软加载系统刚度对合成硬脆岩石试件中应变岩爆需求的动态放大

《International Journal of Mining Science and Technology》：Dynamic magnification of strainburst demand by soft loading system stiffness in synthetic hard brittle rock specimens

　　

深部硬岩矿山随着开采的推进，可能逐渐形成较软的加载环境，尤其是在崩落足迹附近及高应力的开挖边界区域。在这些条件下，脆性破坏可能从材料控制的破坏过程转变为由矿山加载系统释放的多余弹性应变能所驱动的系统控制失稳。尽管非常刚性的试验机对于捕捉脆性岩石特征性的峰后行为至关重要，但它们无法复现矿山环境中通常控制动态损伤的较软加载条件。研究人员使用非连续介质代码PFC2D进行了数值实验，以探究加载系统刚度（LSS）如何影响无支护合成硬脆岩石的峰后响应。首先对模型设置进行了验证，以确认整体力-位移响应。随后在不同LSS条件下进行了准静态和动态单轴压缩模拟，以量化动态脆性破坏过程中的峰后行为和损伤放大效应。结果表明，在刚性LSS条件下（如孤立隧道掘进），内在岩石特性主要控制响应。而在软加载条件下（如开采后期或靠近崩落足迹处），来自LSS的多余弹性应变能影响逐渐增强，并放大了试件尺度的应变岩爆强度（破坏岩层的弹出速度）、严重程度（试验终止时的弹出质量）以及膨胀响应（应力诱导的破裂岩体）。局部碎片弹出的特征性试件尺度破裂持续时间为0.10至0.22毫秒。这些亚毫秒级数值反映了无支护试件中较小的活动体积和较低的惯性阻力，不应直接外推至开挖尺度的应变岩爆持续时间。

**论文解读：软加载系统刚度对合成硬脆岩石试件应变岩爆需求的动态放大**

**1. 研究背景与问题**

深部硬岩矿山随着开采深度和规模的增加，开挖周边岩体承受高应力，岩爆风险显著上升。采用大规模崩落法开采时，采空区体积增大，导致作用于高应力岩体的有效加载系统逐渐软化。这种软加载环境使得岩体脆性破坏可能从受材料自身特性控制的渐进损伤过程，转变为由外部系统释放多余弹性应变能驱动的突然失稳。尽管刚性试验机能揭示岩石的固有峰后行为，但实际矿山环境中的加载刚度往往较软，这导致试件尺度下应变岩爆强度（破坏岩层弹出速度）、严重程度（试验终止时弹出质量）、膨胀响应（应力诱导破裂岩体的扩张）与加载系统刚度（LSS）之间的定量关系尚未明确。因此，研究人员采用数值模拟方法系统研究刚度差异如何放大近源区域的损伤，为矿山动力灾害评估提供依据。论文发表于《International Journal of Mining Science and Technology》。

**2. 研究内容与意义**

研究人员基于离散元代码PFC2D，构建了包含弹性加载块的数值模型，模拟无支护合成硬脆岩石试件在不同LSS条件下的动态破坏过程。首先验证并校准了模型参数，随后开展准静态和动态单轴压缩模拟，量化峰后行为、能量释放及损伤放大效应。结果表明：刚性LSS下，岩石破坏主要由材料固有脆性控制，表现为较温和的剥落；软LSS下，系统释放的多余弹性能主导破坏过程，显著放大试件尺度的应变岩爆强度、严重程度和膨胀响应，破坏由材料控制转变为系统控制失稳。

**3. 主要技术方法**

研究人员采用PFC2D非连续介质数值模拟方法，模型中试件高宽比为2.0，由圆盘颗粒组成，接触模型采用平行键模型和线性接触模型。标定数据来自Westerly花岗岩和Lac du Bonnet花岗岩的单轴压缩实验室试验。弹性加载块通过顶部和底部刚性墙驱动，模拟不同LSS条件。动态模拟采用低阻尼设置（局部阻尼和粘性阻尼系数均为0.05），通过监测测量圆内的应力和应变张量获取力学响应，利用裂纹诱导速度计算动态动能，并通过图像识别统计弹出质量。

**4. 研究结果**

**4.1 轴向应力-应变曲线（σ1-ε1）**

准静态条件下，峰值轴向应力范围为138–162 MPa，动态条件下降约16.5%。软LSS下，试件破坏后的表观峰后应力显著高于材料固有值，反映外部系统持续施加的功。软LSS下试件呈现出更厚的扭结带、更高的张拉裂纹密度和更剧烈的颗粒弹出。研究表明，软LSS下多余应变能无法被内耗散，导致破坏更加剧烈。

