崔松，劉送永，黃舉

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇徐州，221116)

隨著我國(guó)基礎(chǔ)工程建設(shè)及巖石巷道掘進(jìn)的快速推進(jìn)，越來(lái)越多工程新建于巖土敏感區(qū)域，例如：在城市密集建筑物周圍新建地鐵等大規(guī)模地下空間、在深部進(jìn)行巖石巷道掘進(jìn)、在特殊地質(zhì)構(gòu)造巖土區(qū)域施工等，若采用常規(guī)破巖方法，均會(huì)對(duì)既有巖土區(qū)域造成較大擾動(dòng)，產(chǎn)生難以預(yù)估的破壞，影響施工進(jìn)度[1-4]。

為了在特殊條件下構(gòu)建符合要求的巖石巷道斷面或空間結(jié)構(gòu)，利用空孔應(yīng)力集中效應(yīng)來(lái)輔助定向破碎巖石，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究工作，研究人員認(rèn)為，空孔的存在打破圍巖應(yīng)力平衡狀態(tài)，對(duì)裂紋擴(kuò)展產(chǎn)生一定影響[5-7]。張召冉等[8]分析了空孔及裂紋在爆炸載荷條件下的變化及擴(kuò)展規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，裂紋優(yōu)先沿炮孔與預(yù)鉆空孔連線方向擴(kuò)展，說(shuō)明預(yù)鉆空孔可有效引導(dǎo)裂紋擴(kuò)展方向。LI等[9]研究了空孔參數(shù)對(duì)巖樣破壞過(guò)程中不同時(shí)刻最大應(yīng)力、變形特征的影響。楊仁樹等[10]研究了不同空孔參數(shù)條件下爆生裂紋的擴(kuò)展方向、速度及裂紋尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子隨時(shí)間變化規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，空孔對(duì)裂紋的導(dǎo)向能力隨空孔與炮孔之間距離的增大而減小。李啟月等[11]對(duì)鉆爆時(shí)單空孔效應(yīng)數(shù)值模型進(jìn)行優(yōu)化，研究了空孔效應(yīng)及巖石破壞規(guī)律，結(jié)果表明，空孔應(yīng)力集中效應(yīng)與炮孔半徑成正比，與空孔間距成反比。ARSHADNEJAD 等[12-13]根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和模擬數(shù)據(jù)，建立了半解析和實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，研究空孔直徑及間距對(duì)巖石裂紋擴(kuò)展規(guī)律的影響。HAN等[14]基于FEMCZM 數(shù)值方法研究了含裂隙孔類巖石剪切行為，其中空孔形狀、角度對(duì)裂紋的萌生、擴(kuò)展、合并具有重要影響。YANG等[15]對(duì)具有圓孔的試件進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)，并建立了含圓孔巖石試樣DEM模型，模型可以很好地描述圓孔周圍的應(yīng)力狀態(tài)。從上述研究可以看出，空孔可有效弱化巖石強(qiáng)度，定向引導(dǎo)裂紋擴(kuò)展，同時(shí)空孔布置參數(shù)對(duì)裂紋擴(kuò)展規(guī)律為本文研究提供了參考和借鑒。但在實(shí)際應(yīng)用中，利用空孔應(yīng)力集中效應(yīng)，采用常規(guī)爆破類方法進(jìn)行定向破巖時(shí)，爆破能量不易控，爆破時(shí)會(huì)產(chǎn)生飛石、有害氣體及粉塵，且巷道成形差、機(jī)械化程度低[16]。在特殊地質(zhì)條件下采用液力漲裂定向破巖具有可行性，但相關(guān)液力漲裂定向破巖機(jī)理研究不夠深入，不同工作參數(shù)對(duì)破巖效果影響研究結(jié)果匱乏，因此，利用巖石抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的物理特性(抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的8～10 倍)，提出在空孔應(yīng)力集中效應(yīng)作用下的液力定向漲裂破巖技術(shù)，為深入分析空孔作用下巖石定向漲裂機(jī)理提供基礎(chǔ)。液力漲裂破巖技術(shù)原理為：利用高壓油泵向驅(qū)動(dòng)油缸供給高壓油，驅(qū)使中間楔塊向外移動(dòng)，壓迫中間楔塊兩側(cè)翼片沿徑向移動(dòng)，最后，利用巖石抗拉能力遠(yuǎn)小于抗壓能力的特點(diǎn)使巖石產(chǎn)生裂紋并破碎。

