唐禮忠，劉 昌，王 春，陳英毅，申 帆

（1. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；2. 河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

隨著巖土工程不斷向深部發(fā)展，而深部開采面臨的巖爆、沖擊地壓和擠壓大變形等工程災(zāi)害越來越多[1-2]。深埋巷道的堅(jiān)硬圍巖處于較高的應(yīng)力環(huán)境下，巖體內(nèi)部儲(chǔ)存的彈性勢能較大，開挖卸荷高儲(chǔ)能硬巖容易引發(fā)巖爆等災(zāi)害。對于采用爆破手段開挖的深部礦山，其巷道掘進(jìn)和采場回采形成空間會(huì)造成圍巖卸載和應(yīng)力狀態(tài)改變，自身采掘空間形成所需的爆破及相鄰采掘空間形成所需的爆破，會(huì)使巖體處于頻繁的動(dòng)力擾動(dòng)作用下。因此，礦山巖體在開挖過程中常處于不斷的加載、卸載和頻繁動(dòng)力擾動(dòng)的復(fù)雜受力環(huán)境下?？梢姡邇?chǔ)能巖體卸載過中頻繁遭受動(dòng)力擾動(dòng)的動(dòng)力學(xué)特性研究，具有重要理論和實(shí)際意義。

目前，針對巖石受到靜應(yīng)力和動(dòng)力擾動(dòng)組合作用這個(gè)問題，多采用分離式霍普金森壓桿（SHPB）進(jìn)行研究。對于巖石受到軸向靜應(yīng)力和動(dòng)力擾動(dòng)問題，左宇軍等[3-4]以單軸動(dòng)靜組合實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究了巖爆的能量組成和巖爆發(fā)生時(shí)巖塊的彈射速度問題，認(rèn)為對有巖爆傾向性的礦山進(jìn)行支護(hù)時(shí)，應(yīng)考慮動(dòng)靜組合問題，而不能只考慮靜載問題。對于深部硬巖的破壞及發(fā)育問題，Diederichs 等[5]研究了深部硬巖巷道開挖過程中圍巖的裂紋擴(kuò)展和發(fā)育問題。Xia 等[6]研究了巴雷花崗巖微觀組織的分布和特征，識別了與微裂紋首選方向相關(guān)的3 個(gè)正交的弱面，發(fā)現(xiàn)斷裂韌性和縱波速度都取決于這些弱面的方向。對于巖石受到軸向靜應(yīng)力卸載后的動(dòng)力擾動(dòng)問題，唐禮忠等[7-8]研究了矽卡巖在一維高應(yīng)力卸載條件下受頻繁動(dòng)力擾動(dòng)時(shí)巖石的力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)軸壓不同時(shí)巖石的應(yīng)力應(yīng)變曲線也呈現(xiàn)出回彈和不回彈兩種特性，認(rèn)為巖爆的發(fā)生是動(dòng)力擾動(dòng)誘發(fā)巖石內(nèi)彈性儲(chǔ)能突然釋放造成的。針對巖石受到三維靜應(yīng)力和動(dòng)力擾動(dòng)問題，王春等[9]研究了巖石在三維高靜應(yīng)力和頻繁動(dòng)態(tài)擾動(dòng)時(shí)的損傷特性和本構(gòu)模型，通過推演損傷演化方程驗(yàn)證了巖石的損傷演化規(guī)律。在巖石斷裂破壞方面，Zhao 等[10]在不考慮斷裂剪切行為的情況下，研究了非線性斷裂正態(tài)特性對P 波傳遞的影響。在考慮到巖石圍壓卸載的影響下，殷志強(qiáng)等[11-12]研究了高應(yīng)力砂巖在圍壓卸載后動(dòng)力擾動(dòng)的臨界破壞特性及圍壓卸載速度對巖石的影響，發(fā)現(xiàn)軸壓的改變對巖石破壞時(shí)的能耗有直接影響，圍壓的卸載速度和巖石破壞塊度的分維數(shù)有密切聯(lián)系。金解放等[13]

