华北理工大学张亚宾：层状岩体冲击—冻融耦合损伤规律研究

层状岩体作为自然界中常见的地质体，分布广泛且十分普遍。处于寒冷环境下且具有层理构造的矿山在开采过程中，常同时受到冲击爆破与冻融损伤的共同作用，这两种作用共同威胁矿山的安全生产。目前，关于层状岩体在冻融循环条件下的损伤研究，多基于冻融后岩石力学性质与孔隙度变化来表征冻融作用对岩石的损伤程度。与“先冻融后冲击”的岩石损伤研究不同，针对“先冲击后冻融”的研究，旨在探讨冲击损伤对岩石冻融劣化过程的促进作用。在存在前期冲击损伤的工程区域，冻融循环的损伤作用会进一步削弱矿山的岩体稳定性。因此，针对冲击后受损层状岩体开展冻融损伤研究，对含层状岩体的寒区矿山预防地质灾害具有重要的意义。

已有不少学者以层状岩体为研究对象，针对其在冲击载荷作用下的岩石力学特性开展了大量工作。在系统总结前人研究成果的基础上，华北理工大学张亚宾教授团队聚焦于矿山开采过程中形成的、具有一定冲击损伤但未完全破碎的层状岩体，开展了含冲击裂纹层状岩体的冻融损伤研究。以冲击入射幅值与冲击次数作为变量，对冲击后未完全破碎的试件进行冻融循环试验，并借助核磁共振技术（NMR）进行测试，从而揭示其冻融损伤演化规律。

Fig.1 试验流程及设备

基于SHPB的层状岩体冲击试验

为在层状岩体中预制冲击裂缝，开展了不同入射幅值下的单轴冲击试验，以研究入射幅值对岩体破碎程度的影响，并据此选取合适的冲击幅值。试验选取层状大理岩试件，分别采用60、70、80和90 mV的入射幅值进行单轴冲击，获取了相应的应力-应变曲线与试件损伤形态。试验结果表明：冲击入射幅值越高，试件损伤程度越大。在60 mV和70 mV冲击下，试件产生裂纹但未完全破碎；而入射幅值达到80 mV及以上时，试件均发生破碎。因此，可选取60 mV与70 mV的冲击入射幅值用于后续的循环冲击损伤试验。

Fig. 2 单次冲击层状岩体的应力应变曲线

Fig. 3 冲击后岩石试件破坏程度

低幅值下循环冲击损伤试验及损伤规律

以60 mV与70 mV的入射幅值进行循环冲击2~3次，得到了应力应变曲线与试件的损伤情况。可以看出，冲击后试件均有裂纹，且不完全破碎。在以低幅值冲击时常出现应变回弹，这种现象会随着冲击幅值与冲击次数的增加而减弱。每次等幅值冲击造成了岩石的峰值应力随冲击次数的增加而降低，应力应变曲线向右下方向移动。试件内部的初始状态本就含有微裂隙，在多次冲击载荷的作用下，试件原有的微裂隙拓展发育，使岩石抵抗破坏的能力减弱。

以60 mV与70 mV的入射幅值对试件进行2~3次循环冲击，获得了相应的应力-应变曲线与试件损伤情况。可以看出，冲击后试件均产生裂纹，但未完全破碎。在低幅值冲击时，常出现应变回弹现象，该现象随冲击幅值与冲击次数的增加而逐渐减弱。每次等幅值冲击导致岩石峰值应力随冲击次数增加而降低，应力-应变曲线整体“向右下方移动”。由于试件内部原本存在微裂隙，在多次冲击载荷作用下，这些微裂隙不断扩展与发育，从而削弱了岩石抵抗破坏的能力。

Fig. 4 60 mV与70 mV循环冲击2~3次的应力应变曲线

采用超声波法计算损伤变量，以表征冲击后岩石的损伤程度。在多次冲击载荷作用下，损伤逐渐累积，导致岩石抵抗破坏的能力降低，表现为纵波波速下降，损伤变量逐步增大。在相同冲击次数条件下，70 mV入射幅值所对应的损伤变量大于60 mV，表明较高的入射幅值会引起更显著的损伤程度。

冻融循环作用下孔隙度识别

层状岩体内部的微观孔隙发育情况通过核磁共振（NMR）技术进行识别，以获取岩石在冻融作用后的孔隙度变化。结果表明，孔隙的发育首先以小孔隙为主，随后逐渐向中、大孔隙拓展。从孔隙度分布来看，小孔孔隙占据主导地位，中孔次之，大孔孔隙度的占比最小。整体上，孔隙度呈增长趋势，但试件M70-2和M70-3的小孔孔隙度出现下降，这归因于岩石试件初始损伤程度较高，受冻融损伤影响更为显著。在小孔孔隙度下降的阶段，中、大孔隙的发育与扩展速度加快，导致其在总孔隙度中所占比例增大。

冻融循环作用下损伤规律分析

层状岩体的最终损伤程度受冲击载荷与冻融循环共同作用的影响。基于冲击试验与冻融试验后的损伤状态，可分析不同冲击幅值与冻融循环次数之间的关系。对计算得到的冲击损伤变量与冻融损伤变量进行拟合，结果显示其符合指数分布规律。根据在30、60和90次冻融循环中损伤变量的变化规律可知，冲击造成的初始损伤越大，冻融循环后的损伤变量也越高。

冲击入射幅值与冲击次数是促使微裂隙发育的主要因素。冲击后试件在不同程度的微裂隙扩展状态下进行冻融试验，水分渗入微孔隙中，经历冻结作用引起岩石微裂隙的进一步扩展。由于冲击损伤程度越高，岩石内部微裂纹越发育，从而加剧了冻融循环对岩石的劣化作用，导致冻融损伤程度升高。因此，冲击损伤能够有效加剧层状岩体的冻融损伤程度。

《金属矿山》简介

《金属矿山》由中钢集团马鞍山矿山研究总院股份有限公司和中国金属学会主办，主编为中国工程院王运敏院士，现为北大中文核心期刊、中国科技论文统计源期刊（中国科技核心期刊）、中国精品科技期刊（F5000顶尖学术论文来源期刊）、中国百强报刊、RCCSE中国核心学术期刊（A）、中国期刊方阵双百期刊、国家百种重点期刊、华东地区优秀期刊，被美国化学文摘（CA）、美国剑桥科学文摘（CSA）、波兰哥白尼索引（IC）、日本科学技术振兴机构数据库（JST）等世界著名数据库收录。主要刊登金属矿山采矿、矿物加工、机电与自动化、安全环保、矿山测量、地质勘探等领域具有重大学术价值或工程推广价值的研究成果，优先报道受到国家重大科研项目资助的高水平研究成果。根据科技部中国科技信息研究所发布的《2024中国科技期刊引证报告（核心版）》，《金属矿山》核心总被引频次位列26种矿业工程技术学科核心期刊第1位；根据中国知网发布的《中国学术期刊影响因子年报》（2024版），《金属矿山》学科影响力位居73种矿业期刊第9位。

供稿：曾文旭

编排：余思晨

审核：王小兵

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