都有明顯的差異。

表2 不同擾動類型及峰值強度Table 2 Different disturbance types and peak intensity

圖11 擾動卸荷巖石應力應變曲線Fig.11 Stress-strain curves of disturbed unloading rock

巖石經過低頻高幅、中頻中幅、高頻低幅擾動后對應的峰值強度分別為189.47，180.91，185.65 MPa。說明低頻高幅擾動對卸荷巖石的損傷較小，中頻中幅對卸荷巖石承載能力產生的影響最大。由圖11可知，擾動前應變差異較小，擾動點到應力跌落的σ1方向應變差值分別為5.61×10-3，3.05×10-3，5.20×10-3，低頻高幅擾動后巖體應變差值最大，中頻中幅產生的應變差值最小，擾動前σ2方向擴容較小，擾動后σ2方向應力-應變表現為非線性擴容，σ2方向應變差值分別為1.50×10-3，1.22×10-3，1.32×10-3。

對巖石的承載能力的損傷為中頻中幅>高頻低幅>低頻高幅。低頻高幅擾動沒有充分誘發巖石內部裂隙的發育，所以軸向壓縮，側向擴容，產生足夠的應變才能造成內部裂紋貫通，發生巖石破壞。而中頻中幅更強烈地促進卸荷巖體內裂紋的擴展、成核，試件主要向卸荷面破壞，所以較小的σ1和σ2方向應變就使得內部裂紋貫通形成破裂面。適當的頻率和振幅耦合對卸荷巖體的損傷更大。

3.2 擾動卸荷巖石的分形特征

為分析中間主應力方向擾動后卸荷巖石的力學性質變化規律，明確擾動影響后破碎塊體分布特征，將試件的碎屑采用篩分法進行處理[26]，篩分尺寸分別為0～0.5，0.5～1.0，1.0～2.5，2.5～5.0，5.0～10，10～20，20～40，40～70，70～100 mm，共9個粒級，統計不同擾動后試件各粒級的質量占比，篩分碎塊的分布情況如圖12所示，在篩選后放入10 mm的黑色方塊作為參考物。

圖12 15 Hz，1.9 MPa擾動碎屑分布Fig.12 Disturbance debris distribution of 15 Hz,1.9 MPa

碎屑分形維數D的計算可以采用碎屑的質量-等效邊長計算，由分形理論[27]可知

M(r)/M=(r/a)k

(1)

lg(M(r)/M)=klg(r/a)

(2)

D=3-k

(3)

式中，M為計算尺度內碎屑總質量;M(r)為小于等效邊長r的碎屑質量;a為碎屑平均尺寸;k為lg(M(r)/M)-lgr雙對數坐標下擬合曲線的斜率值，由此可計算出卸荷巖石破碎后的分形維數。

在計算結果時發現，碎屑在70～100 mm質量較高數據較離散，影響擬合斜率，相關性系數小于0.8。學者們研究發現碎屑的自相似性并不一定在整個塊度范圍內存在[28]。因此本文選擇通過70 mm以內碎屑計算分形維數，圖13為卸荷巖石碎塊lg(M(r)/M)-lgr曲線。

圖13 巖石碎塊lg(M(r)/M)與lg r曲線Fig.13 Rock fragments lg(M(r)/M) with lg r curves

低頻高幅、中頻中幅、高頻低幅分形維數分別為2.548，2.689，2.583，碎屑的分形維數能反映試件的破壞程度，分形維數越大，碎屑破碎程度越高。中頻中幅擾動作用后，分形維數最大，表明大碎屑減少，碎屑質量趨于相近。低頻高幅擾動后分形維數最小，碎塊破碎程度低，表明中頻中幅擾動后的卸荷巖石更加破碎，擾動后加載過程中內部裂紋發育越充分，從另一方面說明適當的頻率和振幅耦合對卸荷巖體的損傷更大。

3.3 擾動卸荷巖石的開裂機制

中間主應力方向擾動后卸荷巖石的破裂形態如圖14所示，圖14中紅色為貫通裂隙，藍色為未完全貫通裂紋，由于中間主應力限制了Y方向的裂隙擴展，所以在軸向應力的增大下破裂面平行中間主應力。在低頻高幅的擾動作用后，卸荷面破裂較少，附近巖板整體剝落，局部層狀破裂，沒有形成明顯的V型破裂坑，整體發展形成近似共軛X剪切破裂，裂隙發育不充分，與其分形維數研究破碎程度低的結果吻合。說明低頻高幅對巖石的損傷最小，由前文分析可知大裂紋在低頻高幅擾動后最多，但由于頻率較低，沒有激發小裂紋的形成。

圖14 擾動作用后巖石破裂形態Fig.14 Rock fracture shape after disturbance

中頻中幅擾動后，卸荷面形成明顯V型破壞坑，其破壞分形維數最大，破壞坑中巖石破壞以小尺寸較多，破壞過程中出現的小裂隙較多，在遠離卸荷面發現小裂紋較少，裂紋之間相互連通。表明中頻中幅不僅加速了約束力小的卸荷面附近小裂紋的發育成核，同時也加速了大裂紋之間的連接貫通。

高頻低幅擾動后，卸荷巖石自由面附近形成較小的V型破壞坑，由于張拉作用形成明顯劈裂厚巖板，并且遠離卸荷面裂隙發育也較為明顯，存在兩條近似平行最大主應力方向的未完全貫通裂紋，裂紋之間沒有明顯連接貫通，整體呈現近似劈裂-剪切復合破壞。高頻低幅加速了小裂紋形成與成核，但是由于擾動幅度小，裂隙未充分發展連通，所以存在裂紋較多，但破裂面未完全貫通。