研究了軸壓和圍壓對循環(huán)沖擊下砂巖能耗的影響，發(fā)現(xiàn)平均應(yīng)變率和巖樣的體積能耗正相關(guān)。對巖石受到動(dòng)力擾動(dòng)下的裂紋發(fā)育問題，邱加冬等[14]利用霍普金森壓桿，對完整和預(yù)制缺陷花崗巖做了層裂破壞實(shí)驗(yàn)，得出預(yù)制缺陷對初始層裂位置的影響。周磊等[15]用青砂巖做巷道模型，分析了沖擊荷載下含預(yù)制裂縫巷道的裂紋擴(kuò)展規(guī)律，得出了應(yīng)力反射波與透射波對止裂問題的影響。上述研究主要對巖石在動(dòng)靜組合系統(tǒng)中進(jìn)行一次沖擊或者在一維狀態(tài)下進(jìn)行多次沖擊，并未考慮巖石在卸圍壓的同時(shí)受到多次沖擊時(shí)的動(dòng)力學(xué)影響，而本文中實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了一定程度的創(chuàng)新。

冬瓜山銅礦深部巷道圍巖由于受到高地應(yīng)力和頻繁爆破擾動(dòng)等影響，時(shí)常發(fā)生頂板冒落、噴錨支護(hù)的錨桿被拔斷等現(xiàn)象。巷道開挖過程和支護(hù)好的洞室圍巖再發(fā)生錨桿被抽離、頂板冒落等破壞過程均可視為圍壓卸載的過程，而在其發(fā)生卸載的過程中會(huì)遭受頻繁的爆破擾動(dòng)。本文中，利用改進(jìn)的SHPB 動(dòng)靜組合加載系統(tǒng)對冬瓜山銅礦井下900 m 的高儲(chǔ)能矽卡巖進(jìn)行卸圍壓同時(shí)進(jìn)行多次動(dòng)力擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，分析動(dòng)力擾動(dòng)對矽卡巖的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力、切線彈性模量、體積能耗和破壞形態(tài)的影響，以期對冬瓜山銅礦深部巷道圍巖的開挖和支護(hù)提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

為模擬深部開挖巖石的受力特性，采用改進(jìn)的基于SHPB 裝置的動(dòng)靜組合加載系統(tǒng)[16-18]，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。該系統(tǒng)的軸向靜壓、圍壓和沖擊動(dòng)載的加載范圍分別為0～200 MPa、0～100 MPa 和0～500 MPa。軸壓和圍壓均由手動(dòng)控制油壓泵對試樣進(jìn)行加卸載。SHPB 系統(tǒng)的桿件為40 Cr 合金鋼，密度為7.810 g/cm3，彈性模量為240 GPa，泊松比為0.28，入射桿和投射桿的直徑均為50 mm，彈性波在桿件中的傳播速度為5 547 m/s。采用CS-1D 型超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀和DL-750 型示波器，對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和顯示。

圖 1 動(dòng)靜組合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structural diagram of dynamic and static combination system

