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第12期 郭臣业等：重力场条件下砂岩突出倾向性 ,1489 层，原因在于砂岩中只有游离瓦斯而无吸附瓦斯 线性科学的发展，一些学者尝试由单因素理论转向 一些学者[-]认为，砂岩具有储存二氧化碳气体的 用综合因素理论、非线性理论解释冲击地压机理，并 优良特性，这种特性会影响岩石和瓦斯突出的强度， 取得了一些成果).我国学者李玉生在强度准 据文献[2]报道，永川煤矿一350m水平钻孔中测定 则、能量准则和冲击倾向性准则的基础上，提出了 的（煤层及围岩综合）瓦斯压力为5.2MPa,岩石瓦 “三准则”理论，该理论认为强度准则是煤岩体破坏 斯含量为2.33~3.70m3t1,这与发生煤与瓦斯突 准则，能量准则和冲击倾向性准则是突然破坏（喷 出的煤层相比是较小的， 出)准则，只有当这三个准则同时满足时，冲击地压 1.3砂岩的变形特性与声发射的关系 才会发生.有资料表明③]，地下岩体受到工程扰动 砂岩的单轴压缩应力应变曲线见图2，砂岩在 时局部岩体在高的应力下达到极限平衡状态或被破 单轴压缩破坏过程中声发射特征见图3. 坏，形成了突出的先导条件，突出强度的大小则取 70 决于岩石自身的冲击倾向性及其积蓄的弹性能，砂 60 岩突出发动过程与“三准则”理论在过程上具有一致 50 40 性，因此本文尝试用“三准则”理论来研究砂岩突出 30 倾向性 20 2.1砂岩突出倾向性判据 2.1.1能量判据 0.00050.00100.00150.00200.00250.0030 砂岩能量判据可表示为： W≥W。e (1) 图2砂岩单轴压缩应小一应变全过程曲线 式中，W。指砂岩弹性应变能密度临界值， Fig.2 Stress"strain curve of sandstone under uniaxial compression 在外力作用下积蓄于砂岩内部的弹性应变能密 度： 900 60 W=[(+2+3)-2(o12+13+23)]/2E 700 50 (2) 40 式中，o1、o2和o3为地应力场的主应力，MPa;1、2 500 和3分别为主应力对应的应变 300 工程岩体是在多轴应力状态下破坏的，破坏所 10 100 需能量（设为W1)变化很大，难以精确计算W1的 100 200 400 值，在实际发生冲击地压时，工程岩体有一个临空 s 面，岩体处于近似二维状态14，即作平面应变（或平 图3砂岩单轴压缩过程声发射撞击数轴向力时间曲线 面应力)处理，临空面在平面应变条件下的应变状 Fig.3 Hits stress time curves of sandstone under uniaxial compres- 态如图4所示，其中2的方向为刚性约束方向，3 sion 的方向为临空面的方向，而©的方向为受载变形的 从图2可以看出，永川砂岩的杨氏模量、强度一 方向，因为3方向无载荷不会产生应变，2方向受 般较低，且具脆性性质，塑性变形不明显，这种性质 刚性约束其视应变2为零，于是由弹性力学可得到 的岩石在不能缓慢释放能量时易发生岩石动力现 3方向的视应变3为3=一(1十)1，一个单元 象，图3的实验表明砂岩破坏时，AE(声发射)振铃 岩体，当纵向加载，左右刚性约束后，其应变只发 数在峰值强度时达到最高值，在复杂应力条件下， 生在、3方向，所以是平面应变问题，而且此时发 当侧向应力很高时，这种岩石的深部巷道围岩易发 生的是拉应变，产生的是拉应力，这时作用在此单 生脆性延性转化，这种转化进行到一定程度时就 元体上的应力为，吃=和拉应力= 会出现局部或区域失稳现象，为突出发生提供条件， -(1+)1. 对于有临空面的情况，当平面应变时，在重力场 2砂岩突出倾向性研究 中，令=Yh(Y为地应力梯度，MPam1),则有 描述煤岩体冲击现象的理论模型较多9山]，但 或=h和=一(1十)Yh.