摘要

脆性是岩石材料的一种内在力学性质，它在脆性压裂的表征中起着重要的作用，如何对其进行适当的量化一直是人们关注的问题。各种岩石类型的脆性指数(BIs)已经建立起来，并得到了广泛的工程应用。其中，冲击倾向性评价作为地下开采中的一项严峻挑战，受到了广泛关注。随着冲击倾向性指数(BLIs)的发展，人们提出了各种冲击倾向性指数(BLIs)来具体评价煤的冲击现象。尽管名称不同，但原则上BI和BLI都旨在评估不同岩石的不同应用的爆裂脆性水平。在这项研究中，讨论了冲击和脆性的原理，然后发展了一种新的所谓的冲击脆性比(BBR)，以评估岩石类型的相对冲击脆性，而不考虑其应用。为了做到这一点，提议的BBR由点载荷测试(PLT)控制，这比在BI估计中使用的其他岩石测试方法(如直接或间接拉伸测试)具有显著优势。为了检验所建议比率的适用性，从不同的地质来源中选择了三种不同的岩石类型，包括煤、花岗岩和砂岩，并在单轴压缩、间接拉伸巴西和点加载下进行了测试。利用高速成像技术和声发射(AE)来表征试样的开裂过程(如剪切或拉伸破坏)，并实时监测试样在不同加载条件下的破坏行为。结果数据显示，煤样强度损失的严重程度明显高于其他岩石类型，特别是在单轴压缩下，证实了所提出的BBR的有效性。

1 介绍

在岩石工程中，获取岩石材料的真实强度特性一直是一个长期的挑战，特别是在高脆性岩石中，在这种岩石中，预计会出现复杂的剪切和拉伸混合模式。“脆性”一词被解释为坚硬但容易破裂(Stevenson 2010)，岩石中的脆性破坏是指在变形小于3-5%的情况下发生破坏(Bates and Jackson 1984;Neuendorf 2005)。脆性可以被描述为缺乏延性，延性是指材料承受大塑性变形而不破裂的能力(Hetenyi 1950)。基于各种方法和岩石性质，已经进行了大量的努力来开发定量脆性指数(BI)。Protodyakonov(1962)和Bishop(1967)进行了早期的尝试，他们主要基于单轴抗压强度(UCS)以及峰值强度和残余强度来量化脆性。后来，更多的BIs是基于强度参数开发的，这些参数高度依赖于UCS和拉伸强度(TS) (Hucka和Das 1974;Altindag 2003;Yagiz 2009;Dursun and Gokay 2016)。一些岩石力学性质，如泊松比和弹性模量，在BIs公式中经常使用(Andreev 1995;Rickman et al. 2008;Sun et al. 2013;Luan et al. 2014;Guo et al. 2015)。根据岩石材料中矿物质的重量，已经提出了一些BIs (Jarvie等人，2007;Wang and Gale 2009;Jin et al. 2015;Shi et al. 2017)。此外，应力-应变曲线中能量段的各种比率，包括弹性应变和断裂能，已被用于引入基于能量的BIs (Hucka和Das 1974;Tarasov and Potvin 2013;Munoz et al. 2016b;Li et al. 2019)。其他一些BIs是根据其他岩石特性开发的，这些特性可以通过特定的测试方法获得，例如硬度(Hucka and Das 1974)和冲孔穿透(Yagiz 2009)测试。然而，还没有引入基于点负载测试的通用多功能性。

许多岩石工程项目都与精确估计岩石脆性紧密相关，包括评估岩爆倾向性(Wang and Park 2001;hajibdolmajid and Kaiser 2003;Gong et al. 2020)、水力压裂与测井(Wang and Gale 2009;Jin et al. 2015;Rybacki et al. 2016;Zhang et al. 2016;Feng et . 2020)，地面控制(hajibdolmajid and Kaiser 2003;Tarasov和Potvin 2013)，以及岩石可切削性和可钻性(Altindag 2002,2003;Kahraman 2002;龚和赵2007;Yagiz 2008)。在这些情况下，评估冲击条件下岩石的脆性破裂机制一直是地下硬岩和煤矿开采的长期挑战(Singh 1989;Feng et al. 2015;Zhang et al. 2017;Zhou et al. 2018;Wang et al. 2020)。因此，冲击地压引起了人们的广泛关注，并发展了几种所谓的冲击倾向性指数(BLIs)来评价冲击地压倾向性。bli特别侧重于测量UCS(或Rc)、应变能量存储指数(WET)、破裂能量指数(KE)和动态破裂持续时间(DT) (Kidybiński 1981;Gong et al. 2019, 2022)。