本文作者在理論研究的基礎(chǔ)上，對(duì)空孔存在條件下，液力漲裂巖石時(shí)裂紋擴(kuò)展機(jī)理及漲裂壓力規(guī)律進(jìn)行分析，為定向破碎巖石及相似工程問題提供指導(dǎo)。

1 空孔效應(yīng)理論

為了探究空孔存在下巖石應(yīng)力分布狀態(tài)與傳播過(guò)程，假設(shè)巖體中存在漲裂孔與空孔，則空孔效應(yīng)力學(xué)模型如圖1所示。分析空孔周圍應(yīng)力分布狀態(tài)可以得到，當(dāng)巖體中計(jì)算點(diǎn)與空孔圓心距離為5倍空孔直徑時(shí)，計(jì)算點(diǎn)處切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力相比原巖石應(yīng)力僅改變1%，因此，認(rèn)為空孔效應(yīng)的影響范圍約為空孔直徑的5 倍[17-18]。同時(shí)，由于空孔的存在，漲裂孔周圍巖石產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力波在傳播過(guò)程中，應(yīng)力幅值和能量會(huì)隨著傳播距離增加而不斷降低，巖石中任一點(diǎn)應(yīng)力波峰值為[19]

圖1 空孔效應(yīng)的力學(xué)模型Fig.1 Mechanical model of holes effect

式中：σr為巖石中任意一點(diǎn)漲裂徑向應(yīng)力，MPa；σθ為巖石中任意一點(diǎn)漲裂切向應(yīng)力，MPa；p為巖石起裂時(shí)作用于孔壁的初始?jí)毫Γ琈Pa；R0為漲裂孔半徑，mm；RA為巖石中計(jì)算點(diǎn)距漲裂孔圓心距離，mm；α為應(yīng)力波衰減系數(shù)，α=2-μ/(1-μ)；μ為巖石泊松比；λ為動(dòng)態(tài)側(cè)應(yīng)力系數(shù)，λ=μ/(1-μ)。

當(dāng)壓縮應(yīng)力波傳播到空孔B時(shí)，空孔B附近應(yīng)力狀態(tài)可由式(2)表示：

式中：σrr為空孔周圍巖石中某一點(diǎn)徑向應(yīng)力，MPa；σθθ為空孔周圍巖石中某點(diǎn)切向應(yīng)力，MPa；τrθ為空孔周圍巖石中某點(diǎn)剪切應(yīng)力，MPa；R1為空孔半徑，mm；RB為巖石中任意一點(diǎn)距空孔中心距離，mm；θ為巖石中某點(diǎn)到漲裂孔中心連線與漲裂孔和空孔連線之間的夾角。

當(dāng)巖石中的任意一點(diǎn)在空孔圓周上，即R1=RB，k=1時(shí)，將此邊界條件代入到式(2)中得

對(duì)式(3)求dσθθ/dθ，并令dσθθ/dθ=0，可得θ=0或±π 時(shí)，σθθ有極大值，θ=±π/2 時(shí)，σθθ有極小值，即：

式中：L為空孔與漲裂孔圓心之間的距離，mm。

由式(4)可知：空孔與漲裂孔圓心連線上切向應(yīng)力最大，即最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在空孔與漲裂孔圓心連線上，且隨著空孔與漲裂孔中心連線距離L增大，切向應(yīng)力σθθ越小。

2 空孔作用下定向漲裂破巖試驗(yàn)

