層狀巖體作為自然界中常見的地質體，分布廣泛且十分普遍。處于寒冷環境下且具有層理構造的礦山在開采過程中，常同時受到沖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。目前，關于層狀巖體在凍融循環條件下的損傷研究，多基于凍融后巖石力學性質與孔隙度變化來表征凍融作用對巖石的損傷程度。與“先凍融后沖擊”的巖石損傷研究不同，針對“先沖擊后凍融”的研究，旨在探討沖擊損傷對巖石凍融劣化過程的促進作用。在存在前期沖擊損傷的工程區域，凍融循環的損傷作用會進一步削弱礦山的巖體穩定性。因此，針對沖擊后受損層狀巖體開展凍融損傷研究，對含層狀巖體的寒區礦山預防地質災害具有重要的意義。

已有不少學者以層狀巖體為研究對象，針對其在沖擊載荷作用下的巖石力學特性開展了大量工作。在系統總結前人研究成果的基礎上，華北理工大學張亞賓教授團隊聚焦于礦山開采過程中形成的、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作為變量，對沖擊后未完全破碎的試件進行凍融循環試驗，并借助核磁共振技術（NMR）進行測試，從而揭示其凍融損傷演化規律。

Fig.1 試驗流程及設備

基于SHPB的層狀巖體沖擊試驗

為在層狀巖體中預制沖擊裂縫，開展了不同入射幅值下的單軸沖擊試驗，以研究入射幅值對巖體破碎程度的影響，并據此選取合適的沖擊幅值。試驗選取層狀大理巖試件，分別采用60、70、80和90 mV的入射幅值進行單軸沖擊，獲取了相應的應力-應變曲線與試件損傷形態。試驗結果表明：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，試件產生裂紋但未完全破碎；而入射幅值達到80 mV及以上時，試件均發生破碎。因此，可選取60 mV與70 mV的沖擊入射幅值用于后續的循環沖擊損傷試驗。

Fig. 2 單次沖擊層狀巖體的應力應變曲線

Fig. 3 沖擊后巖石試件破壞程度

低幅值下循環沖擊損傷試驗及損傷規律

以60 mV與70 mV的入射幅值進行循環沖擊2~3次，得到了應力應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。在以低幅值沖擊時常出現應變回彈，這種現象會隨著沖擊幅值與沖擊次數的增加而減弱。每次等幅值沖擊造成了巖石的峰值應力隨沖擊次數的增加而降低，應力應變曲線向右下方向移動。試件內部的初始狀態本就含有微裂隙，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的入射幅值對試件進行2~3次循環沖擊，獲得了相應的應力-應變曲線與試件損傷情況。可以看出，沖擊后試件均產生裂紋，但未完全破碎。在低幅值沖擊時，常出現應變回彈現象，該現象隨沖擊幅值與沖擊次數的增加而逐漸減弱。每次等幅值沖擊導致巖石峰值應力隨沖擊次數增加而降低，應力-應變曲線整體“向右下方移動”。由于試件內部原本存在微裂隙，在多次沖擊載荷作用下，這些微裂隙不斷擴展與發育，從而削弱了巖石抵抗破壞的能力。

Fig. 4 60 mV與70 mV循環沖擊2~3次的應力應變曲線

采用超聲波法計算損傷變量，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，導致巖石抵抗破壞的能力降低，表現為縱波波速下降，損傷變量逐步增大。在相同沖擊次數條件下，70 mV入射幅值所對應的損傷變量大于60 mV，表明較高的入射幅值會引起更顯著的損傷程度。

凍融循環作用下孔隙度識別

層狀巖體內部的微觀孔隙發育情況通過核磁共振（NMR）技術進行識別，以獲取巖石在凍融作用后的孔隙度變化。結果表明，孔隙的發育首先以小孔隙為主，隨后逐漸向中、大孔隙拓展。從孔隙度分布來看，小孔孔隙占據主導地位，中孔次之，大孔孔隙度的占比最小。整體上，孔隙度呈增長趨勢，但試件M70-2和M70-3的小孔孔隙度出現下降，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、大孔隙的發育與擴展速度加快，導致其在總孔隙度中所占比例增大。

凍融循環作用下損傷規律分析

層狀巖體的最終損傷程度受沖擊載荷與凍融循環共同作用的影響。基于沖擊試驗與凍融試驗后的損傷狀態，可分析不同沖擊幅值與凍融循環次數之間的關系。對計算得到的沖擊損傷變量與凍融損傷變量進行擬合，結果顯示其符合指數分布規律。根據在30、60和90次凍融循環中損傷變量的變化規律可知，沖擊造成的初始損傷越大，凍融循環后的損傷變量也越高。

沖擊入射幅值與沖擊次數是促使微裂隙發育的主要因素。沖擊后試件在不同程度的微裂隙擴展狀態下進行凍融試驗，水分滲入微孔隙中，經歷凍結作用引起巖石微裂隙的進一步擴展。由于沖擊損傷程度越高，巖石內部微裂紋越發育，從而加劇了凍融循環對巖石的劣化作用，導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》簡介

《金屬礦山》由中鋼集團馬鞍山礦山研究總院股份有限公司和中國金屬學會主辦，主編為中國工程院王運敏院士，現為北大中文核心期刊、中國科技論文統計源期刊（中國科技核心期刊）、中國精品科技期刊（F5000頂尖學術論文來源期刊）、中國百強報刊、RCCSE中國核心學術期刊（A）、中國期刊方陣雙百期刊、國家百種重點期刊、華東地區優秀期刊，被美國化學文摘（CA）、美國劍橋科學文摘（CSA）、波蘭哥白尼索引（IC）、日本科學技術振興機構數據庫（JST）等世界著名數據庫收錄。主要刊登金屬礦山采礦、礦物加工、機電與自動化、安全環保、礦山測量、地質勘探等領域具有重大學術價值或工程推廣價值的研究成果，優先報道受到國家重大科研項目資助的高水平研究成果。根據科技部中國科技信息研究所發布的《2024中國科技期刊引證報告（核心版）》，《金屬礦山》核心總被引頻次位列26種礦業工程技術學科核心期刊第1位；根據中國知網發布的《中國學術期刊影響因子年報》（2024版），《金屬礦山》學科影響力位居73種礦業期刊第9位。

供稿：曾文旭

編排：余思晨

審核：王小兵

利用提供參考依據。

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