本文转自：全国能源信息平台
创新点
（1）采用MTS815岩石力学试验系统对单裂隙灰岩试件进行不同围压和裂隙水压下的常规三轴压缩试验，与完整灰岩试件相比较，单裂隙灰岩试件的应力-应变曲线呈现出独特的双峰值性态：前高后低双峰型和前低后高双峰型，经历第一峰值点后，其承载结构的刚度明显下降；单裂隙灰岩的起裂、扩容和峰值强度随水压的增加存在明显的降低趋势，而随围压的增加显著提高。在相同围压和水压作用下，裂隙倾角α=75°的试件起裂、扩容和峰值强度最高，α=15°的试件次之，α=45°的试件最小。
（2）声发射监测结果表明，裂隙倾角和水压显著影响了单裂隙灰岩的岩石破裂过程中声发射信号变化规律。随着裂隙倾角的增大，裂隙起裂和稳定扩展阶段振铃计数变得越来越稀疏，相对于高水压下的声发射特性，在低水压作用下声发射信号更为强烈。
（3）基于试验结果，建立了水-力耦合用下单裂隙灰岩的压剪断裂判据,明确了压剪参数与裂隙倾角之间的关系，并发现破裂模式与|K
II
/K
II
/K
|也相应增加，压剪复合应力状态下岩石裂隙越趋向于剪切开裂，分析了双峰型应力－应变曲线的力学机制。
水-力耦合作用下单裂隙灰岩三轴压缩与声发射试验及压剪断裂模型
作者：赵延林
，刘强
1,2
，刘欢
，廖健
，常乐
，谭涛
，宋飞
单位：1.湖南科技大学 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室；2.湖南科技大学 资源环境与安全工程学院
背 景
高水压和高地应力的耦合作用是导致深部围岩失稳破坏的重要力源。水－力耦合作用下岩体强度特性的演化规律一直是矿山岩石力学的热点问题之一。为了从机制上获得水－力耦合作用下的岩体破坏特征，诸多学者从试验、理论和数值模拟多方面研究了水－力耦合作用下岩石（体）的破坏机制，并提出了相应裂隙扩展模式和断裂准则。
在许多情况下工程岩体的断裂是一种压剪复合断裂。针对复合型裂隙断裂机制进行了大量的研究，建立了相应的复合型断裂准则，包括最大周向应力准则、最大能量释放率准则和最小应变能准则，但这些准则大多是以金属裂纹张拉失稳扩展为前提建立起来的。然而岩体工程大多数处于多向压应力状态，属于压剪断裂。目前已经建立了一些岩石压剪断裂准则，如周群力等从试验出发，构建了岩石压剪断裂经验准则，该判据考虑了法向压力对剪切裂纹扩展的遏制作用。李建林等将裂纹尖端平均应力代入Hoek-Brown准则中建立了压剪断裂等效判据。BOBET和EINSTEIN应用最大剪应力准则判断剪切破坏，但没有考虑剪切强度与正应力之间的关系。唐世斌等基于莫尔－库仑准则推导了水压诱发裂缝拉伸与剪切破裂的理论模型。
上述研究成果为揭示水－力耦合作用下岩石破裂行为和机理奠定了基础。但目前对于水－力耦合作用下含裂隙岩石试件的应力－应变特性，起裂、扩容和峰值强度的变化规律，以及相关的声发射特性的系统研究仍不够，尤其是对于水－力耦合作用下岩石压剪断裂机制还不清楚。
摘 要
深部煤炭资源开采面临着高渗透压和高应力耦合作用的地质环境，水-力耦合作用下裂隙岩体力学行为及破裂特征研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律有重要意义。通过在灰岩标准圆柱体试件中部预制裂隙形成单裂隙灰岩试件，采用MTS815岩石力学试验系统和PCI-2声发射监测仪，对单裂隙灰岩试件进行不同围压和裂隙水压下的常规三轴压缩试验和破裂过程的声发射监测，其中预制裂隙倾角设置分别为15°、45° 和75°三种不同产状，围压分别设为10，15，20和25 MPa共4个系列，裂隙水压分别设置为0，2，4，6，8 MPa 的5种工况。
试验结果表明:与完整灰岩试件相比较，单裂隙灰岩试件的应力-应变曲线呈现出独特的双峰值性态：前高后低双峰型和前低后高双峰型，经历第1峰值点后，其承载结构的刚度明显下降；单裂隙灰岩的起裂、扩容和峰值强度随水压的增加存在明显的降低趋势，而随围压的增加显著提高。