液力漲裂破巖過(guò)程如圖2所示。

圖2 液力漲裂破巖過(guò)程Fig.2 Rock breaking process by hydraulic fracturing

液力漲裂破巖試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由電力控制系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)、圍壓系統(tǒng)和漲裂系統(tǒng)組成，試驗(yàn)中采用的液力漲裂器漲裂力最大為800 N，工作壓力為60 MPa，滿足本試驗(yàn)要求[20]。

圖3 液力漲裂破巖試驗(yàn)臺(tái)組成Fig.3 Composition of hydraulic fracturing and rock breaking test bench

實(shí)驗(yàn)中巖樣選用典型青石，按照GB/T 50266—2013“工程巖體試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)”，利用巖芯鉆機(jī)對(duì)青石鉆取測(cè)試巖樣，采用CSS 萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)對(duì)青石樣本進(jìn)行力學(xué)特性測(cè)試，取3次測(cè)試結(jié)果求出平均值。青石力學(xué)性能如表1所示。

表1 青石試樣力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of bluestone samples

試驗(yàn)中選取的青石長(zhǎng)×寬×高為800 mm×800 mm×600 mm，利用圍壓架在巖石水平方向4個(gè)側(cè)面均施加4 MPa的圍壓，漲裂孔位于巖石上表面幾何中心位置，直徑×深度為45 mm×350 mm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 空孔效應(yīng)驗(yàn)證

為驗(yàn)證空孔效應(yīng)的有效性，首先對(duì)有無(wú)空孔情況下巖石破碎效果進(jìn)行分析，有無(wú)空孔的漲裂效果對(duì)比如圖4所示。從圖4(a)可以看出：巖石裂紋不沿垂直于分裂方向擴(kuò)展，而沿水平方向擴(kuò)展，這是由于巖石承受外部圍壓力作用，而且沿對(duì)角線方向漲裂巖石體積較大，因此分裂方向不能主導(dǎo)巖石裂紋擴(kuò)展方向，裂紋傾向于沿著最小阻力方向擴(kuò)展，即水平方向；從圖4(b)可以看出：在空孔效應(yīng)范圍內(nèi)沿對(duì)角線方向預(yù)制1個(gè)空孔，在空孔效應(yīng)作用下裂紋沿對(duì)角線方向從漲裂孔擴(kuò)展到空孔，并貫穿空孔呈近似直線繼續(xù)擴(kuò)展，對(duì)比圖4(a)明顯看出，空孔能較好地引導(dǎo)裂紋擴(kuò)展方向，裂紋和漲裂孔與空孔圓心之間的連線基本重合，說(shuō)明漲裂孔與空孔圓心之間連線上附近的巖石所受拉應(yīng)力最大，達(dá)到了巖石抗拉強(qiáng)度并產(chǎn)生裂紋，而且在漲裂孔另一側(cè)無(wú)空孔區(qū)域，受空孔效應(yīng)影響，裂紋從漲裂孔先直線擴(kuò)展一段距離，然后裂紋擴(kuò)展方向發(fā)生明顯轉(zhuǎn)變，進(jìn)一步對(duì)比說(shuō)明空孔能較好地引導(dǎo)并傳播裂紋。因此，通過(guò)上述對(duì)比分析驗(yàn)證了空孔效應(yīng)，說(shuō)明空孔效應(yīng)下的定向漲裂破巖是可行的。

圖4 有無(wú)空孔的漲裂效果對(duì)比Fig.4 Comparison of effect of fracturing with and without holes

