掘進應力擾動下細砂巖破裂規律及其強度損傷的實驗研究

李 竹，馮國瑞，崔家慶

(太原理工大學 a.礦業工程學院，b.山西省綠色采礦工程技術研究中心，太原 030024)

井下巷道掘進及煤層開采打破了地應力原有的平衡狀態，巷道或采場成形后圍巖應力重新分布達到新的平衡狀態[1-2]。采掘工程活動對圍巖形成了一定程度的擾動和損傷，并對后期采場及巷道圍巖支護中巖石的強度及變形特征造成影響[3-5]。因此，研究并揭示掘進應力擾動對巖石造成的損傷效應及其對圍巖后期變形、破裂特征的影響規律，對采動圍巖控制具有重要意義。

采掘應力擾動對圍巖破壞及其失穩等力學行為的影響，主要體現在采掘工程應力加卸載路徑對圍巖造成的微裂隙發育及其強度損傷。眾多學者就不同應力路徑對巖石力學行為的影響規律開展了大量研究，并取得了豐碩的研究成果。例如尹光志等[6]研究了真三軸加卸載應力路徑對原煤力學特性、微裂隙發育規律以及滲透率影響規律。王恩元等[7]深入探討了沖擊載荷作用下三軸煤體動力學響應特征及損傷本構方程。周宏偉等[8]研究了采動應力擾動作用下煤體滲透率的變化規律并構建了其數學模型。趙洪寶等[9]研究了單雙向約束下沖擊荷載對煤樣漸進破壞的影響規律研究。趙毅鑫等[10]研究了單軸多級循環加載條件下加卸載響應比的演化特征。徐穎等[11]研究了循環加卸載條件下泥巖能量演化規律，并深入分析了循環加卸載對泥巖造成的損傷效應。姜玥等[12]研究了不同應力路徑加卸載對灰砂巖力學特性與強度參數的影響規律。付建新等[13]探究了復雜加卸載路徑下閃長玢巖強度特征及聲發射特性。邱士利等[14]研究揭示了三軸加卸載條件下圍壓卸載速率對大理巖的極限承載強度存在顯著影響。張凱等[15]則通過實驗及數值模擬得出在屈服接近速率相等的條件下，卸載速率對大理巖強度幾乎沒有影響。李建林等[16]深入研究了砂巖在卸載條件下的應力應變特征，發現巖石卸載條件下的屈服函數隨卸載量在Griffith和Hoek-Brown準則間呈線性變化。李浩等[17]對循環加卸載條件下致密砂巖的力學特性進行研究后發現巖石破壞前的峰值彈性能隨圍壓的增大呈線性增加趨勢。趙軍等[18]深入研究了三軸及循環加卸載應力路徑對深埋硬巖變形破壞特征的影響規律。孫德安等[19]基于數值模擬探討了不同應力路徑下剪切帶的發育規律。馮友良等[20]探討了加卸荷應力路徑下巷幫煤體力學特性響應規律及加卸載應力對煤體造成的損傷。劉海濤等[21]研究了砂巖在循環加卸載條件下的損傷特性以及聲發射效應。韓兵等[22]，楊慧明[23]分別研究了試件外部受載應力條件對聲發射活動特征的影響規律。郭軍杰等[24]探討了循環加卸載作用下煤樣聲發射特征及其滲透率的演化規律。縱觀已有文獻，相關研究大多是從卸載或是循環加卸載以及沖擊載荷的角度研究應力路徑對巖石強度及變形特征的影響，且實驗中應力路徑多數為研究變量之一，普遍呈現出均勻循環、逐級遞增循環的特點，這一應力加卸載路徑多數是人為制定，出于探究循環加卸載對巖石損傷及其破壞特征的目的是可以接受，但該應力路徑的變化規律或加卸載方法較難以貼合現場實際亦是不容忽略的。事實上，采掘工程帶來的應力擾動大多情況下并非高頻率的循環加卸載過程，也不完全是單純的卸載過程，而應該是既有加載也有卸載，且加卸載速率亦不均勻分布。因此，這一偏差極有可能對采動圍巖后期的變形及其破裂、破壞產生截然不同的影響。

