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創新點
（1）採用MTS815岩石力學試驗系統對單裂隙灰巖試件進行不同圍壓和裂隙水壓下的常規三軸壓縮試驗，與完整灰巖試件相比較，單裂隙灰巖試件的應力-應變曲線呈現出獨特的雙峰值性態：前高後低雙峰型和前低後高雙峰型，經歷第一峰值點後，其承載結構的剛度明顯下降；單裂隙灰巖的起裂、擴容和峰值強度隨水壓的增加存在明顯的降低趨勢，而隨圍壓的增加顯著提高。在相同圍壓和水壓作用下，裂隙傾角α=75°的試件起裂、擴容和峰值強度最高，α=15°的試件次之，α=45°的試件最小。
（2）聲發射監測結果表明，裂隙傾角和水壓顯著影響了單裂隙灰巖的岩石破裂過程中聲發射訊號變化規律。隨著裂隙傾角的增大，裂隙起裂和穩定擴充套件階段振鈴計數變得越來越稀疏，相對於高水壓下的聲發射特性，在低水壓作用下聲發射訊號更為強烈。
（3）基於試驗結果，建立了水-力耦合用下單裂隙灰巖的壓剪斷裂判據,明確了壓剪引數與裂隙傾角之間的關係，並發現破裂模式與|KII /KI|存在相關性，即隨著裂隙傾角增大，|KII/KI|也相應增加，壓剪複合應力狀態下岩石裂隙越趨向於剪下開裂，分析了雙峰型應力－應變曲線的力學機制。
水-力耦合作用下單裂隙灰巖三軸壓縮與聲發射試驗及壓剪斷裂模型
作者：趙延林1，劉強1,2，劉歡1，廖健2，常樂2，譚濤2，宋飛1
單位：1.湖南科技大學 南方煤礦瓦斯與頂板災害預防控制安全生產重點實驗室；2.湖南科技大學 資源環境與安全工程學院
背 景
高水壓和高地應力的耦合作用是導致深部圍巖失穩破壞的重要力源。水－力耦合作用下巖體強度特性的演化規律一直是礦山岩石力學的熱點問題之一。為了從機制上獲得水－力耦合作用下的巖體破壞特徵，諸多學者從試驗、理論和數值模擬多方面研究了水－力耦合作用下岩石（體）的破壞機制，並提出了相應裂隙擴充套件模式和斷裂準則。
在許多情況下工程巖體的斷裂是一種壓剪複合斷裂。針對複合型裂隙斷裂機制進行了大量的研究，建立了相應的複合型斷裂準則，包括最大周嚮應力準則、最大能量釋放率準則和最小應變能準則，但這些準則大多是以金屬裂紋張拉失穩擴充套件為前提建立起來的。然而巖體工程大多數處於多向壓應力狀態，屬於壓剪斷裂。目前已經建立了一些岩石壓剪斷裂準則，如周群力等從試驗出發，構建了岩石壓剪斷裂經驗準則，該判據考慮了法向壓力對剪下裂紋擴充套件的遏制作用。李建林等將裂紋尖端平均應力代入Hoek-Brown準則中建立了壓剪斷裂等效判據。BOBET和EINSTEIN應用最大剪應力準則判斷剪下破壞，但沒有考慮剪下強度與正應力之間的關係。唐世斌等基於莫爾－庫侖準則推導了水壓誘發裂縫拉伸與剪下破裂的理論模型。
上述研究成果為揭示水－力耦合作用下岩石破裂行為和機理奠定了基礎。但目前對於水－力耦合作用下含裂隙岩石試件的應力－應變特性，起裂、擴容和峰值強度的變化規律，以及相關的聲發射特性的系統研究仍不夠，尤其是對於水－力耦合作用下岩石壓剪斷裂機制還不清楚。
摘 要
深部煤炭資源開採面臨著高滲透壓和高應力耦合作用的地質環境，水-力耦合作用下裂隙巖體力學行為及破裂特徵研究對於揭示深部巖體失穩破裂規律有重要意義。透過在灰巖標準圓柱體試件中部預製裂隙形成單裂隙灰巖試件，採用MTS815岩石力學試驗系統和PCI-2聲發射監測儀，對單裂隙灰巖試件進行不同圍壓和裂隙水壓下的常規三軸壓縮試驗和破裂過程的聲發射監測，其中預製裂隙傾角設定分別為15°、45° 和75°三種不同產狀，圍壓分別設為10，15，20和25 MPa共4個系列，裂隙水壓分別設定為0，2，4，6，8 MPa 的5種工況。
試驗結果表明:與完整灰巖試件相比較，單裂隙灰巖試件的應力-應變曲線呈現出獨特的雙峰值性態：前高後低雙峰型和前低後高雙峰型，經歷第1峰值點後，其承載結構的剛度明顯下降；單裂隙灰巖的起裂、擴容和峰值強度隨水壓的增加存在明顯的降低趨勢，而隨圍壓的增加顯著提高。