尽管对脆性进行了大量的估计和量化，但在脆性或脆性指数的定义和测量方面，学者和实践者仍然缺乏普遍的共识。因此，到目前为止，已有超过90种不同的BIs被提出用于评估不同岩石在各种应用中的脆性。如前所述，UCS在建议的脆性和冲击指标中起着重要作用，并且在广泛的岩石工程设计方法中充当关键参数。UCS测量的测试程序已由国际岩石力学学会(ISRM 1979)和美国测试与材料学会(ASTM 1992)标准化。三轴(Tarasov and Potvin 2013)、压痕(Hucka and Das 1974)和冲孔穿透(Yagiz 2009)试验已用于脆性评估。它们需要定制和昂贵的设备，样品制备和测试执行的精确条件，并且高度依赖于实验室条件。为了克服这些挑战，一种实用的岩石测试方法被称为点载荷测试(PLT)，可以提供准确和及时的脆性估计。由于易于测试、价格低廉、样品大小和形状灵活以及测试设备的便携性，这种测试方法作为一种方便的岩石强度指示方法获得了相当广泛的认可(Broch和Franklin 1972;伯聂乌斯基1975;Kahraman and Gunaydin 2009)。PLT已在实际工程应用中得到应用，例如岩石强度分类(Deere and Miller 1966;井眼测井(Bieniawski 1975)，岩体等级(RMR) (Bieniawski 1988)和地质现场调查(AS 1726 1993)。

鉴于PLT具有明显的优势，本研究首先讨论了脆性指数(BI)和破裂倾向性指数(BLI)的基本原理，然后引入了一种方便的PLT方法控制的破裂脆性比(BBR)。BBR旨在克服在评估不同岩石类型的相对破裂脆性水平时存在的缺陷，而不考虑其工程应用。尽管岩石破裂过程的表征为评估脆性岩石和类岩石材料的破裂脆性水平提供了有用的信息，但很少有人注意到这种表征，特别是通过高速成像技术。因此，为了验证提议的BBR的适用性，通过声发射(AE)和高速成像技术的组合进行了一组系统分析。该分析旨在研究煤、花岗岩和砂岩三种不同岩石类型在点荷载试验过程中的开裂类型(如剪切或拉伸破坏)和断裂过程。新建立的BBR将煤排在爆脆比最高的位置，其次是花岗岩和砂岩，这最终得到了高速成像技术的认可，特别是在单轴压缩下。

2 脆性指数和破裂倾向性指数

由于缺乏统一的脆性定义和标准化的分析公式，导致开发了大量用于各种应用的脆性指数(BIs)。根据能量、矿物成分、强度、应变和弹性参数以及各种测试，现有的BIs可分为六类。每种BI都有自己的局限性，特别是忽略了一些重要的影响因素，从而使它们不适合所有岩石类型或不同的岩石工程应用。

冲击倾向性指数(BLIs)考虑岩石吸收和释放能量的能力，通常可分为四种类型，用于评价冲击倾向性。这四种类型的bli都可以通过单轴压缩试验的应力-应变曲线进行量化，如图1所示。第一种是应变能存储指数(WET)，最初由Szecowka等人(1973)提出，它是弹性应变能与单轴压缩下弹性迟滞回线耗散能之比。第二种是破裂能量指数(KE)，它包括峰值后破坏应变能与峰值前累积弹性能的比值。在第三种类型中，UCS(或Rc)被单独用作BLI，在最后一种类型中，动态断裂(DT)的持续时间表现出能量释放的严重程度，随后是强度损失。一些用于建议bli的概念被用于bi的发展。例如，Munoz等人(2016b)引入了应变能量存储(WET)的逆比作为基于能量的BI。与爆破能量指数(KE)类似，不同能量相关成分的组合，如弹性能、耗散能和断裂能，用于需要完整应力应变响应的基于能量的BIs (Tarasov and Potvin 2013;Ai et al. 2016;Munoz等人，2016b, 2016a;张等，2021b;龚和王2022;Wang et al. 2022)。UCS(或Rc)被广泛应用于基于强度参数的BIs中，动态断裂持续时间(DT)被广泛应用于基于能量的BIs中，以定义从绝对脆性到延性行为的破坏类型(Tarasov and Potvin 2013;Ai et al. 2016;Zhang et al. 2018)。