根据表1的实验结 都有其局限性和适应性，随着研究的深入和现代非 果，这里取E=27.3GPa、μ=0.153、Y=0.02761层原因在于砂岩中只有游离瓦斯而无吸附瓦斯． 一些学者［7－8］认为砂岩具有储存二氧化碳气体的 优良特性这种特性会影响岩石和瓦斯突出的强度． 据文献［2］报道永川煤矿－350m 水平钻孔中测定 的（煤层及围岩综合）瓦斯压力为5∙2MPa岩石瓦 斯含量为2∙33～3∙70m 3·t －1这与发生煤与瓦斯突 出的煤层相比是较小的． 1∙3 砂岩的变形特性与声发射的关系 砂岩的单轴压缩应力－应变曲线见图2砂岩在 单轴压缩破坏过程中声发射特征见图3． 图2 砂岩单轴压缩应力－应变全过程曲线 Fig．2 Stress-strain curve of sandstone under uniaxial compression 图3 砂岩单轴压缩过程声发射撞击数－轴向力－时间曲线 Fig．3 Hits-stress-time curves of sandstone under uniaxial compression 从图2可以看出永川砂岩的杨氏模量、强度一 般较低且具脆性性质塑性变形不明显这种性质 的岩石在不能缓慢释放能量时易发生岩石动力现 象．图3的实验表明砂岩破坏时AE（声发射）振铃 数在峰值强度时达到最高值．在复杂应力条件下 当侧向应力很高时这种岩石的深部巷道围岩易发 生脆性－延性转化．这种转化进行到一定程度时就 会出现局部或区域失稳现象为突出发生提供条件． 2 砂岩突出倾向性研究 描述煤岩体冲击现象的理论模型较多［9－11］但 都有其局限性和适应性．随着研究的深入和现代非 线性科学的发展一些学者尝试由单因素理论转向 用综合因素理论、非线性理论解释冲击地压机理并 取得了一些成果［12－13］．我国学者李玉生在强度准 则、能量准则和冲击倾向性准则的基础上提出了 “三准则”理论．该理论认为强度准则是煤岩体破坏 准则能量准则和冲击倾向性准则是突然破坏（喷 出）准则只有当这三个准则同时满足时冲击地压 才会发生．有资料表明［3］地下岩体受到工程扰动 时局部岩体在高的应力下达到极限平衡状态或被破 坏形成了突出的先导条件．突出强度的大小则取 决于岩石自身的冲击倾向性及其积蓄的弹性能．砂 岩突出发动过程与“三准则”理论在过程上具有一致 性因此本文尝试用“三准则”理论来研究砂岩突出 倾向性． 2∙1 砂岩突出倾向性判据 2∙1∙1 能量判据 砂岩能量判据可表示为： W≥ Wc （1） 式中Wc 指砂岩弹性应变能密度临界值． 在外力作用下积蓄于砂岩内部的弹性应变能密 度： W＝［（σ2 1＋σ2 2＋σ2 3）－2μ（σ1σ2＋σ1σ3＋σ2σ3）］／2E （2） 式中σ1、σ2 和 σ3 为地应力场的主应力MPa；ε1、ε2 和ε3 分别为主应力对应的应变． 工程岩体是在多轴应力状态下破坏的破坏所 需能量（设为 W1）变化很大难以精确计算 W1 的 值．在实际发生冲击地压时工程岩体有一个临空 面岩体处于近似二维状态［14］即作平面应变（或平 面应力）处理．临空面在平面应变条件下的应变状 态如图4所示其中 ε2 的方向为刚性约束方向ε3 的方向为临空面的方向而ε1 的方向为受载变形的 方向．因为ε3 方向无载荷不会产生应变ε2 方向受 刚性约束其视应变ε2 为零于是由弹性力学可得到 ε3 方向的视应变ε3 为ε3＝－μ（1＋μ）ε1．一个单元 岩体当纵向加载 σc 1左右刚性约束后其应变只发 生在ε1、ε3 方向所以是平面应变问题而且此时发 生的是拉应变产生的是拉应力．这时作用在此单 元体 上 的 应 力 为 σc 1σc 2 ＝ μσc 1 和 拉 应 力 σc 3＝ －μ（1＋μ）σc 1． 对于有临空面的情况当平面应变时在重力场 中令 σc 1＝γh（γ为地应力梯度MPa·m －1）则有 σc 2＝μγh 和σc 3＝－μ（1＋μ）γh．根据表1的实验结 果这里取 E＝27∙3GPa、μ＝0∙153、γ＝0∙02761 第12期 郭臣业等： 重力场条件下砂岩突出倾向性 ·1489·