1.2 實(shí)驗(yàn)原理

根據(jù)能量守恒定律，可以推出沖擊過程中各項(xiàng)能量分別為[17]：

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖茄芯縿?dòng)力擾動(dòng)對圍壓卸載中高儲(chǔ)能巖體的影響，利用SHPB 動(dòng)靜組合加載系統(tǒng)，獲得深部高應(yīng)力巖體開挖過程中受到的應(yīng)力變化及動(dòng)力擾動(dòng)情況。其中，巖樣受到的軸向靜壓和圍壓均由油壓泵提供，動(dòng)力擾動(dòng)由沖擊彈頭對入射桿的撞擊提供。根據(jù)在-910 m 水平測得的地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)可知，該水平巖體受到的圍壓值為20 MPa 左右，巷道開挖后圍壓會(huì)發(fā)生卸載，因而實(shí)驗(yàn)圍壓設(shè)定為15 和20 MPa，再對兩組圍壓進(jìn)行卸載處理。采集加工好后的矽卡巖巖樣做單軸抗壓強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，得出矽卡巖的平均單軸抗壓強(qiáng)度為126.63 MPa，為防止軸壓加載過高對巖樣造成巨大損壞，將實(shí)驗(yàn)的初始軸壓值設(shè)定為單軸抗壓強(qiáng)度的50%，即62.5 MPa。為研究軸壓的變化對巖樣破壞的影響，再增加兩組軸壓值，即72.5 和82.5 MPa。為了模擬爆破擾動(dòng)現(xiàn)象，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備性能限制，采用0.6 MPa 的沖擊氣壓沖擊彈頭，由彈頭對入射桿進(jìn)行沖擊，進(jìn)而由入射桿對巖樣實(shí)施動(dòng)力擾動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)中，利用手動(dòng)油壓泵緩慢地給巖樣加圍壓和軸壓，為防止巖樣在沖擊擾動(dòng)前就被壓壞，先加圍壓后加軸壓，軸壓、圍壓的前期加載速率保持為0.5 MPa/s，后期加載速率調(diào)整為0.1 MPa/s。軸壓、圍壓加載到設(shè)定值后維持軸壓不變，保持5 min 后以1 MPa/s 的卸載速率卸載圍壓，當(dāng)圍壓卸載到設(shè)定值的50%時(shí)，施加0.6 MPa 的氣壓推動(dòng)彈頭，對入射桿進(jìn)行沖擊擾動(dòng)。每次沖擊擾動(dòng)后，如果巖樣沒有完全破壞，調(diào)整圍壓至設(shè)定圍壓值再次進(jìn)行卸荷和沖擊擾動(dòng)，直至巖樣完全破壞。具體的實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表 1 實(shí)驗(yàn)方案Table 1 Experimental plan

1.4 取樣與加工

巖樣為冬瓜山銅礦井下900 m 深的矽卡巖。通過鉆孔巖芯取樣法，在井下900 m水平取樣，再選擇合適的巖芯進(jìn)行加工。加工好的巖樣應(yīng)結(jié)構(gòu)致密、表面無明顯微裂紋。為滿足實(shí)驗(yàn)要求，按照規(guī)定，巖樣的直徑為50 mm，高徑比為1，巖樣的兩個(gè)端面的不垂直度和不平整度均小于0.02 mm。為了更清楚地了解巖樣的力學(xué)特性，對巖樣做單軸和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。矽卡巖單軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：峰值荷載170.20 kN，單軸抗壓強(qiáng)度126.63 MPa，彈性模量13.23 GPa，泊松比0.270，矽卡巖三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表 2 矽卡巖三軸壓縮實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Triaxial compression experimental results for skarn

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對實(shí)驗(yàn)中每個(gè)巖樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，統(tǒng)計(jì)其累計(jì)沖擊次數(shù)并繪制其動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線（見圖2、表3）。由于沖擊次數(shù)較多，在繪制動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線時(shí)采取近似等間隔取樣的方式繪圖，圖中的數(shù)字表示沖擊次數(shù)。

圖 2 頻繁擾動(dòng)下矽卡巖動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig. 2 Dynamic stress-strain curves of skarn under frequent disturbances