為進(jìn)一步驗(yàn)證空孔效應(yīng)有效性，對(duì)有無(wú)空孔情況下巖石漲裂壓力變化曲線進(jìn)行分析，有無(wú)空孔漲裂壓力曲線對(duì)比如圖5所示。由圖5可知：有空孔與無(wú)空孔情況下漲裂壓力曲線隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本相同，即均含有巖石起裂階段AG、瞬間泄壓階段GB、巖石分離階段BC、回油階段CD以及躍進(jìn)式破碎區(qū)，但2種壓力曲線變化狀態(tài)有明顯區(qū)別。相較于無(wú)空孔情況下漲裂壓力曲線，有空孔情況下起裂階段曲線上升趨勢(shì)較快，而且對(duì)應(yīng)起裂點(diǎn)的壓力也有明顯區(qū)別，有空孔與無(wú)空孔情況下巖石起裂壓力分別為36.4 MPa 和46.9 MPa，兩者相差28.8%，這說(shuō)明預(yù)制空孔輔助破巖使?jié)q裂破巖作業(yè)更易進(jìn)行，并且很大程度上降低了所需漲裂壓力，從而增大了漲裂破巖作用范圍。因此，通過(guò)有效性驗(yàn)證，可認(rèn)為空孔效應(yīng)下的定向漲裂破巖是可行的。

圖5 有無(wú)空孔漲裂壓力曲線對(duì)比Fig.5 Comparison of fracturing pressure curves with and without holes

3.2 空孔距離對(duì)破巖性能影響

為研究漲裂孔與空孔之間間距變化對(duì)漲裂破巖效果的影響，基于空孔作用下的巖石應(yīng)力分布模型，在巖石對(duì)角線上布置與漲裂孔間距分別為150，200，250 和300 mm 的空孔，研究空孔距離在5倍空孔效應(yīng)范圍之內(nèi)、范圍邊界處和范圍之外情況下對(duì)漲裂破巖效果的影響，同時(shí)保持空孔和漲裂孔尺寸相同。

按照漲裂孔與空孔之間距離從小到大的順序進(jìn)行漲裂破巖作業(yè)，孔距離對(duì)漲裂破巖效果影響如圖6所示。由圖6可知：在巖石無(wú)空孔一側(cè)，巖石裂紋均有向水平方向擴(kuò)展的趨勢(shì)，其中前兩種空孔距離的巖石裂紋先沿對(duì)角線方向直線擴(kuò)展一段距離，且150 mm空孔距離的巖石裂紋直線擴(kuò)展的距離相對(duì)較長(zhǎng)，然后向水平方向擴(kuò)展；后兩種空孔距離的巖石裂紋從漲裂孔逐漸向水平方向擴(kuò)展。在巖石有空孔一側(cè)，巖石裂紋基本均從漲裂孔擴(kuò)展到空孔，只是隨著空孔距離增大，巖石裂紋線性度越來(lái)越差；巖石裂紋貫穿空孔后并不是沿著原路徑繼續(xù)擴(kuò)展，空孔距離為150 mm的巖石裂紋先是沿著原路徑直線擴(kuò)展了一段距離，然后趨于向水平方向擴(kuò)展，而隨著空孔距離增大，后三種空孔距離的巖石裂紋向豎直方向擴(kuò)展趨勢(shì)逐漸明顯，說(shuō)明空孔距離為300 mm左右時(shí)不能引導(dǎo)裂紋較好的定向擴(kuò)展。上述現(xiàn)象的原因是，隨著漲裂孔與空孔之間距離增大，漲裂孔與空孔之間圓心連線上巖石所受拉應(yīng)力逐漸減小，空孔效應(yīng)減弱，致使空孔引導(dǎo)和傳播裂紋能力逐漸降低，以至于不能準(zhǔn)確完成定向漲裂破巖。