針對上述分析，本文通過FLAC3D精細化開采模擬巷道掘進過程，并提取掘進全過程中圍巖應力變化曲線。基于此設計實驗室掘進應力加卸載路徑，將現場采集的巖石樣品加工成標準試件，通過電液伺服壓力機對其分別進行單軸加載及掘進應力路徑擾動后的單軸加載實驗，并采集破裂過程破裂點定位坐標及其能量信號幅值，以掌握前期掘進應力擾動對試件后期破裂演化規律及其強度的影響規律。本文的研究對于掌握掘進應力擾動作用下圍巖破裂全周期及其強度演化規律，確定合理的圍巖支護方法具有重要意義。

1 實驗設備及方法

1.1 實驗設備及方法

為探究前期掘進應力擾動對試件后期破裂演化規律及其強度的影響規律，取西銘礦回風大巷細砂巖為研究對象。將試件加工為Ф50 mm×100 mm的圓柱形標準試件。采用電液伺服壓力機對巖石進行不同應力路徑的加載實驗，同時采用聲發射信號分析儀對巖石加載過程中的破裂信息進行采集。所用電液伺服壓力機最大軸向試驗力2 000 kN，軸向試驗力測量誤差小于1%.所選聲發射信號分析儀連續數據通過率為65.5 MB/S，波形數據通過率為48 MB/S.測試時采樣率設置為2.5 MHz，通道門限值設置為40 mv.

1.2 采動應力路徑的標定

實驗分兩組進行，每組3個試件。一組試件以0.24 mm/min的加載速率持續加載至破壞。另一組試件先經歷掘進應力路徑擾動加載，而后再以0.24 mm/min的加載速率加載至破壞。掘進應力路徑提取自FLAC3D數值計算結果，1∶1等比例構建原位巷道掘進模型，其中圍巖范圍為50 m，模型開挖過程中循環開采步距為0.5 m，并不計算達到穩定而通過時步控制反映巷道掘進期間的時間效應。圍巖力學性質參數通過FLAC3D數值模擬進行單軸壓縮實驗標定，以此確保模擬結果與現場掘進應力演化規律的一致性，FLAC3D數值模擬單軸壓縮標定實驗及其結果，如圖1所示。圍巖力學密度為2 600 kg/m3，體積模量9 GPa，剪切模量7 GPa，內摩擦角35 °，內聚力3 MPa，抗拉強度1 MPa，側壓力系數取0.5.在模型中部開挖寬度為4 m且寬高比為1∶1的矩形巷道。掘進過程中監測巷道兩幫測點垂直應力，結果如圖2(a)中藍色實線所示，由此可見，掘進應力擾動僅為一次應力加卸載擾動，不存在明顯的加卸載周期屬性，這與已有研究中頻繁采用的周期性循環加卸載來研究其對圍巖的破裂損傷效應存在顯著不同，這也正是巷道掘進過程中掘進應力加卸載的特色。根據圖2(a)中藍色五角星標記曲線的變化趨勢，設計如圖2(b)中紅色菱形方點曲線所示的應力加卸載過程。

圖1 FLAC3D模擬材料參數標定實驗Fig.1 Parameter calibration results of the FLAC3D numerical simulation