表 3 沖擊次數(shù)統(tǒng)計(jì)表Table 3 Summary of impacts

從圖2 可以看出，巖樣的動(dòng)態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線的初始階段并未出現(xiàn)壓密階段，說明實(shí)驗(yàn)所采用的井下深部矽卡巖結(jié)構(gòu)致密、內(nèi)部裂隙較少。在動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力前區(qū)，各試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果大致相同，壓應(yīng)變隨著壓應(yīng)力的增大而增大。在動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力后區(qū)，出現(xiàn)回彈和不回彈兩種現(xiàn)象。當(dāng)預(yù)加的軸壓和圍壓較低時(shí)，巖樣內(nèi)儲(chǔ)存的彈性勢能較少，應(yīng)力卸載后巖樣內(nèi)釋放的彈性應(yīng)力始終小于加載應(yīng)力，因而沒出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。當(dāng)預(yù)加的軸壓和圍壓較大時(shí)，巖樣內(nèi)儲(chǔ)存的彈性勢能較多，應(yīng)力卸載后巖樣內(nèi)釋放的彈性應(yīng)力大于加載應(yīng)力，因而出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。巖樣在受到多次擾動(dòng)后，內(nèi)部損傷不斷累積、裂隙不斷發(fā)育、儲(chǔ)存的彈性勢能不斷減小，因而最后的幾次沖擊不出現(xiàn)回彈現(xiàn)象。

在巖樣能承受的擾動(dòng)次數(shù)方面：軸壓一定時(shí)，圍壓越大巖樣能夠承受的擾動(dòng)次數(shù)越多；圍壓一定時(shí)，軸壓越大巖樣能夠承受的擾動(dòng)次數(shù)越少。實(shí)驗(yàn)應(yīng)變片是貼在入射桿和透射桿上面的，彈頭撞擊入射桿產(chǎn)生的應(yīng)力波經(jīng)入射桿傳遞到巖樣上后引發(fā)巖樣的變形，入射桿和透射桿上的應(yīng)變片記錄下巖樣的縱向變形。圍壓的存在束縛了巖樣的橫向變形，使巖樣內(nèi)部裂隙之間的擠壓摩擦作用增強(qiáng)，軸壓對巖樣產(chǎn)生的縱向變形被圍壓削弱，導(dǎo)致巖樣不容易發(fā)生變形，因而軸壓一定的情況下，圍壓越大巖樣能夠承受的擾動(dòng)次數(shù)越多。軸壓的施加方向和應(yīng)力波的傳播方向一致，軸壓越大，巖樣內(nèi)裂紋的擴(kuò)展速度越快，動(dòng)力擾動(dòng)能加速裂紋的擴(kuò)展，因而圍壓一定的情況下，軸壓越大巖樣能承受的擾動(dòng)次數(shù)越少。

其實(shí)，由第2.2～2.3 節(jié)通過數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與沖擊次數(shù)的關(guān)系和動(dòng)態(tài)彈性模量與沖擊次數(shù)的關(guān)系，均滿足y=ax4+bx3+cx2+dx+f 的形式。其中，a 和b 主要影響曲線后半段的變化情況，c 和d 主要影響曲線前半段的變化情況，f 和巖樣上施加的軸壓、圍壓值有關(guān)。

2.2 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力變化規(guī)律

圖3 為矽卡巖在不同軸壓下受到圍壓卸載和頻繁動(dòng)力擾動(dòng)情況下巖石的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力變化情況。巖樣上施加的軸壓相同圍壓不同時(shí)，巖樣受擾動(dòng)后的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力變化規(guī)律大致相同，但巖樣上施加的圍壓越大巖樣受擾動(dòng)后其動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力一般越大。在軸壓較低時(shí)圍壓的增大對動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的影響較小，如軸壓為62.5 MPa 時(shí)，高圍壓下巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力普遍比低圍壓下巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力大6%。在軸壓較大時(shí)，圍壓的增大對動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的影響較大，如軸壓為72.5 MPa 時(shí)，高圍壓下巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力普遍比低圍壓下巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力大16%。巖樣上施加相同軸壓不同圍壓時(shí)，施加的圍壓越大巖樣被壓得越致密，應(yīng)力波經(jīng)過巖樣時(shí)耗散越小，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力越大。實(shí)驗(yàn)中圍壓只有軸壓的1/10，相對于圍壓來說，軸壓對巖樣的壓密作用更明顯，巖樣上施加的軸壓較小時(shí)，巖樣的壓密效果不明顯，圍壓對巖樣的影響就更小，因而在較低軸壓下圍壓的改變對巖樣動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力的影響較小。