在相同圍壓和水壓作用下，裂隙傾角α=75°的試件起裂、擴容和峰值強度最高，α=15°的試件次之，α=45°的試件最小；裂隙傾角和水壓顯著影響了單裂隙灰巖的岩石破裂過程中聲發射訊號變化規律。隨著裂隙傾角的增大，裂隙起裂和穩定擴充套件階段振鈴計數變得越來越稀疏，相對於高水壓下的聲發射特性，在低水壓作用下聲發射訊號更為強烈。 基於試驗結果建立了水-力耦合用下單裂隙灰巖的壓剪斷裂判據,明確了壓剪引數與裂隙傾角之間的關係，並發現破裂模式與|KⅡ/KⅠ|存在相關性，即隨著裂隙傾角增大，|KⅡ/KⅠ|也相應增加，壓剪複合應力狀態下岩石裂隙越趨向於剪下開裂。
圖 片
單裂隙灰巖試件
MTS815岩石力學試驗系統和聲發射佈置
完整灰巖試件的偏應力-應變曲線與破裂試件示意
單裂隙灰巖代表性試件的偏應力-應變曲線
偏應力-應變曲線的分類示意
峰值強度σp與水壓P之間的關係曲線
峰值強度σp與裂隙傾角α之間的關係曲線（σ3=20MPa）
偏應力、聲發射振鈴計數和累計振鈴計數與時間關係曲線（σ3=20MPa）
代表性應力-應變曲線及起裂應力和擴容應力的確定（以單峰型為例）
起裂應力σci與水壓Ｐ之間的關係曲線
σci/σp，σd/σp與裂隙傾角α之間的關係曲線
水-力耦合作用下傾斜張開裂隙受力示意
壓剪岩石裂隙尖端KⅠ和KⅡ之間的關係
壓剪引數λ1,2與裂隙傾角α之間的關係
壓剪岩石裂隙尖端KⅠ隨水壓Ｐ的變化規律
部分試件破裂模式
|KⅡ/KⅠ|隨裂隙傾角α的變化規律
第一作者簡介
趙延林，男，1973年11月出生，湖南湘潭人，博士，湖南科技大學教授，博士生導師，湖南科技大學資源環境與安全工程學院副院長，美國亞利桑那大學訪問學者，湖南省普通高校青年骨幹教師，湘潭市優秀專家，湖南省優秀博士學位論文獲得者，湖南科技大學湘江學者，湖南省岩石力學與工程學會理事，科技部國家技術預測專家，湖南省優秀碩士論文指導老師，國際SCI期刊《Frontiers in Earth Science》和《Geofluids》客座主編，入選“礦業工程”領域 2020 年度愛思唯爾高被引中國學者和全球前2%頂尖科學家榜單。
研究方向
岩石力學與岩層控制、深部採動巖體的多場耦合理論與工程響應研究
主要成果
主要從事岩石力學與岩層控制、深部採動巖體多場耦合理論與工程響應等方面的研究。以第一或通訊作者在《International Journalof Rock Mechanics and Mining Sciences》《Rock Mechanics and Rock Engineering》《煤炭學報》等重要學術期刊上發表100餘篇學術論文，其中以第一作者被SCI 、Ei收錄80餘篇，國際TOP期刊論文6篇，入選全球前1% ESI高被引論文9篇，熱點論文4篇，F5000領跑者5000-中國精品科技期刊頂尖論文1篇，中國岩石力學與工程學會2019年度優秀論文-陳宗基獎1篇，出版專著2部，獲湖南省自然科學二等獎、科技進步二等獎和綠色礦山科學技術一等獎、中國煤炭工業協會科學技術二等獎等省部級以上獎勵6項。已授權發明專利 20 餘項，軟體著作權3項。先後主持國家自然科學基金專案2項，以及省部級和企業合作等科學研究專案20餘項，作為研究骨幹參與國家973計劃專案和國家自然科學基金重點專案。
第二作者簡介
劉強，男，湖南沅江人，1994年1月出生，博士研究生，主要研究方向為岩石力學與岩層控制、岩石斷裂力學等，已在國內外刊物上發表論文6篇，其中SCI、EI收錄5篇，授權專利2項，《Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics 》《Tunnelling and Underground Space Technology》《Building and Environment》等期刊的審稿人。
來源：
趙延林，劉強，劉歡，等．水－力耦合作用下單裂隙灰巖三軸壓縮與聲發射試驗及壓剪斷裂模型[J]．煤炭學報，2021，46（12）：3855-3868.
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