圖6 不同空孔距離巖石漲裂效果Fig.6 Effect of rock fracturing with different distances of holes

為進(jìn)一步分析空孔距離對(duì)漲裂破巖效果影響，從巖石漲裂壓力變化規(guī)律分析，不同空孔距離巖石漲裂壓力變化曲線如圖7所示。從圖7可知：不同空孔距離巖石漲裂壓力曲線隨時(shí)間變化趨勢(shì)基本相同。但隨著空孔距離增大，最大漲裂壓力逐漸增大，最大漲裂壓力分別為36.4 MPa(G1點(diǎn))、38.3 MPa(G2點(diǎn))、43.6 MPa(G3點(diǎn)) 和44.7 MPa(G4點(diǎn))；相較于空孔距離為150 mm 的漲裂壓力曲線，其余3種空孔距離壓力曲線在起裂階段中曲線上升幅度較小，特別是空孔距離為250 mm 和300 mm 時(shí)更為明顯，這說(shuō)明空孔距離增大使?jié)q裂集聚能量時(shí)間變長(zhǎng)，漲裂難度增加。上述原因是因?yàn)榭湛仔?yīng)理論影響范圍為5倍空孔直徑，隨著漲裂孔與空孔之間距離增大，空孔作用下的應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸減小，甚至可以忽略不計(jì)，同時(shí)，由于漲裂孔與空孔之間圓心連線上巖石所受拉應(yīng)力逐漸減小，為了破碎具有相同力學(xué)性能的巖石，漲裂器需加載更高的漲裂壓力，致使?jié)q裂破巖難度增加，因此，最大漲裂壓力會(huì)隨著空孔距離增大而逐漸增大，起裂階段中壓力曲線上升逐漸變得平緩。

圖7 不同空孔距離巖石漲裂壓力變化曲線Fig.7 Variation curve of rock fracturing pressure with different distances of holes

為了進(jìn)一步分析不同空孔距離對(duì)巖石漲裂效果影響，對(duì)其最大漲裂壓力進(jìn)行對(duì)比分析，不同空孔距離巖石漲裂壓力變化規(guī)律如圖8所示。從圖8可知：隨著空孔距離增加，巖石最大漲裂壓力不斷增大，特別是在空孔距離從200 mm 增加到250 mm 時(shí)，漲裂壓力增加幅度比較明顯。定義漲裂壓力變化率η為

圖8 不同空孔距離巖石漲裂壓力變化規(guī)律Fig.8 Variation law of rock fracturing pressure with different distances of holes

式中：pn+1和pn分別為第n+1次和第n次試驗(yàn)的最大漲裂壓力。

空孔距離150，200，250 和300 mm 時(shí)的最大漲裂壓力分別為36.4，38.3，43.6 和44.9 MPa，則空孔距離為200，250和300 mm時(shí)漲裂壓力變化率分別為5.2%，13.8%和3.0%。從圖8可以看出：隨著空孔距離均勻增大，漲裂壓力變化率先增大后減小，其中當(dāng)空孔距離從200 mm 增加至250 mm時(shí)，漲裂壓力變化率較大，而當(dāng)空孔距離從250 mm增加至300 mm時(shí)，漲裂壓力變化率減小。根據(jù)空孔效應(yīng)理論分析得到，空孔效應(yīng)隨著空孔與漲裂孔之間距離的增大而逐漸減小，致使?jié)q裂破巖難度逐漸增大，故所需漲裂壓力逐漸增大；由于空孔效應(yīng)影響范圍約為5 倍空孔直徑，為225 mm，當(dāng)空孔距離為250 mm 和300 mm 時(shí)已超出空孔效應(yīng)影響范圍，故空孔距離從200 mm增大到250 mm時(shí)最大漲裂壓力變化率較大，而空孔距離從250 mm 增大到300 mm 時(shí)，最大漲裂壓力變化率較小。

3.3 空孔數(shù)量對(duì)破巖性能影響

為研究空孔數(shù)量對(duì)漲裂破巖效果的影響，試驗(yàn)中所用青石尺寸、圍壓加載方式和大小、漲裂孔與空孔尺寸均保持不變。漲裂孔位于巖石上側(cè)面中心位置，空孔布置在巖石對(duì)角線上，通過(guò)改變空孔數(shù)量來(lái)研究對(duì)漲裂破巖效果的影響，其中漲裂孔和不同空孔之間距離均在空孔效應(yīng)范圍內(nèi)，即為150 mm。