圖 3 動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力與沖擊次數(shù)的關(guān)系Fig. 3 Relationship between peak dynamic stress and impact times

圖3（a）～（b）中，巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨擾動(dòng)次數(shù)的變化規(guī)律大致相同。在初始的幾次動(dòng)力擾動(dòng)下，巖石的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的增多逐漸增大，增長幅度為3%。隨著動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)的增多，巖石的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力逐漸下降，下降幅度為7%。巖石完全失穩(wěn)破壞前，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力有小幅度的提高，增長幅度為4%。隨著巖石失穩(wěn)的加劇，巖石的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力急劇下降，下降幅度達(dá)25%?？梢钥闯觯^低的軸壓并未對巖樣造成損傷，初始的幾次動(dòng)力擾動(dòng)對巖樣進(jìn)行了壓密，因此巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力逐漸增大。隨著擾動(dòng)次數(shù)的增多，巖樣內(nèi)部損傷逐漸累積，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力逐漸下降。在巖樣最終失穩(wěn)破壞前巖樣內(nèi)部已有部分破壞，圍壓增大了巖樣內(nèi)部碎塊的摩擦力，因而巖樣完全失穩(wěn)前動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力有小幅提高，但巖樣的破壞程度則在不斷增大，最終隨著巖樣內(nèi)部損傷的加劇，巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力急劇下降。動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力急劇下降的起始點(diǎn)，為巖石在受到多次動(dòng)力擾動(dòng)時(shí)完全失穩(wěn)破壞的臨界點(diǎn)。

圖3（c）中，巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的變化規(guī)律與圖3（a）～（b）中的不同。在初始的幾次動(dòng)力擾動(dòng)下，巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力隨著沖擊擾動(dòng)次數(shù)的增加下降較快，降幅為3%。隨后動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力緩慢下降，降幅為1%。最后動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力急劇下降，降幅為23%。可以看出，較高的軸壓對巖樣產(chǎn)生了較大的損傷，因而初始的幾次動(dòng)力擾動(dòng)下巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力下降較快。隨著擾動(dòng)次數(shù)的增多，擾動(dòng)加劇了軸壓對巖樣產(chǎn)生的損傷，但由于擾動(dòng)的能量較小，擾動(dòng)帶來的損傷沒有軸壓產(chǎn)生的損傷明顯，因而巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力緩慢下降。在巖樣的損傷達(dá)到完全失穩(wěn)的臨界點(diǎn)后，動(dòng)力擾動(dòng)會(huì)使巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力急劇下降。

2.3 彈性模量變化規(guī)律

圖4 為矽卡巖在不同軸壓下受到圍壓卸載和頻繁動(dòng)力擾動(dòng)情況下巖石的切線彈性模量變化規(guī)律。同巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力變化規(guī)律一樣，巖樣上施加的軸壓相同、圍壓不同時(shí)，巖樣受動(dòng)力擾動(dòng)后其彈性模量的變化規(guī)律大致相同，但巖樣上施加的圍壓越大巖樣受擾動(dòng)后其彈性模量值一般稍大。在軸壓較低時(shí)，圍壓的增大對彈性模量的影響較小，如軸壓為62.5 MPa 時(shí)，高圍壓下巖樣的彈性模量普遍比低圍壓下巖樣的彈性模量大4%。在軸壓較高時(shí)圍壓的增大對彈性模量的影響較大，如軸壓為72.5 和82.5 MPa 時(shí)，高圍壓下巖樣的彈性模量普遍比低圍壓下巖樣的彈性模量大6%和13%。彈性模量反映的是巖石抵抗外來變化的能力，越致密的巖石彈性模量越大。巖樣上施加相同軸壓不同圍壓時(shí)，施加的圍壓越大巖樣被壓的越致密，巖樣的彈性模量就越大。巖樣上施加的軸壓較小時(shí)，巖樣的壓密效果不明顯，圍壓對巖樣的影響就更小，因而在較低軸壓下圍壓的改變對巖樣彈性模量的影響較小。