圖2 掘進應力路徑示意圖Fig.2 Schematic diagram of mining stress path

圖2(b)中紅色虛線與黑色實線共同構成的連續折線即為掘進應力路徑，基于該路徑在電液伺服萬能試驗機上進行單軸壓縮實驗，實驗中應力的加卸載過程是通過預先設置加載速度和加卸載應力幅值進行的，并不是按照時間進行控制的。實驗具體操作：先按照0.24 mm/min的速率加載到20 kN，之后再按照0.48 mm/min的速率加載到56 kN(61%FN，FN為峰值載荷)，接著再以14.4 mm/min的速率卸載到6 kN，卸載速率約為加載速率0.48 mm/min的30倍，如圖2(b)所示，最后以0.48 mm/min的速率加載至12 kN，至此掘進應力路徑結束，穩壓10 s后采用0.24 mm/min的速率加載至試件破壞。在經歷加卸載前，先預加載到20 kN表征巖石承受的初始應力，然后應力加卸載速率及過程按照FLAC3D模擬結果中圍巖實際經歷的掘進應力設計。最后仍采用單軸壓縮的方式使經歷掘進應力后的試件加載至破壞，通過與未經歷掘進應力加卸載的試件對比，探究掘進應力路徑對巖石強度、裂縫擴展以及巖石試件宏觀破裂特征的影響規律。

2 掘進應力路徑對巖石強度及變形特征的影響

FLAC3D數值模擬結果表明，掘進應力路徑并非是周期性的應力加卸載過程，而是加卸載先后出現，且卸載速率遠高于加載速率，卸載速率約為加載速度的30倍。此種應力加卸載對巖石強度存在顯著影響，同時也直接影響著后期掘進巷道圍巖穩定性及其支護方法。西銘礦回風大巷砂巖試件單軸壓縮以及歷經掘進應力擾動后單軸壓縮，此兩種加載路徑下的試件破壞形態以及實驗全過程試件應力-應變曲線如圖3所示。

圖3 兩種試件破壞概貌及其全應力-應變曲線Fig.3 Failure profile of two specimens and their full stress-strain curves

由圖3可知，單軸加載路徑下所選巖樣在加載初期表現為明顯的壓密特征，曲線呈向下外突的特點；之后在應變3‰～7‰間，曲線近似直線上升，變形特征較為穩定；應變超過7‰后，曲線強度斜率變緩，強度增幅速度降低，曲線呈現上凸特征；達到峰值應力70MPa后，應力出現小幅波動；超過峰值應力70 MPa后，應力-應變曲線陡降，巖石產生明顯的脆性破壞特征。歷經掘進應力路徑擾動的試件在其單軸壓縮過程中，軸向應變小于7‰時，應力-應變曲線與單軸加載路徑下的應力-應變曲線幾乎重合；在應變為2‰～4‰時，由于應力卸載形成了滯回環，此時塑性應變約2‰；重新加載后，當應力加載恢復至卸載前應力值后，應力-應變曲線仍然沿著與單軸加載路徑下應力-應變曲線的軌跡上升，直至峰值強度達到62 MPa，相對于單軸加載路徑試件峰值強度降幅達到11.43%.造成這一現象的主要原因是前期應力擾動對巖石試件造成了一定程度的損傷，加載曲線與卸載曲線不重合形成的滯回環，也表明預加載應力擾動對試件造成了約為2‰的塑性變形，這是誘發峰值強度降低的主要原因。為進一步揭示掘進應力路徑對巖石破裂的影響機制及其對峰值強度的削減效應，結合聲發射信號監測結果，研究了掘進應力路徑對巖石破裂特征的影響規律。

3 掘進應力路徑對巖石破裂演化過程的影響

巖石在加載過程中伴隨著裂縫的萌生及擴展會釋放相應的能量，通過聲發射技術捕捉此類破裂的位置及能量大小信息，能夠準確表征巖石裂縫生成及其擴展過程。一般而言，通常選用累計撞擊次數和能量值作為統計破裂事件數量以及衡量破裂劇烈程度的指標，并通過定位點掌握巖石內部的破裂位置，以此深入研究掘進應力路徑對巖石破裂及裂縫擴展規律。