按照空孔數(shù)量從少到多順序進(jìn)行漲裂破巖試驗(yàn)，分析空孔數(shù)量對(duì)漲裂破巖效果的影響，結(jié)果如圖9所示。對(duì)比圖9(a)和(b)可知：圖9(b)中空孔沿同一對(duì)角線布置在漲裂孔兩側(cè)，雖然2種分裂方向不同，但裂紋均從漲裂孔擴(kuò)展到空孔，并越過(guò)空孔繼續(xù)延伸，同時(shí)出現(xiàn)一條從漲裂孔近似水平擴(kuò)展的次裂紋，因此空孔弱化了分裂方向主導(dǎo)裂紋擴(kuò)展方向的能力；在圖9(a)無(wú)空孔一側(cè)，巖石裂紋先沿對(duì)角線方向直線擴(kuò)展了一段距離，之后由于空孔效應(yīng)減弱，巖石裂紋沿著阻力最小的方向擴(kuò)展，于是裂紋向水平方向發(fā)生轉(zhuǎn)折，在有空孔一側(cè)，由于空孔的存在，裂紋直接貫穿空孔并繼續(xù)延伸，且裂紋線性度較高，進(jìn)一步說(shuō)明空孔對(duì)巖石裂紋有較好的引導(dǎo)能力；相比圖9(a)中裂紋線性度，圖9(b)中裂紋線性度較差，說(shuō)明沿著垂直漲裂孔和空孔之間連線方向進(jìn)行分裂巖石，巖石定向破碎效果更好。

圖9 不同空孔數(shù)量巖石漲裂效果Fig.9 Effect of rock fracturing with different number of holes

對(duì)比圖9(b)和(c)，圖9(c)中，在巖石另一條對(duì)角線上布置1 個(gè)空孔，在分裂方向相同的情況下，出現(xiàn)從漲裂孔向3個(gè)空孔擴(kuò)展的3條主裂紋，其中在巖石下半部分從漲裂孔擴(kuò)展到空孔的2條主裂紋與豎直方向夾角分別均小于45°，原因有2 方面：一是由于下半部分2 個(gè)空孔應(yīng)力疊加作用的影響，使裂紋發(fā)展有向另一個(gè)空孔擴(kuò)展的趨勢(shì)；二是受分裂方向影響，分裂方向的確定直接決定了非接觸區(qū)域范圍，即拉應(yīng)力區(qū)范圍，所以分裂方向在一定程度上對(duì)裂紋擴(kuò)展存在影響。

對(duì)比圖9(c)和(d)，在巖石2條對(duì)角線上均布置2個(gè)空孔，在分裂方向相同的情況下，巖石出現(xiàn)從漲裂孔向4個(gè)空孔擴(kuò)展的4條主裂紋，但裂紋僅從空孔圓周貫穿巖石，巖石定向漲裂破碎效果相對(duì)較差，如圖9(d)所示，每條裂紋擴(kuò)展方向與豎直方向夾角均小于45°，與圖9(c)中裂紋擴(kuò)展的原因相同?？傮w可知，空孔對(duì)巖石裂紋發(fā)育和引導(dǎo)具有重要作用，隨著空孔數(shù)量增加，巖石損傷程度越明顯，巖石裂紋越多；巖石裂紋擴(kuò)展情況受空孔位置參數(shù)和分裂方向共同影響，漲裂孔與空孔中心連線和垂直分裂方向之間夾角越小，巖石定向破碎效果越好，應(yīng)小于45°。

