Page 25 - 《爆炸与冲击》2025年第6期

第 45 卷 单仁亮，等： 深部岩体结构面动力特性与致灾效应研究进展 第 6 期

有深远影响。在深部复杂应力环境下，结构面的动力学行为及其与周围岩体的耦合作用可能引发一系
列动力灾害，如岩爆、冲击地压等。这不仅威胁工程安全，也增加了风险控制的难度。因此，研究深部含
结构面岩体的动力学特性，揭示其在动态荷载作用下的失稳机理，进而提出有效的灾害防控措施，是深
[1]
部工程领域的核心科学问题 。
深部岩体的力学特性和稳定性往往受岩体结构面性质影响较大，结构面会使其物理力学性能表现
为各向异性，而深部岩体的结构面的力学特性会受到地应力与开采扰动的耦合作用，易出现冲击地压等
巷道动力灾害 [2-3] ，如甘肃省金川二矿（1 000～2 000 m）在开采深部矿体的过程中，由于埋藏深度增加，地
应力逐渐增大，导致巷道变形加剧，岩爆频发，特别是在断层和节理发育的区域，围岩强烈破坏；黑龙江
双鸭山煤矿在深部开采过程中（1 600 m），巷道内多次发生岩爆，导致支护系统局部损坏和工作面坍塌。
深部岩体复杂的应力环境对煤矿安全开采提出了更高的要求。
综上，本文中针对深部含结构面岩体的动力学特性问题，将其分为 3 部分进行归纳，总结深部含结
构面岩体在复杂应力环境中的动力学特性，阐述深部含结构面岩体动力灾害的诱发机制及防治手段。

1 岩体结构面动力特性研究进展

结构面的动力特性直接影响岩体在动力荷载下的响应行为。力学响应是一个综合的表征，涉及材
料或结构在外力作用下的全部反应，包括变形、应力和破坏等方面。已有研究主要集中在结构面的剪切
滑移、动态摩擦特性及其在地震、爆破等动力荷载作用下的力学响应。结构面的动力行为与其静力特性
存在显著不同，特别是在高应力环境下，结构面表现出显著的非线性和速率效应。

1.1 结构面的动剪切特性
在动态荷载（如地震、爆破、冲击等）的作用下，结构面的剪切滑移行为直接影响岩体的动力响应。
与静态条件下不同，动态荷载引起的剪切滑移不仅依赖结构面的初始摩擦特性，还受控于加载速率、荷
载幅值、频率等动态参数。研究表明，随着加载速率的升高，结构面的剪切强度通常会提高，这种现象被
[4]
称为速率效应。周子龙等 通过实验研究了不同剪切速率下结构面的力学行为，发现随着剪切加载速率
的升高，峰值位移呈现线性上升的趋势；而加载速率的变化显著影响峰值后的应变软化阶段，随着加载
速率的升高，应变软化阶段的应力下降速率先增大后减小。Shu 等 [5] 通过分离式霍普金森压杆（split
Hopkinson pressure bar，SHPB）实验，研究了完整岩石样本和包含单个光滑节理样本在不同加载速率下的
动态峰值应力和破坏模式，发现加载速率与峰值应力线性相关。动态荷载幅值和频率对滑移行为有着
复杂的影响。高幅值的荷载往往会产生更大的剪切应力，增加滑移的可能性，而高频率的荷载可能导致
结构面处的应力不断积累并频繁滑移。研究表明，高频动态荷载容易诱发细小的滑移，而低频、高幅值
的荷载更容易导致显著的滑移和失稳。法向应力的大小直接影响结构面的摩擦强度和滑移难度。较高
的法向应力会提高结构面的闭合程度，提升摩擦强度，从而抑制滑移行为 。
[6]
在结构面动力学特性研究中，动态摩擦特性是一个关键问题。动态摩擦是指在动荷载或滑移过程
中，接触面上的摩擦阻力随滑移速度、接触压力、材料属性等因素变化的特性。结构面的摩擦行为不仅
与其材料性质、表面粗糙度相关，还受到动态加载条件的显著影响 。在动态加载下，摩擦因数往往表现
[7]
出显著的速率效应，通常摩擦因数会随滑移速率的增大而减小。粗糙度会显著改变结构面的动摩擦因
数，粗糙的结构面在动态荷载下会表现出更高的动态摩擦阻力，从而延缓滑移的发生，提高岩体的稳定
性。张磊等 通过 SHPB 实验研究了冲击荷载作用下岩体粗糙结构面的动摩擦特性，建立了描述岩石界
[8]
[9]
面粗糙形态动力学演化的方法。但在动态荷载下，高粗糙度会导致局部应力集中 ，可能出现更突然的
滑移现象，从而增大结构面破坏的可能性。
Zhang 等 [10] 通过施加不同的法向应力观测了结构面的动态摩擦响应，结果表明，黏滑振动的幅值和
频率与摩擦因数和法向力的变化有关，而摩擦因数和法向力的变化受接触面粗糙度的影响，这种行为可
以用黏滑效应解释。黏滑效应是指结构面在持续剪切过程中表现出的周期性滑移和停滞，这种现象在
地震断层滑移和岩体动力失稳中尤为常见，对于黏滑效应的研究不仅有助于理解受动态荷载影响下断

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