四种广泛使用的bli的示意图包括:a应变能存储指数(1)和b爆破能指数(2)、UCS或Rc(3)和动态断裂持续时间(4)

通过对文献的广泛回顾，我们发现BI和BLI的概念几乎是在同一时间引入科学界的，但它们被用于两个不同的领域。他们的主要目标是评估各种工程应用中岩石的“破裂脆性”水平，通常通过实验室测试方法确定。传统上，“爆裂”一词与“剧烈脆性破坏”联系在一起，涉及释放大量应变能量储存。与许多为特定岩石类型和/或应用量身定制的现有BIs类似，bli是专门为煤炭开发的，特别是用于评估地下煤矿开采中的爆破水平(Kidybiński 1981)。因此，尽管它们的名称不同，但可以肯定的是，BI和BLI的起源都来自同一个思想流派，即BLI作为一种独特的BI，主要用于煤爆/脆性评估。因此，当煤的破坏与其他岩石类型一起进行评估时，对于各种岩石类型的脆性破坏进行通用评估时，同时包含BI和BLI是合乎逻辑的。

3.一种估算破裂脆性水平的新方法

3.1 脆性指数与指数强度比值nversion因素

脆性或所谓的“脆性指数”的测定在很大程度上是经验性的，它衡量的是材料对变形和断裂响应的相对敏感性(Altindag 2003)。在早期量化岩石脆性的尝试中，BI1被引入为UCS与抗拉强度(TS)的比值(Hucka和Das 1974)。人们普遍认为，抗压强度和抗拉强度之间的差异随着脆性的增加而增加(Hucka和Das 1974)。在岩石工程实践中，UCS被广泛用于分类和设计目的。一般来说，昂贵的测试设备和从高节理脆性岩石中提取具有所需几何形状的岩心样品等不可避免的挑战，仍被认为是实施不同岩石脆性评估测试技术的主要限制。在点载荷测试(PLT)下，这些挑战在很大程度上得到了解决，其中可以确保样品大小和形状的灵活性，较少的准备时间和易于操作，从而使其成为一种流行的强度指标方法(Masoumi et al. 2012, 2018;Forbes et al. 2015)。将UCS与点荷载指数(PLI)联系起来的指数-强度转换因子(k)被提议间接地从PLI估计UCS (ISRM 1985)。为了建立可靠的经验转换因子，对不同尺寸、形状和点加载方向的岩石类型进行了大量的研究(ISRM 1985;Li and Wong 2013)。

Broch和Franklin(1972)认为，UCS大约是标准岩心样本尺寸(50毫米)的PLI的24倍(k)。还制定了尺寸校正表，以确定不同直径的岩心的UCS (Broch和Franklin 1972)。Bieniawski(1975)建议将23作为通用换算系数(k)， Greminger(1982)和Forster(1983)认为换算系数24不能充分应用于各向异性岩石。国际岩石力学学会(ISRM)指出，平均UCS是PLI的20-25倍，尽管对于不同的岩石类型，特别是各向异性岩石，k的范围可以在15到50之间(ISRM 1985)。Chau和Wong(1996)认为k取决于岩石样品的UCS/TS比、泊松比以及岩石样品的长度和直径。Hawkins(1998)指出，不同岩性岩石的k值从7到68不等。Kahraman(2001)利用从48种不同岩石类型获得的测试数据，发现了k值的两个独立趋势。

