層狀巖體作為自然界中常見(jiàn)的地質(zhì)體，分布廣泛且十分普遍。處于寒冷環(huán)境下且具有層理構(gòu)造的礦山在開(kāi)采過(guò)程中，常同時(shí)受到?jīng)_擊爆破與凍融損傷的共同作用，這兩種作用共同威脅礦山的安全生產(chǎn)。目前，關(guān)于層狀巖體在凍融循環(huán)條件下的損傷研究，多基于凍融后巖石力學(xué)性質(zhì)與孔隙度變化來(lái)表征凍融作用對(duì)巖石的損傷程度。與“先凍融后沖擊”的巖石損傷研究不同，針對(duì)“先沖擊后凍融”的研究，旨在探討沖擊損傷對(duì)巖石凍融劣化過(guò)程的促進(jìn)作用。在存在前期沖擊損傷的工程區(qū)域，凍融循環(huán)的損傷作用會(huì)進(jìn)一步削弱礦山的巖體穩(wěn)定性。因此，針對(duì)沖擊后受損層狀巖體開(kāi)展凍融損傷研究，對(duì)含層狀巖體的寒區(qū)礦山預(yù)防地質(zhì)災(zāi)害具有重要的意義。

已有不少學(xué)者以層狀巖體為研究對(duì)象，針對(duì)其在沖擊載荷作用下的巖石力學(xué)特性開(kāi)展了大量工作。在系統(tǒng)總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，華北理工大學(xué)張亞賓教授團(tuán)隊(duì)聚焦于礦山開(kāi)采過(guò)程中形成的、具有一定沖擊損傷但未完全破碎的層狀巖體，開(kāi)展了含沖擊裂紋層狀巖體的凍融損傷研究。以沖擊入射幅值與沖擊次數(shù)作為變量，對(duì)沖擊后未完全破碎的試件進(jìn)行凍融循環(huán)試驗(yàn)，并借助核磁共振技術(shù)（NMR）進(jìn)行測(cè)試，從而揭示其凍融損傷演化規(guī)律。

Fig.1 試驗(yàn)流程及設(shè)備

基于SHPB的層狀巖體沖擊試驗(yàn)

為在層狀巖體中預(yù)制沖擊裂縫，開(kāi)展了不同入射幅值下的單軸沖擊試驗(yàn)，以研究入射幅值對(duì)巖體破碎程度的影響，并據(jù)此選取合適的沖擊幅值。試驗(yàn)選取層狀大理巖試件，分別采用60、70、80和90 mV的入射幅值進(jìn)行單軸沖擊，獲取了相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試件損傷形態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明：沖擊入射幅值越高，試件損傷程度越大。在60 mV和70 mV沖擊下，試件產(chǎn)生裂紋但未完全破碎；而入射幅值達(dá)到80 mV及以上時(shí)，試件均發(fā)生破碎。因此，可選取60 mV與70 mV的沖擊入射幅值用于后續(xù)的循環(huán)沖擊損傷試驗(yàn)。

Fig. 2 單次沖擊層狀巖體的應(yīng)力應(yīng)變曲線

Fig. 3 沖擊后巖石試件破壞程度

低幅值下循環(huán)沖擊損傷試驗(yàn)及損傷規(guī)律

以60 mV與70 mV的入射幅值進(jìn)行循環(huán)沖擊2~3次，得到了應(yīng)力應(yīng)變曲線與試件的損傷情況。可以看出，沖擊后試件均有裂紋，且不完全破碎。在以低幅值沖擊時(shí)常出現(xiàn)應(yīng)變回彈，這種現(xiàn)象會(huì)隨著沖擊幅值與沖擊次數(shù)的增加而減弱。每次等幅值沖擊造成了巖石的峰值應(yīng)力隨沖擊次數(shù)的增加而降低，應(yīng)力應(yīng)變曲線向右下方向移動(dòng)。試件內(nèi)部的初始狀態(tài)本就含有微裂隙，在多次沖擊載荷的作用下，試件原有的微裂隙拓展發(fā)育，使巖石抵抗破壞的能力減弱。

以60 mV與70 mV的入射幅值對(duì)試件進(jìn)行2~3次循環(huán)沖擊，獲得了相應(yīng)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與試件損傷情況?？梢钥闯?，沖擊后試件均產(chǎn)生裂紋，但未完全破碎。在低幅值沖擊時(shí)，常出現(xiàn)應(yīng)變回彈現(xiàn)象，該現(xiàn)象隨沖擊幅值與沖擊次數(shù)的增加而逐漸減弱。每次等幅值沖擊導(dǎo)致巖石峰值應(yīng)力隨沖擊次數(shù)增加而降低，應(yīng)力-應(yīng)變曲線整體“向右下方移動(dòng)”。由于試件內(nèi)部原本存在微裂隙，在多次沖擊載荷作用下，這些微裂隙不斷擴(kuò)展與發(fā)育，從而削弱了巖石抵抗破壞的能力。