圖4（a）～（b）中，巖樣的彈性模量隨沖擊擾動(dòng)次數(shù)的變化規(guī)律大致相同。在較低的軸壓下，巖樣未出現(xiàn)損傷，在初始的幾次動(dòng)力擾動(dòng)下，巖樣被逐漸壓密，巖石的彈性模量隨沖擊次數(shù)的增多逐漸增大，增大幅度分別為11%和20%。隨著動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)的增多，巖樣內(nèi)部開始出現(xiàn)損傷，巖石的彈性模量逐漸下降，下降幅度為15%和28%。在巖石完全失穩(wěn)破壞前，彈性模量有小幅度的提高，隨著巖石失穩(wěn)的加劇，巖石的彈性模量急劇下降，下降幅度為30%。

圖4（c）中，巖樣的彈性模量隨沖擊擾動(dòng)次數(shù)的增加整體上呈下降趨勢。沖擊擾動(dòng)前期彈性模量下降較快，降幅為15%；中期彈性模量下降較慢，降幅為5%；后期彈性模量下降較快，降幅為32%。對巖樣彈性模量變化規(guī)律的分析同對動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力變化規(guī)律的分析相同，這里不再贅述。彈性模量和動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力都能反映巖石的損傷狀況，因而彈性模量和動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力受動(dòng)力擾動(dòng)影響的變化規(guī)律大致相同。不過從圖中可以看出，彈性模量的變化規(guī)律能更直觀地反映巖石的損傷破壞情況，在數(shù)據(jù)處理上，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力更容易得出，彈性模量的得出要稍加繁瑣。

2.4 體積能耗變化規(guī)律

圖 4 切線彈性模量與沖擊次數(shù)的關(guān)系Fig. 4 Relationship between tangent elastic modulus and number of impacts

實(shí)驗(yàn)選用的巖石采自冬瓜山銅礦地下900 m，冬瓜山銅礦在開采時(shí)有巖爆現(xiàn)象產(chǎn)生，因而實(shí)驗(yàn)所選的巖樣儲(chǔ)有彈性勢能，在對儲(chǔ)有彈性勢能的巖樣進(jìn)行沖擊時(shí)巖樣會(huì)釋放能量。圖5 為矽卡巖在不同軸壓下受到圍壓卸載和頻繁動(dòng)力擾動(dòng)情況下巖石的單位體積能耗變化規(guī)律。巖樣上施加的軸壓相同、圍壓不同時(shí)，巖樣受沖擊后的能耗規(guī)律大致相同。前幾次沖擊擾動(dòng)下巖樣內(nèi)部損傷較少，損傷發(fā)展速度較慢，因而巖樣受沖擊后釋放的能量大致相同。隨著沖擊擾動(dòng)次數(shù)的增多，圍壓越大巖樣內(nèi)部損傷發(fā)展越快，巖樣受沖擊后釋放的能量越多。所以從圖中可以看出，前幾次沖擊擾動(dòng)下相同軸壓下的兩條曲線接近重合，隨著沖擊擾動(dòng)次數(shù)的增加，兩條曲線漸漸分開。