从各种实验和理论研究中，已经注意到k依赖于一系列物理和内在岩石性质，包括起源和结构(Fener et al. 2005;Kahraman et al. 2005;Kahraman and Gunaydin 2009)，各向异性度(Greminger 1982;Forster 1983)，大小和形状(Chau and Wong 1996;Masoumi et al. 2012, 2018)，泊松比(Chau and Wong 1996)，含水量(Broch and Franklin 1972;Hawkins 1998)、孔隙度(Palchik and Hatzor 2004)和风化程度(Chau and Wong 1996)。虽然已经使用了几种形式的回归分析来关联这些参数，但UCS和PLI之间的关系主要是通过零截距的线性回归建立的(Broch和Franklin 1972;伯聂乌斯基1975;Hassani et al. 1980;ISRM 1985;史密斯1997年;Sabatakakis et al. 2008;Singh et al. 2012;Li and Wong 2013)。

与详细阐述UCS和PLI之间的相关性一样，可以检查所谓的“脆性指数”，包括BI1 (UCS/TS)，其中脆性取决于各种岩石物理和内在特征，包括力学特性(Hucka and Das 1974)，尺寸和几何形状(hajibdolmajid and Kaiser 2003)，含水量(Kodama et al. 2013)，温度(Kodama et al. 2013)，应力应变响应(Tarasov and Potvin 2013;Kuang et al. 2021)、能量转换(Munoz et al. 2016b)、矿物成分(Wang and Gale 2009)、弹性参数(Rickman et al. 2008)、孔隙度(Heidari et al. 2014)和应变率(Kodama et al. 2013)。因此，可以假设，原则上，k和BI1取决于岩石材料的物理和内在特性，因为它们都是UCS的函数，并且在点荷载和间接拉伸巴西试验下的主要破坏模式确实是拉伸破坏(Russell and Wood 2009)。然而，在具有潜在高脆性的坚硬岩石上进行间接拉伸巴西加载已被证明是不可靠的，因为接触平台和盘状样本的剪切相关限制可能导致多次开裂破坏和拉伸强度的高估(Erarslan等人，2012;Masoumi et al. 2018;Khadivi Boroujeni et al. 2021;Khadivi et al. 2023)。在点载荷下可以避免这些限制，因此，PLI是TS的合适替代方案，可用于各种岩石的爆裂脆性表征，特别是那些高脆性岩石。

3.2 破裂脆性比(BBR基于PLI

PLT包括在两个锥形钢板(指针)之间压缩脆性样品，直到无法评估其点载荷指数(PLI或)。在本研究中，对于该指标的标准分类，我们使用了大约50 mm的参考样品直径，为了获得最优的结果，我们按照ISRM(1985)的建议，对岩石样品进行了直径方向和轴向的加载。直径定义为

其中P是最大载荷，D是试样的直径，等于两个指针之间的距离。在轴向点荷载作用下，力作用于端面中心，用下式估算:

其中L为样本的长度，LD为通过指针的平面的最小横截面积。式(1)和式(2)是Franklin(1985)在不考虑指针与试样接触面面积影响的情况下推导出来的。Masoumi等人(2016)认为，点载荷下锥形平台的半径对于PLI的估计很重要，这受到Russell和Wood(2009)的启发，他们证明接触面积控制着直接低于失效开始的接触点的应力强度。因此，Masoumi et al.(2016)在Timoshenko和Goodier(1951)理论的基础上加入了接触面积，引入了更可靠的点载荷指数估计。具有不同半径和力学性能的两个弹性球的接触面积半径可计算为:

其中R1和R2是两个球体的半径;K1和K2由下式计算:

其中和表示泊松比，E1和E2是两个球体的杨氏模量。为简单起见，可以忽略指针和样本之间的表面粗糙度，如Russell和Wood(2009)所解释的那样。指针通常由碳化钨或硬化钢制成，按照ISRM (Franklin 1985)的建议，尖端为5毫米的光滑球形弯曲。碳化钨的弹性模量约为700 GPa，泊松比约为0.25 (Russell and Wood 2009)。在直径点载荷作用下，接触面积呈椭圆形，即用带球形尖端的指针推动圆柱形表面。对于典型的弹性性能，椭圆内的主要直径与次要直径之比为1;因此，为简单起见，可以假定接触面积为圆形。

在轴向点载荷下，由于指针在平面上推动，接触面积为圆形，从而得到R2 R1，其中式(3)可简化为:

因此，Masoumi等人(2016)提出了包含接触面积影响的新PLI

其中为新PLI;A是接触面积，可以根据式中得到的半径估计出来。(3)、(6)分别为直径方向和轴向点荷载。如前所述，将UCS与PLI关联的传统回归是

式中，k为指标-强度换算系数。通过重新排列Eq.(8)并合并Eq，得出了UCS和PLI之间的新相关性。第(一)、(二)、(七)项如下:

其中和分别表示新的直径和轴向点荷载指数。因此，爆破脆性比(BBR)定义为:

压缩分量是通过UCS来估计的，而压缩分量则是由方程得到的。将(9)、(10)替换为两个不同点加载方向的导致BBR的拉伸构件，如下所示:

式中，BBRd和BBRa分别为径向和轴向加载条件下的破碎脆性比。原则上，BBR与BI1具有相同的特性，但其拉伸成分被Masoumi等人(2016)提出的新型PLI所取代。认为将接触面积纳入BBR可以提高冲击脆性评估的准确性，并有助于使其更适用于各种岩石和不同的应用。此外，与传统的BIs相比，BBR在执行点载荷测试方面的灵活性是另一个主要优势，与其他实验(如三轴、直接/间接拉伸和冲孔渗透测试)相比，BBR可以非常快速地估计PLI。为了评估提议的BBR的性能，从不同的地质起源中选择了三种不同的岩石类型，包括煤、花岗岩和砂岩，进行了全面的检查，并比较了它们的BBR、BI1和k。同时，通过高速成像技术对试验岩石在单轴压缩和点加载作用下的破坏过程进行可视化，利用估计的BBR和BI1分析其剧烈破坏程度。

目录

4 实验研究

4.1 样品制备

Gosford砂岩来自新南威尔士州(NSW) Somersby的Gosford采石场(Roshan et al. 2018)，煤块来自新南威尔士州的Ulan煤层，花岗岩来自澳大利亚维多利亚州的Mount Martha采石场(Khadivi et al. 2022)。所有样品均按标准NX (54 mm)尺寸取芯，然后切割成三种不同长细比(长径比)分别为0.5、1和2的圆柱体，用于单轴压缩、巴西和点加载下的测试，如图2所示。样品的两端按照ASTM(2001)平行切割，以减少端面效应，精度为±0.02 mm。在室温(21-25°C)条件下，每个测试场景至少重复5次。

煤、花岗岩和砂岩样品的单轴压缩、巴西间接拉伸和点载荷试验示例

4.2 单轴压缩试验

在5 × 10 - 3mm /s的位移速率下，对长细比为2的试样进行单轴压缩试验，得到试样在ASTM(1992)建议时间内的破坏情况。实验采用最大承载能力为60吨的伺服控制Instron 600DX测试架(见图3)，实验结果见表1。为了测量泊松比，根据Masoumi等人(2015)的方法，将包括圆周线性可变微分传感器(LVDT)在内的必要仪器附加到样品上，并计算径向应变。

单轴压缩试验装置(600kn Instron框架);a装车架控制系统，b急停，c控制台，d活动平台，e LVDT, f岩样

单轴压缩试验得到的应力应变曲线代表了岩石在破坏前和破坏后的强度和变形特征，如图4所示。

单轴压缩下试样的应力-应变响应实例

4.3 间接拉伸巴西试验

根据ASTM(2016)建议的方法，在长细比为0.5的圆柱形试样上，使用最大承载能力为50 kN的Instron 33R-4204加载框架(见图5)进行巴西试验。根据ASTM(2016)，这里使用与单轴压缩测试相同的位移率来获得建议的测试周期。根据(ISRM 1978;ASTM 2016)

式中，P为破坏时的峰值荷载，D为圆盘直径，t为在中心处测得的试样厚度。表2列出了巴西测试的结果数据。此外，从巴西试验中获得的荷载-位移曲线示例如图6所示。

间接拉伸巴西测试装置(50 kN Instron框架);A加载架控制系统，b控制台，c岩样，d活动平台

不同岩石试样在巴西荷载作用下的力-位移响应实例

4.4 点负载测试(PLT)

采用ISRM建议的方法(ISRM 1985)对长细比为1的NX尺寸圆柱形试样进行轴向和直径载荷试验。试验采用GCTS PLT-2W点加载仪(见图7)，配备精度为±0.05%的高精度负载传感器。PLT结果按公式列在表3中。(1)和(2)分别从直径和轴向载荷估计PLI (IS(50))。图8给出了煤、花岗岩和砂岩试样在轴向和直径加载条件下的点加载试验的荷载-位移曲线示例。