3.1 常規加載條件下巖石的破裂演化過程

當巖石未經歷掘進應力擾動時，其破裂特征主要取決于巖石自身力學特性及外部加載條件。實驗過程中，單軸加載條件下聲發射監測探頭布置方法如圖4(a)所示，巖石破裂過程中軸向負荷、聲發射累計撞擊次數及能量值隨時間的變化曲線如圖4(b)所示。以單軸壓縮過程中，不同百分比峰值強度為主觀測時段，監測不同的軸向負荷作用下聲發射能量釋放點位置，以揭示試件內部破裂位置，實驗過程中聲發射能量釋放點位如圖4(c)所示。為便于描述，選取加載過程中不同軸向負荷點位進行敘述，選取點位分別為軸向負荷的21%、44%、85%和100%4個點位。

圖4 單軸加載條件下未經歷應力擾動的試件裂隙演化規律Fig.4 Crack evolution law of specimens without stress disturbance under uniaxial loading

據圖4(a)和4(b)可知，聲發射累計撞擊次數隨載荷水平的升高而增大，當載荷水平低于71%峰值載荷(FN)時，聲發射撞擊次數增長趨勢較為平緩，表明巖石內部尚未發生大規模破裂，僅存在局部微小破裂現象，本文將這一時期命名為“平靜期”。當載荷水平超過71%FN時，聲發射累計撞擊次數開始迅速增長，表明試件內部開始發生大量破裂，本文將這一時期命名為“活躍期”。在活躍期內，伴隨著聲發射撞擊次數的不斷累積，聲發射能量值在峰值強度附近出現突增。為深入揭示加載全過程中巖石內部的破裂特征及其發育規律，取21%FN、44%FN、85%FN及100%FN處的聲發射定位點分布特征進行分析。圖4(c)中定位點分布規律再現了試件內部聲發射事件的空間分布規律，點位的不同顏色亦反映了聲發射信號出現的不同時刻，其中，顏色在圖例上邊的彩點出現的早，而顏色在圖例下邊的彩點出現的較遲。21%是加載初期幾乎沒有引起變化的點；44%是加載過程的中間點；85%為黑色曲線的轉折點，其含義是累計撞擊次數開始顯著增加，進入破裂事件高發的活躍期；最后，100%是峰值應力處，試件集中破壞應力點。由此可知在單軸加載初期，試件下部破裂事件數遠多于上部。21%FN與44%FN載荷水平下定位點的數目和位置差異較小，而85%FN與100%FN載荷水平下定位點的數目和位置差異相對較大，100%FN載荷水平下試件的上部和下部均新增了許多破裂點，但試件下部破裂點分布密度及其能量幅值明顯高于上部。從載荷水平自21%FN、歷經44%FN和85%FN、達到100%FN的過程中，可以看出裂隙萌生位置以及試件宏觀斷裂面均呈現出自下而上的發育特征，直至試件最后發生剪切破壞；且裂縫上行發展過程中，破裂的分布及其演化并非均勻發展，而是越接近峰值載荷，破裂速度和規模越大。

3.2 掘進應力路徑下巖石的破裂演化過程

當巖石經歷掘進應力擾動時，其破裂特征除巖石自身力學特性及外部加載條件相關外，前期應力擾動作用亦不可忽略。實驗中，采用了與單軸加載條件下相同的聲發射監測探頭布置方法，如圖4(a)所示，巖石破裂過程中軸向負荷、聲發射累計撞擊次數及能量值隨時間的變化曲線如圖5(a)所示。同時，采用與前述實驗相同的百分比峰值強度的觀測時段，監測不同的軸向負荷作用下聲發射能量時放點位置，以此揭示試件內部破裂位置，實驗過程中聲發射能量釋放點位如圖5(b)所示。

圖5 單軸加載條件下經歷應力擾動的試件裂隙演化規律Fig.5 Crack evolution law of specimen undergoing stress disturbance under uniaxial loading

