在动静组合载荷岩石破碎多功能试验机[20]上(见图1)，以脆性岩石(花岗岩)为研究对象进行纯冲击载荷、纯静载荷以及动静组合载荷破岩试验。试验加载原理如图2所示，通过2个不同加载装置分别对刀具施加垂直静载荷、冲击载荷，岩石受垂直压力Fs、冲击力Fd和动静组合载荷Fs+D的作用而
致裂破碎。运用美国物理声学公司生产的AEwin—usB声发射系统采集岩石破碎过程中声发射数据，选用锥形硬质台金钻头作为试验刀具。岩石物理力学参数如表1所示。试验中加载载荷为：静载荷分别为1 200，2100和3300N；冲击载荷的冲击能分别为48，63和78 J。在冲击凿入花岗岩中，冲击能为48 J时的应变波形如图3所示。实验室内无噪声源影响。
2．2试验步骤
(1)试验前用砂轮机将岩石试样表面打甲磨光，待试样平整度符合要求后将其放在试验平台上，在台面与试样之间放置不同规格的钢架以随时调整试样高度。
(2)设置试验参数：采用近似正弦波作为冲击加载波形。
(3)将声发射探头安装在试样上，做好探头与试样间的黏结、润滑。
(4)检查整个采集系统连通状况，确保系统连接良好，可以进行数据采集。开启检测系统，并在电脑端软件设置好声发射仪的各项参数，准备进行试验。
(5)施加预定轴向静载荷，并记录对应的轴向载荷的声发射信号。
(6)静载加到预定值，停止声发射数据的采集，数据存盘后，重新启动声发射仪，等待触发。
(7)施加预定冲击载荷，采集声发射和应力数据，并保存存盘。
(8)试验完成后，采用橡皮泥和量杯测量岩石破碎体积，计算破岩比能。
3 声发射试验结果分析
采集的声发射指标有声发射能量、累积能量、声发射计数和累积计数等。选取试验完成后总的声发射能量为破岩特征参数。试验结果如图4所示。需要说明的是，图4中声发射累计能量并不是岩石破碎时释放的绝对能量，而是声发射监测系统处理后的相对能量，为量纲一的量。
由图4可以看出，脆性岩石受组合载荷作用所释放的声发射累计能量大于纯静载或动载破岩时的声发射累计能量。当静载荷一定时，岩石破碎释放的声发射能量随动载冲击能(一定范围内)的增加而增加，当冲击能增加到一定值后声发射累计能量增加不明显。当冲击载荷恒定时，岩石破碎释放的声发射累计能量随静载荷(一定范围内)的增大而增加。在静载荷达到一定的值后，声发射能量增加缓慢甚至有所下降。这说明存在一个合理的动静载组合，可使组合载荷破岩释放声发射累计能量达到最大值。
4 破岩效果试验结果分析
试验结束后，以破岩体积以及破岩比能来综合衡量破岩效果。各种加载模式下花岗岩的破碎体积和破岩比能如表2所示。动静组合载荷破碎花岗岩的体积和比能随冲击能或静载的变化曲线如图5所示。
由图5可以看出：
(1)组合载荷破碎脆性岩石时，其破碎体积随动载冲击能的增大而逐步增加。冲击能越大，对破岩越有利。破岩比能则随冲击能(一定范围内)的增加而下降。当冲击能增加到一定值以后，破岩比能降低缓慢甚至略有增加。说明冲击能在提高组合载荷破岩效能方面并不是越大越好。
(2)随静载荷的增加，脆性岩石破碎体积逐步增加，但当静载荷加大到一定值后，其破岩体积增加不明显。破岩比能则随静载的增加而逐渐降低。当静载荷值达到2 100N后，冲击能达到63 J时破岩比能又有所上升。说明适当增加静载荷可提高破岩效果，但是静载荷过大，破岩效果将不会有很大的提高。因此，组合载荷作用下脆性岩石的破碎在～定的加载范围内存在一个最佳静载荷值。
(3)组合载荷能大幅度提高破岩效果，在破碎体积和破岩比能方面比纯动载荷或纯静载荷具有明显优势。不同的冲击能和静载荷作用下存在不同的破岩比能，合理的冲击能、静载荷参数组合r本试验中为2 100 N+63 J)可使破岩比能最小而破碎效果达到最优。这一结论对于深部矿山和隧道工程中提高破岩效率和减少能耗具有重要的指导意义。
5 岩石破碎声发射能量与破碎体积相关性分析
对比图4和5(a)，5(c)可以发现，动静组合载荷破岩声发射总能量随静载或冲击能变化曲线与岩石破碎体积变化曲线趋势大致相同，说明岩石破碎时声发射能量与岩石破碎体积存在一定的相关性，将每次试验得到的岩石破碎体积与声发射累计能量进行线性拟合，得到两者之间的关系如图6所示。由图6可以看出，在不同加载模式下，岩石破碎体积与其声发射总能量存在不同的对应关系，以％．，％和阡，s+D分别表示动载、静载以及动静组合载荷破碎单位体积岩石释放的声发射累计能量，则有W D<W S+D<Ws。这说明岩石破碎时释放的声发射累计能量与加载模式、破碎体积具有密切相关性。
6 结论
(1)岩石破裂时始终伴随着声发射活动。声发射活动包含着岩石变化的丰富信息，以岩石破裂时声发射情况来分析、判断不同加载模式下的岩石破碎效果是可行的。
(2)冲击载荷和静载荷组合加载较纯动载或纯静载能大幅提高破岩效果，而且在一定范围内增大冲击能或静载可提高组合载荷破岩效果。
(3)组合载荷在破岩体积和能耗方面比纯动载或纯静载具有明显优势。组合载荷破岩体积在一定范围内随冲击能或静载的增加而增大，比能则减小。低于该加载范围则破岩效果不佳，反之，若超过该加载范围则破岩效果提高不明显。在组合加载范围内存在一个最优组合可使破岩体积最大、破岩比能最小。
(4)脆性岩石破碎时释放出的声发射能量与破岩加载模式、破碎体积具有密切相关性。不同加载模式下的相关关系各不相同。动载荷、动静组合载荷以及静载荷破碎单位体积岩石释放的声发射累计能量关系为W D<W S+D<Ws。
赵伏军1～2，王宏宇1，彭云1，王国举1
(1．湖南科技大学能源与安全工程学院，湖南湘潭41120l；2．湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室．湖南湘潭411201)
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