循环荷载下不同角度平行裂缝砂岩的力学与破裂特性研究

为何以恰当角度切割岩石至关重要

在深部地下，煤层上方的岩体可能突然破裂并释放大量能量，引发危险的突发性岩石与瓦斯事故。为了提高采矿安全，工程师会在顶板上刻意开出预切缝，使其按可控方式破裂，而不是毫无预警地整体失稳。本研究提出了一个看似简单却关键的问题：应以何种角度进行这些人工切缝，才能促使顶板以安全且可预测的方式破坏？

试验用的岩样制备

研究者使用的为模拟煤层上方硬顶板的砂岩试块。每个试块中间开有两条狭窄且平行的裂缝，类似于微小的锯切痕。所测的裂缝与水平面的夹角有七种：从完全水平（0度），经15、30、45、60、75度，直到垂直（90度）。在将试块烘干以去除水分后，研究组将其置入一台可反复施压与卸载的液压试验机中，以模拟随采进展而变化的顶板受力节律。

模拟地下的推拉循环

为还原矿山实际工况，加载方式由两部分组成：代表随采进展而增大的背景载荷，以及代表周期扰动的快速上下循环。在每个循环中，应力由较低的“谷值”上升到较高的“峰值”后再下降，重复十次后再提升整体应力的基准水平。试验过程中，设备持续记录砂岩的应变响应，使研究人员不仅能判定最终破坏时刻，还能在数十个循环中追踪刚度、内部损伤与储能的演化。

角度如何影响强度、刚度与能量

裂缝夹角对力学行为有显著且非线性的影响。样品所能承受的最大应力并非随角度单调变化，而是先上升、再骤降、随后又回升。强度最低出现在45度，而最强是在裂缝垂直时。随着循环进行，所有样品在加载阶段均呈现逐步增刚的趋势，但增刚速率随角度不同，反映了内部孔隙与微裂缝的压实或扩展过程。同时，研究跟踪了两类能量：弹性能（在卸载时可释放）与塑性耗能（用于形成裂纹和不可逆变形）。在45度角时，同等循环次数下储存的弹性能与耗散的塑性能均低于其他角度，说明岩石在较小的变形与能量积累下即发生破坏。

从轻微张开裂缝到剧烈剪切破坏

观察可见裂缝的发展进一步解释了角度为何影响显著。当裂缝近乎水平时，岩体主要出现“张开”型裂缝，表现为拉伸主导的破坏。随着角度增大至约30度，张开与滑动裂缝并存并相互作用。在45度及以上，滑动（剪切）裂缝占主导，切割穿过试样并将裂缝相互连接或与边界相连。裂缝连接裂缝间的路径也发生变化：低角度时为直接的直穿连通，高角度则呈更间接、复杂的路线。这种在约45度处由拉伸主导向剪切主导的转变标志着破坏模式的分水岭。

岩体如何破碎成块

每次试验后，研究者将破碎的砂岩仔细筛分与称重，以统计不同碎块尺寸所占质量。在所有角度下，大部分质量仍集中在较大块体中，但粒径分布的细节存在差异。在30度和45度时，碎块尺寸的分布最为宽广，较小碎块在大块中占比更多。这种更宽的粒径范围表明裂缝更为密集且相互连通，将岩体切割成多种不同尺寸的碎片。在采矿工程中，这意味着在这些角度下，顶板更倾向于按时均匀塌落，而非以整块悬挂的方式存在。

对更安全煤矿开采的意义

综合力学、能量与碎裂证据，研究得出结论：在顶板上按约45度相对水平切开平行缝槽尤为有效。在该角度下，岩体形成以剪切为主的裂缝体系，在较小变形下发生破坏，并破碎成多样化的块度组合，有利于及时且均匀的塌落。实际工程中，这表明设计顶板切割方案时可将45度作为一个实用目标，以缓解覆盖砂岩的应力，减少采矿过程中突发岩石与瓦斯灾害的风险。

引用: Enbing, Y. Study on the mechanical and fracturing characteristics of parallel slit groove sandstone at different angles under cyclic loading and unloading. Sci Rep 16, 9778 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40476-9

关键词: 砂岩破裂, 循环荷载, 岩石力学, 煤矿顶板控制, 预切缝