據圖5(a)可知，掘進應力路徑下聲發射累計撞擊次數先平緩增長，當載荷水平超過77%FN后開始高速增長，因而將77%FN作為劃定平靜期和活躍期的界線。聲發射能量值的突增也主要發生在活躍期內，在擾動應力加載峰值處聲發射能量值也存在一處突增，如圖5(a)中A點所示，這表明掘進應力的加卸載過程亦對試件可能造成了一定損傷，引起了試件內部表面能量的釋放，并形成新的裂隙面。為進一步探究前期掘進應力擾動對后期單軸加載試件破裂演化過程的影響規律，依然選取21%FN、44%FN、85%FN及100%FN處的聲發射定位點進行分析，如圖如5(b)所示。由圖5(b)可知在21%FN及44%FN處試件自下部開始產生破裂點，兩個載荷水平下破裂點未發生顯著差異，這與單軸加卸路徑下觀察到的現象相似。當載荷水平達到85%FN后試件上部的破裂點顯著增多，至軸向載荷水平達到100%FN后，試件上、下部的破裂點均顯著增多，但試件上部破裂點分布密度及其能量幅值明顯高于下部。由此可知，試件內部破裂的萌生位置自下而上發展，但試件內部裂紋擴張以及由此形成的試件宏觀斷裂貫通面的生成規律發生改變，即由先前的自下而上調整為自上而下，由此可知兩種實驗條件下，試件中宏觀斷裂面的貫通方向分別如圖4(c)和圖5(b)中紅色箭頭指示方向。

在單軸加載路徑下試件內部的破裂信號以及斷裂面貫通方向自始至終均為自下而上的上行發育，而在歷經掘進應力擾動作用后，自85%FN后試件上部的破裂程度顯著高于下部，且斷裂面貫通方向調整為自上而下的下行發育。此外，經歷掘進應力擾動的單軸壓縮試件破裂過程中，聲發射累計撞擊次數增多約20%，而聲發射最高能量峰值則相對減小，降幅約15%.由此可見，在歷經掘進應力路徑的擾動作用后，巖石內部發生損傷效應，介質完整性及其空間連續性遭到破壞，在相同應力水平下更易發生破裂，誘發裂隙進一步擴張，且材料儲能效果亦隨之降低，微裂隙廣布的試件中能量略有集聚便即刻釋放，呈現出能量釋放頻次急劇增加而能量釋放幅值降低的現象。

4 結論

1) 以西銘煤礦回風大巷砂巖頂板為例，研究了掘進應力擾動下砂巖破裂規律及其強度損傷規律，分析了單軸壓縮及掘進應力擾動后單軸壓縮實驗中試件的應力-應變曲線特征、聲發射特征，揭示了掘進應力擾動對巖石峰值強度的削減效應以及微裂隙擴展及其宏觀斷裂面貫通規律的影響機制。

2) 掘進應力擾動作用下巖石應力-應變曲線會產生塑性滯回環，再次加載后應力-應變曲線仍沿原來的變化趨勢上升。僅單軸壓縮與歷經掘進應力擾動后再單軸壓縮，兩者在應變小于7‰時，應力-應變曲線軌跡極為接近，掘進應力路徑對其變形特征的影響并不顯著，但前期掘進應力擾動會對巖石造成內部損傷，導致巖石峰值強度的削減效應，峰值強度降幅達到11.43%.

3) 僅單軸加載路徑下載荷水平超過71%峰值載荷后巖石內部的破裂進入活躍期，聲發射累計撞擊次數及能量值均呈現快速增長的現象。試件微裂隙自下部開始萌生，并上行發育直至試件宏觀斷裂面貫通；掘進應力路徑擾動后，平靜期與活躍期的分界線相對延后，且軸向載荷水平超過77%后才開始進入活躍期。試件內部聲發射累計撞擊次數增多約20%，而聲發射最高能量峰值則相對減小，降幅約15%.試件破裂自下部開始萌生，但裂隙急速擴張位置轉移至上部，并下行發育直至形成宏觀貫通裂隙。