4 討 論

4.1 中間主應力對圍巖破壞的影響

學者們通過實驗得出真三軸狀態下中間主應力可以增強巖石強度[11-12,19]，有利于圍巖強度的提高，本文也同樣利用高應力花崗巖得出了一定范圍內，中間主應力的增大強化了巖石的承載能力。從微觀角度分析，中間主應力不僅限制了垂直σ2方向裂紋的產生，也壓密巖石內部裂隙。但中間主應力超過一定范圍，會促進微裂紋的發展，巖石儲存更多的彈性能，一旦裂隙開始擴展貫通，對巖石的破壞反而起到促進作用，如3.2節中相比于σ2=20 MPa，σ2=50 MPa卸荷巖石在發展階段前期大破裂較少，在后期振鈴計數密集且逐漸增大，表明應力集中較高時，高σ2會促進巖石釋放更多能量，加劇破壞。針對高應力花崗巖真三軸應力狀態，馮夏庭等[29-30]得出σ2=150 MPa后，巖石峰值強度略微下降，在σ2=50 MPa時，峰值強度增幅逐漸減緩，文獻[19]研究發現砂巖在σ2=40 MPa時增幅減緩，預測在σ2=120 MPa左右出現下降拐點。雖然在工程巖體設計時中間主應力一般小于120 MPa，基本不會出現直接弱化圍巖的強度，但也不能簡單增加σ2從而增強圍巖承載能力，還要綜合考慮σ2的增大會加劇巖石破壞時的劇烈程度，增大了二次支護難度和事故發生時的損害程度等。

4.2 擾動弱化巖石卸荷巖體承載能力

工程中大多數弱擾動沒有直接促進圍巖破壞，而是弱化了巖石的承載能力，靜應力和擾動對卸荷巖體的破壞作用不同，靜載荷主要是積累初始損傷，擾動為輸入額外的能量，促進裂紋的發育成核與破裂面的貫通，并誘發新的損傷。李夕兵、SINGH等對爆破產生的應力波進行了研究和簡化[31-32,17]，如圖15所示，在距離震源一定距離后，以單元體進行分析時，地震波隨著距離增加由低頻高幅演變為高頻低幅，所以本文選擇了3種特殊擾動波。σ0為擾動前的應力狀態，R0為炮孔半徑。3種擾動對卸荷巖體的損傷弱化結果為中頻中幅>高頻低幅>低頻高幅，表明位置離擾動源距離小時的損傷反而最小，這也可能是巷道圍巖破壞一般發生在距離工作面一段距離后的原因之一。

筆者等[33]通過實驗指出相同條件下，越大的擾動幅度和幅值，對巖石破裂的影響越大，并且通過本文得出擾動對圍巖的影響往往是頻率和振幅耦合作用的結果。從能量角度考慮，幅值越大，擾動對巖石輸入的能量越高，才能激活巖石大裂紋發展。若擾動頻率較低，擾動能量無法以較快的速率輸入到卸荷巖石中，能量沒有持續積累，所以適當頻率和幅度組合，對卸荷巖石持續輸入能量，巖石積累的能量最多，對巖石的損傷更大。在工程建設時，不能單一地通過改變炮孔密度和直徑等參數改變擾動的頻率或幅值，從而減少爆破和機械等對圍巖的擾動。礦井開挖過程中的擾動作用是持續不斷的，在需要分析圍巖承載能力的弱點時，也需要考慮擾動因素，如圖15所示，在距離大于150R0以后區域，尋找和分析中頻中幅擾動位置，這段圍巖中的裂隙發育貫通比較充分，需要重點關注。

5 結 論

(1)單面卸荷時，卸荷巖石會出現擴容回彈現象;在一定范圍內，隨著中間主應力的增大，卸荷巖石的穩定性和峰值強度都有所增強，但較大的中間主應力會逐漸弱化巖石的承載能力。隨著中間主應力的增大，卸荷面V型破壞坑減小，剪切破裂比例減小，張拉破裂比例增加，卸荷巖石的開裂模式由張拉-剪切破壞逐漸轉變成張拉-劈裂破壞，與巖石整體破壞形式基本相符。

(2)不同中間主應力影響下，卸荷巖石聲發射演化出現明顯差異，在σ2≤30 MPa時，聲發射信號經歷了平靜、持續出現伴隨小幅突增、陡升高峰、持續低峰、大幅突增破壞;在σ2>30 MPa時，聲發射信號經歷了平靜、持續出現、多低峰、持續升高、突增破壞。

(3)擾動作用后，中頻中幅分形維數最大，表明大碎屑減少，碎屑質量趨于相近;低頻高幅分形維數最小，碎塊破碎程度低;中頻中幅擾動后的卸荷巖石更加破碎，擾動作用后加載過程中內部裂紋發育越充分;對巖石的承載能力的損傷為中頻中幅>高頻低幅>低頻高幅。

(4)不同擾動類型作用后破壞差異明顯，低頻高幅的擾動作用后，卸荷巖石沒有形成明顯的V型破裂坑，但促進大裂紋的產生，由于頻率較低，沒有激發小裂紋的形成;高頻低幅擾動后卸荷面形成較小的V型破壞坑，加速了小裂紋形成與成核，但是由于擾動幅度小，裂隙未充分發展連通;中頻中幅擾動后卸荷面形成明顯V型破壞坑，不僅加速了約束力小的卸荷面附近小裂紋的發育成核，同時也加速了大裂紋之間的連接貫通。

(5)工程建設時，不能簡單增加σ2從而增強圍巖承載能力，還要綜合考慮σ2的增大會加劇巖石破壞時的劇烈程度。適當頻率和幅度組合，對巖石的損傷更大，不能單一地通過改變炮孔密度和直徑等參數改變擾動的頻率或幅值，從而減少爆破和機械等對圍巖的擾動。