為進(jìn)一步分析空孔數(shù)量對(duì)漲裂破巖效果影響，對(duì)巖石漲裂壓力的變化規(guī)律分析，結(jié)果如圖10所示。從圖10可知，不同空孔數(shù)量巖石漲裂壓力曲線隨時(shí)間的變化趨勢(shì)基本相同。隨著空孔數(shù)量增多，空孔附近應(yīng)力集中現(xiàn)象越來(lái)越明顯，因此不同空孔數(shù)量時(shí)最大漲裂壓力逐漸減小，最大漲裂壓力分別為36.4 MPa(G1點(diǎn))、33.7 MPa(G2點(diǎn))、28.2 MPa(G3點(diǎn))和25.4 MPa(G4點(diǎn))；相較于2 個(gè)空孔數(shù)量的巖石漲裂壓力曲線，其余3種空孔數(shù)量的壓力曲線只有1個(gè)明顯的峰值壓力，當(dāng)漲裂壓力達(dá)到次裂紋起裂壓力后，產(chǎn)生裂紋空隙，漲裂壓力短暫下降后又迅速升高至巖石主裂紋起裂壓力，完成漲裂破巖作業(yè)，其中，g點(diǎn)和G點(diǎn)對(duì)應(yīng)的起裂壓力分別為32.1 MPa 和33.7 MPa，兩者壓力變化率為4.9%。

圖10 不同空孔數(shù)量巖石漲裂壓力變化曲線Fig.10 Variation curve of rock fracturing pressure with different number of holes

為進(jìn)一步定量分析不同空孔數(shù)量對(duì)巖石漲裂效果影響，從而完善空孔輔助漲裂破巖機(jī)理，對(duì)其最大漲裂壓力進(jìn)行對(duì)比分析，如圖11所示。從圖11可得：隨著空孔數(shù)量增加，巖石最大漲裂壓力不斷減小，最大漲裂壓力變化率先增大后減小，特別是空孔數(shù)量從2個(gè)增加到3個(gè)時(shí)，漲裂壓力變化率較大，而空孔數(shù)量從1個(gè)增加到2個(gè)時(shí)，漲裂壓力變化率較小。原因是空孔作用下的應(yīng)力集中現(xiàn)象隨著空孔數(shù)量增多越來(lái)越明顯，且空孔的存在相當(dāng)于在巖體中增加了自由面，自由面效應(yīng)的存在使?jié)q裂破巖難度變小，所以漲裂壓力隨空孔數(shù)量增多而逐漸減??；空孔效應(yīng)影響范圍約為5倍空孔直徑，當(dāng)巖石存在2 個(gè)空孔且為對(duì)角線布置時(shí)，空孔之間應(yīng)力集中現(xiàn)象互不影響，當(dāng)巖石存在3個(gè)空孔時(shí)，空孔之間的距離在空孔效應(yīng)影響范圍內(nèi)，因此，空孔之間的應(yīng)力集中相互疊加，故空孔數(shù)量從2個(gè)增加到3個(gè)時(shí)，最大漲裂壓力變化較大。

圖11 不同空孔數(shù)量巖石漲裂壓力變化規(guī)律Fig.11 Variation law of rock fracturing pressure with different number of holes

4 結(jié)論

1)通過(guò)比較分析有無(wú)空孔漲裂破巖試驗(yàn)過(guò)程中巖石裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)、漲裂壓力以及漲裂壓力曲線，結(jié)果表明空孔可以有效引導(dǎo)裂紋定向擴(kuò)展及減小漲裂壓力。

2)隨著漲裂孔與空孔之間距離增大，漲裂孔和空孔之間裂紋線性度越來(lái)越差，裂紋貫穿空孔后偏離原路徑趨勢(shì)明顯；最大漲裂壓力與漲裂壓力變化率逐漸增大，當(dāng)空孔距離從200 mm增加到250 mm 時(shí)，最大漲裂壓力增加較大，在空孔效應(yīng)范圍內(nèi)能較好降低漲裂難度。

3)隨空孔數(shù)量線性增加，主裂紋數(shù)量增加，但空孔數(shù)量越多，線性度越差；最大漲裂壓力逐漸降低，但漲裂壓力變化率逐漸增加，當(dāng)空孔數(shù)量從2 個(gè)增加到3 個(gè)時(shí)，漲裂壓力變化幅度較大，當(dāng)空孔數(shù)量從3個(gè)增加到4個(gè)時(shí)，漲裂壓力增加相對(duì)平緩，說(shuō)明空孔對(duì)漲裂破巖有著促進(jìn)作用，但并不是隨著空孔數(shù)量增多效果就越好。