Fig. 4 60 mV與70 mV循環(huán)沖擊2~3次的應(yīng)力應(yīng)變曲線

采用超聲波法計(jì)算損傷變量，以表征沖擊后巖石的損傷程度。在多次沖擊載荷作用下，損傷逐漸累積，導(dǎo)致巖石抵抗破壞的能力降低，表現(xiàn)為縱波波速下降，損傷變量逐步增大。在相同沖擊次數(shù)條件下，70 mV入射幅值所對(duì)應(yīng)的損傷變量大于60 mV，表明較高的入射幅值會(huì)引起更顯著的損傷程度。

凍融循環(huán)作用下孔隙度識(shí)別

層狀巖體內(nèi)部的微觀孔隙發(fā)育情況通過(guò)核磁共振（NMR）技術(shù)進(jìn)行識(shí)別，以獲取巖石在凍融作用后的孔隙度變化。結(jié)果表明，孔隙的發(fā)育首先以小孔隙為主，隨后逐漸向中、大孔隙拓展。從孔隙度分布來(lái)看，小孔孔隙占據(jù)主導(dǎo)地位，中孔次之，大孔孔隙度的占比最小。整體上，孔隙度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但試件M70-2和M70-3的小孔孔隙度出現(xiàn)下降，這歸因于巖石試件初始損傷程度較高，受凍融損傷影響更為顯著。在小孔孔隙度下降的階段，中、大孔隙的發(fā)育與擴(kuò)展速度加快，導(dǎo)致其在總孔隙度中所占比例增大。

凍融循環(huán)作用下?lián)p傷規(guī)律分析

層狀巖體的最終損傷程度受沖擊載荷與凍融循環(huán)共同作用的影響?；跊_擊試驗(yàn)與凍融試驗(yàn)后的損傷狀態(tài)，可分析不同沖擊幅值與凍融循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。對(duì)計(jì)算得到的沖擊損傷變量與凍融損傷變量進(jìn)行擬合，結(jié)果顯示其符合指數(shù)分布規(guī)律。根據(jù)在30、60和90次凍融循環(huán)中損傷變量的變化規(guī)律可知，沖擊造成的初始損傷越大，凍融循環(huán)后的損傷變量也越高。

沖擊入射幅值與沖擊次數(shù)是促使微裂隙發(fā)育的主要因素。沖擊后試件在不同程度的微裂隙擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行凍融試驗(yàn)，水分滲入微孔隙中，經(jīng)歷凍結(jié)作用引起巖石微裂隙的進(jìn)一步擴(kuò)展。由于沖擊損傷程度越高，巖石內(nèi)部微裂紋越發(fā)育，從而加劇了凍融循環(huán)對(duì)巖石的劣化作用，導(dǎo)致凍融損傷程度升高。因此，沖擊損傷能夠有效加劇層狀巖體的凍融損傷程度。

《金屬礦山》簡(jiǎn)介

《金屬礦山》由中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國(guó)金屬學(xué)會(huì)主辦，主編為中國(guó)工程院王運(yùn)敏院士，現(xiàn)為北大中文核心期刊、中國(guó)科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊（中國(guó)科技核心期刊）、中國(guó)精品科技期刊（F5000頂尖學(xué)術(shù)論文來(lái)源期刊）、中國(guó)百?gòu)?qiáng)報(bào)刊、RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊（A）、中國(guó)期刊方陣雙百期刊、國(guó)家百種重點(diǎn)期刊、華東地區(qū)優(yōu)秀期刊，被美國(guó)化學(xué)文摘（CA）、美國(guó)劍橋科學(xué)文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)（JST）等世界著名數(shù)據(jù)庫(kù)收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機(jī)電與自動(dòng)化、安全環(huán)保、礦山測(cè)量、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域具有重大學(xué)術(shù)價(jià)值或工程推廣價(jià)值的研究成果，優(yōu)先報(bào)道受到國(guó)家重大科研項(xiàng)目資助的高水平研究成果。根據(jù)科技部中國(guó)科技信息研究所發(fā)布的《2024中國(guó)科技期刊引證報(bào)告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業(yè)工程技術(shù)學(xué)科核心期刊第1位；根據(jù)中國(guó)知網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊影響因子年報(bào)》（2024版），《金屬礦山》學(xué)科影響力位居73種礦業(yè)期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

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