從圖5（a）可以看出，前幾次沖擊擾動(dòng)下，巖樣受沖擊后釋放的能量漸漸增加，隨后降低在一定值附近，接著釋放的能量先增多再急劇減少。對巖樣施加的軸壓較低時(shí)，巖樣未被完全壓密，初始的幾次動(dòng)力擾動(dòng)下巖樣釋放的能量先增多、再減少到一個(gè)固定值附近。隨著沖擊次數(shù)的增加，巖樣內(nèi)部損傷發(fā)展速度加劇，裂紋的擴(kuò)展伴隨著彈性儲(chǔ)能的釋放，因而這個(gè)階段內(nèi)巖樣受沖擊后釋放的能量逐漸增大。當(dāng)巖樣內(nèi)部裂紋發(fā)展較多，巖樣漸漸失穩(wěn)時(shí)，巖樣受沖擊后其釋放的能量急劇減少并向吸收能量方向轉(zhuǎn)變。從后面巖樣的破壞情況可以看到，較低軸壓下受沖擊的XK1-1 和XK1-2 巖樣并未發(fā)生十分嚴(yán)重的破壞，因而他們在所有的沖擊過程中均表現(xiàn)出能量的釋放。

圖 5 巖樣體積能耗與沖擊次數(shù)的關(guān)系Fig. 5 Relationship between energy consumption per unit volume of rock and number of impacts

巖樣受沖擊后體積能耗的變化規(guī)律和彈性模量的變化規(guī)律具有密切聯(lián)系，以圖4（a）和圖5（a）為例進(jìn)行分析。巖樣在受到初始的幾次動(dòng)力擾動(dòng)后巖樣的彈性模量逐漸增大，巖樣釋放的能量也逐漸增多。隨著沖擊次數(shù)的增多，巖樣的彈性模量先穩(wěn)定一段時(shí)間、再慢慢下降，巖樣釋放的能量先穩(wěn)定一段時(shí)間、再慢慢增多，這段時(shí)間內(nèi)巖樣彈模的下降意味著巖樣內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展，因此巖樣釋放的能量逐漸增多。在巖樣受沖擊擾動(dòng)的后半部分，巖樣的彈性模量急劇下降，與此同時(shí)巖樣受沖擊釋放的能量也急劇下降，巖樣彈模的急劇下降意味著巖樣破壞失穩(wěn)加劇，因而巖樣受沖擊后釋放的能量也急劇下降。彈性模量和體積能耗都與巖樣的均質(zhì)性、內(nèi)部完整性具有密切聯(lián)系，他們隨沖擊擾動(dòng)的變化規(guī)律也大致相同，但體積能耗的計(jì)算較彈性模量的復(fù)雜。

2.5 破壞分析

圖6 為矽卡巖受擾動(dòng)后的最終破壞情況。從圖6 可以看出，在軸壓相同的條件下，圍壓越高，巖樣受擾動(dòng)完全失穩(wěn)后的破碎程度越高。XK1-1 和XK1-2 巖樣受到大致相同的擾動(dòng)次數(shù)，在受到最后一次擾動(dòng)后，兩個(gè)巖樣的動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力、彈性模量、體積能耗都大致相同。而XK1-2 巖樣的破壞程度更高，由此可知圍壓的增大有利于提高巖樣的穩(wěn)定性。

在較低圍壓下，軸壓較低時(shí)，矽卡巖受擾動(dòng)次數(shù)較多。由圖6（a）可知，巖樣并未發(fā)生完全失穩(wěn)破壞，只發(fā)生端部的剝離破壞，隨著軸壓的增高，矽卡巖最終破壞時(shí)的塊度逐漸增大。軸壓較低時(shí)，巖樣內(nèi)部微裂隙發(fā)展速度較慢，微裂隙沿多方向發(fā)展，動(dòng)力擾動(dòng)促進(jìn)了微裂隙的發(fā)展，巖樣最終破壞時(shí)破碎塊度較小。軸壓較高時(shí)，巖樣內(nèi)部微裂隙發(fā)展速度較快，微裂隙主要沿軸向方向發(fā)展，動(dòng)力擾動(dòng)加快了裂隙的發(fā)展，巖樣最終破壞時(shí)破碎塊度較大。在較高圍壓下，軸壓較低時(shí)，巖樣最終破壞時(shí)的破壞塊度較大，隨著軸壓的增大，巖樣最終破壞時(shí)破壞塊度較小。較大的圍壓對巖樣有橫向束縛作用，促使巖樣內(nèi)部微裂隙向多方向發(fā)展，動(dòng)力擾動(dòng)會(huì)使裂隙的發(fā)展速度加快，軸壓越大裂紋的擴(kuò)展速度越快，因而軸壓越大巖樣最終破壞時(shí)破碎塊度越小。每次沖擊擾動(dòng)會(huì)加速巖樣內(nèi)部原有的裂紋擴(kuò)展并產(chǎn)生新的裂紋。軸壓和圍壓的作用導(dǎo)致巖樣內(nèi)部裂紋的斷裂起始角不斷變化，裂紋呈非線性變化?？傮w來說，沖擊擾動(dòng)次數(shù)越多，裂紋發(fā)展越豐富，巖樣內(nèi)總的裂紋擴(kuò)展路徑越長，巖樣的破碎程度越高，巖樣的破碎塊度越小。