在相同围压和水压作用下，裂隙倾角α=75°的试件起裂、扩容和峰值强度最高，α=15°的试件次之，α=45°的试件最小；裂隙倾角和水压显著影响了单裂隙灰岩的岩石破裂过程中声发射信号变化规律。随着裂隙倾角的增大，裂隙起裂和稳定扩展阶段振铃计数变得越来越稀疏，相对于高水压下的声发射特性，在低水压作用下声发射信号更为强烈。 基于试验结果建立了水-力耦合用下单裂隙灰岩的压剪断裂判据,明确了压剪参数与裂隙倾角之间的关系，并发现破裂模式与|K
/K
/K
|也相应增加，压剪复合应力状态下岩石裂隙越趋向于剪切开裂。
图 片
单裂隙灰岩试件
MTS815岩石力学试验系统和声发射布置
完整灰岩试件的偏应力-应变曲线与破裂试件示意
单裂隙灰岩代表性试件的偏应力-应变曲线
偏应力-应变曲线的分类示意
峰值强度σ
与水压P之间的关系曲线
峰值强度σ
与裂隙倾角α之间的关系曲线（σ
=20MPa）
=20MPa）
代表性应力-应变曲线及起裂应力和扩容应力的确定（以单峰型为例）
起裂应力σ
ci
与水压Ｐ之间的关系曲线
ci
/σ
，σ
/σ
与裂隙倾角α之间的关系曲线
水-力耦合作用下倾斜张开裂隙受力示意
压剪岩石裂隙尖端K
和K
之间的关系
压剪参数λ
1,2
与裂隙倾角α之间的关系
压剪岩石裂隙尖端K
随水压Ｐ的变化规律
部分试件破裂模式
|K
/K
|随裂隙倾角α的变化规律
第一作者简介
赵延林，男，1973年11月出生，湖南湘潭人，博士，湖南科技大学教授，博士生导师，湖南科技大学资源环境与安全工程学院副院长，美国亚利桑那大学访问学者，湖南省普通高校青年骨干教师，湘潭市优秀专家，湖南省优秀博士学位论文获得者，湖南科技大学湘江学者，湖南省岩石力学与工程学会理事，科技部国家技术预测专家，湖南省优秀硕士论文指导老师，国际SCI期刊《Frontiers in Earth Science》和《Geofluids》客座主编，入选“矿业工程”领域 2020 年度爱思唯尔高被引中国学者和全球前2%顶尖科学家榜单。
研究方向
岩石力学与岩层控制、深部采动岩体的多场耦合理论与工程响应研究
主要成果
主要从事岩石力学与岩层控制、深部采动岩体多场耦合理论与工程响应等方面的研究。以第一或通讯作者在《International Journalof Rock Mechanics and Mining Sciences》《Rock Mechanics and Rock Engineering》《煤炭学报》等重要学术期刊上发表100余篇学术论文，其中以第一作者被SCI 、Ei收录80余篇，国际TOP期刊论文6篇，入选全球前1% ESI高被引论文9篇，热点论文4篇，F5000领跑者5000-中国精品科技期刊顶尖论文1篇，中国岩石力学与工程学会2019年度优秀论文-陈宗基奖1篇，出版专著2部，获湖南省自然科学二等奖、科技进步二等奖和绿色矿山科学技术一等奖、中国煤炭工业协会科学技术二等奖等省部级以上奖励6项。已授权发明专利 20 余项，软件著作权3项。先后主持国家自然科学基金项目2项，以及省部级和企业合作等科学研究项目20余项，作为研究骨干参与国家973计划项目和国家自然科学基金重点项目。
第二作者简介
刘强，男，湖南沅江人，1994年1月出生，博士研究生，主要研究方向为岩石力学与岩层控制、岩石断裂力学等，已在国内外刊物上发表论文6篇，其中SCI、EI收录5篇，授权专利2项，《Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics 》《Tunnelling and Underground Space Technology》《Building and Environment》等期刊的审稿人。
赵延林，刘强，刘欢，等．水－力耦合作用下单裂隙灰岩三轴压缩与声发射试验及压剪断裂模型[J]．煤炭学报，2021，46（12）：3855-3868.