**4.2 试件尺度应变岩爆严重程度**

应变岩爆严重程度定义为试验终止时弹出的单位厚度质量。软LSS条件下，弹出质量接近理论最大值13.5 kg/m（几乎整个试件被弹出）。中性刚度附近，弹出质量开始显著下降。当LSS刚于中性刚度时，弹出质量仅为总质量的35%–71%。这表明软加载环境允许多余弹性能高效转化为碎块的动能，而刚性系统能抑制质量弹出。

**4.3 试件尺度应变岩爆强度**

应变岩爆强度以破坏岩层的平均弹出速度表征。研究通过分析弹性应变能、瞬时动能和裂纹诱导可用动能发现：当LSS从非常硬（K_eu = 8 K_neutral）变化到非常软（K_eu = 1/8 K_neutral）时，峰值裂纹诱导动能从约120 J/m增加到990 J/m（增加8.3倍），等效平均弹出速度从5.6 m/s增加到12.1 m/s（增加约2.2倍）。软LSS下速度分布呈明显多峰分布，存在少量高速颗粒。

**4.4 膨胀位移与膨胀因子**

膨胀位移定义为断裂带法向的相对扩张量。所有模拟中，破坏深度约为试件宽度的一半。量化结果表明，刚度LSS下膨胀因子为3%–5.7%，而软LSS下膨胀因子可达9.5%。低约束条件下的局部膨胀位移更大，软系统会延迟膨胀位移的产生，但最终显著增大膨胀需求。这解释了矿山中软LSS环境产生更大变形压力的原因。

**4.5 破裂持续时间与应变岩爆持续时间**

破裂持续时间定义为膨胀位移发展的时间尺度。计算得到试件尺度下的破裂持续时间为0.10–0.22 ms。这些亚毫秒级数值反映了小尺寸无支护试件中局部碎块的快速弹出，不能直接等同于开挖尺度的应变岩爆持续时间。现场工程中开挖尺度应变岩爆持续时间为10–50 ms，比试件尺度值高1–2个数量级。

**5. 讨论与结论**

讨论强调快速而剧烈的脆性破坏并非单纯的固有材料特性，而是由破坏岩体与周围卸载环境之间的刚度对比所决定的系统控制失稳。软LSS条件下，裂纹诱导的内向动能可在峰值阶段短暂提高承载能力，但同时峰后释放更大能量，导致更猛烈的垮塌。刚性LSS下，试件端部的完整岩楔会有效成为加载系统的一部分，继续传递功至核心破坏区，解释了为什么即使在刚性加载下仍可观察到碎片弹出。基于平均力-位移曲线的能量估计可能低估可用动能。

研究主要结论可归纳如下：

（1）中性条件（K_eu = 1 K_neutral）提供了比较刚性与软系统的特定配置参考。相对该参考，刚性LSS约束峰后变形并保留材料控制的剥落，而软LSS允许外部系统持续传递功并促进系统控制的失稳。

（2）当K_eu从8 K_neutral降至1/8 K_neutral时，峰值裂纹诱导可用动能从120 J/m增至990 J/m（增加8.3倍），等效平均弹出速度从5.6 m/s增至12.1 m/s（约2.2倍），弹出质量从7.8 kg/m增至13.5 kg/m（达到理论最大）。

（3）对高宽比2.0的无支护试件，刚性LSS产生3.0%–5.7%的膨胀因子，软LSS下可达9.5%。软加载环境放大了试件尺度应变岩爆的强度、严重程度和膨胀响应。

（4）低阻尼动态条件下的峰值轴向应力比准静态平衡条件下低约16.5%。软LSS可通过促进裂纹诱导内向动能瞬时提高材料强度，但加剧峰后损伤演化。准静态分析抑制惯性断裂相互作用，因此高估峰后应力但低估动态损伤。

（5）试件尺度破裂持续时间为0.10–0.22 ms，反映小体积、低惯性无支护试件的局部响应，不应直接等效于开挖尺度10–50 ms的应变岩爆持续时间，后者涉及开挖形状变化过程，膨胀因子相似但弹出速度低得多。该研究为理解深部矿山软加载环境下岩爆机理提供了量化工具，并对支护设计和灾害评估具有重要意义。