在較低圍壓下，巖樣最終破壞模式主要呈拉伸破壞；在較高圍壓下，巖樣最終破壞模式呈拉剪混合摩擦型破壞。巖樣上施加的圍壓較低時(shí)，巖樣最終的破壞形態(tài)呈片條狀，是較典型的拉伸破壞。巖樣上施加的圍壓較高時(shí)，巖樣最終的破壞形態(tài)比較復(fù)雜，巖樣破碎塊度較小，巖石碎屑較多，說明巖石在發(fā)生拉剪破壞時(shí)伴隨有巖塊的擠壓和滑移摩擦。因而，軸壓促使巖樣內(nèi)微裂隙軸向發(fā)育，造成巖樣抵抗動(dòng)力擾動(dòng)能力減弱；圍壓減緩巖樣內(nèi)微裂隙軸向發(fā)育，造成巖樣抵抗動(dòng)力擾動(dòng)能力增強(qiáng)。

圖 6 矽卡巖最終破壞形態(tài)Fig. 6 Final destruction modes of skarn

3 結(jié) 論

（1）圍壓卸載中的矽卡巖受動(dòng)力擾動(dòng)時(shí)，其動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和彈性模量隨動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)呈非線性變化，且動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和彈性模量隨動(dòng)力擾動(dòng)次數(shù)的變化規(guī)律相似。在較低軸壓下，矽卡巖在受到初始的幾次動(dòng)力擾動(dòng)時(shí)，其動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和彈性模量均表現(xiàn)出先升高再減小的趨勢，隨著擾動(dòng)次數(shù)的增多，動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和彈性模量均表現(xiàn)為下降，且最后的幾次擾動(dòng)下下降速度較快。在較高軸壓下，矽卡巖受動(dòng)力擾動(dòng)后，其動(dòng)態(tài)峰值應(yīng)力和彈性模量整體上表現(xiàn)為下降，但前期下降較慢后期下降較快。

（2）圍壓卸載中的矽卡巖受到動(dòng)力擾動(dòng)時(shí)會(huì)釋放能量，釋放能量的多少和巖石的損傷發(fā)展速度有關(guān)。在較低軸壓下，矽卡巖在受到初始的幾次動(dòng)力擾動(dòng)下，其釋放的能量先增多再減少，隨著巖石損傷的加劇，單次擾動(dòng)下巖石裂紋擴(kuò)展速度增快，巖樣受擾動(dòng)后釋放的能量增多，在最后的幾次擾動(dòng)下，巖樣的損傷已十分嚴(yán)重，巖樣逐漸從釋放能量向吸收能量轉(zhuǎn)變。

（3）軸壓和圍壓的增大均導(dǎo)致巖樣損傷加劇，軸壓促使裂紋軸向發(fā)育，圍壓促使裂紋橫向發(fā)育。圍壓的施加促使裂紋擴(kuò)展起始角不斷變化，減弱了主要軸向裂紋的擴(kuò)展速度，巖樣的承載能力提高。