点负载测试装置;一个PLT设备，一个DAQ设备，一个电子天平，和一个煤样品

不同岩石类型在轴向和直径条件下的点荷载试验得到的荷载-位移曲线

4.5 高速成像

实时研究脆性材料的宏观破裂过程，有助于对其破坏机制进行识别和分类。高速成像是一项先进的实验室技术，可以实现高分辨率岩石变形和破碎的实时可视化(Xing等人，2017;Khadivi Boroujeni et al. 2021;Khadivi et al. 2023)。本研究采用高速CMOS相机(Phantom V2511)，分辨率512 × 512像素，帧率200000 fps，镜头为尼康AF-S DX尼克尔18-105 mm F/ 3.5-5.6 G ED，跟踪测试岩石类型在单轴压缩和点加载下的全破裂行为。单轴压缩试验高速成像摄像机设置如图9所示。

600kN Instron单轴测试台，配备高速成像系统;a幻影V2511摄像机，b摄像机控制系统，c装载架控制系统，d安全防护罩，e LED灯，f移动平台

4.6 声发射(AE)

声发射(AE)是一种监测岩石材料中微裂纹发展的技术(Lockner et al. 1991;Chang and Lee 2004)。在本研究中，采用这种技术来进一步研究点荷载作用下试样的断裂过程。

4.6.1 方法

声发射参数(如计数、振幅、上升时间和持续时间)可以被视为有价值的信息，主要表征岩石的微开裂过程(Liu et al. 2020;Li et al. 2021)。这些参数被用来帮助识别岩石的破坏机制(Eberhardt et al. 1998;Rudajev et al. 2000)。声发射计数是信号的振荡次数，越过阈值。声发射振幅是被测电压信号波形的最高峰。上升时间是事件信号第一次超过阈值和最大振幅历史之间的时间间隔。持续时间是第一次AE计数和最后一次AE计数之间的时间间隔，该间隔超过阈值。本文利用声发射信号的参数化分析方法对微裂纹类型进行分类。这种方法基于声发射的广义理论，通过简化的Green函数进行矩张量分析(SiGMA)程序(Ohno and Ohtsu 2010)得到了认可。

AF(计数除以持续时间)和RA(上升时间除以最大振幅)两个AE参数是将微裂纹分为拉伸和剪切两类的关键因素，如图10所示。低AF值和高RA值通常表明剪切裂纹的发生和发展，而高AF值和低RA值代表拉伸裂纹(Ohno and Ohtsu 2010;Du et al. 2020;Ge and Sun 2021)。与剪切裂纹相比，拉伸裂纹通常表现出更高的扩展速度和更小的扩展规模，从而导致声发射(AE)信号具有更高的峰值频率(Du et al. 2020)。

声发射数据分类为微拉伸和剪切裂纹示意图

分类基准线(AF/RA = 70)区分裂纹类型(Hu et al. 2019)。这不是拉伸和剪切裂缝之间的严格分界线，而是确定拉伸和剪切微裂缝比例的基线(Aggelis 2011)。此外，一般认为随着岩石脆性程度的增加，拉伸开裂在破坏过程中占主导地位(Tang and Kou 1998;hajibdolmajid等，2002;Zhang and Zhang 2017;张等。2021a;Xu et al. 2022)。也就是说，随着岩石脆性的增加，高AF和低RA的声发射参数分布比例增加(见图10)。

4.6.2 AE设置

在每个试样上粘接了两个压电传感器，以便在点荷载作用下岩石破坏时有效地采集数据。使用物理声学有限公司(Corporation 2007)制造的系统记录样品发出的声波，其硬件称为外围组件互连(PCI) 2通道数据采集系统，如图11所示。该AE系统具有宽带换能器(ULTRAN SWC37-0.5)，工作频率范围为1 kHz至2 MHz，标称谐振频率为500 kHz。系统的软件组件为AEwin，用于数据采集和分析。为了检测和放大开裂过程中产生的低频声波，同时尽量减少其他实验室活动的干扰，外部放大器被调整到40分贝。这种设置有助于准确读取和放大开裂信号，同时有效地消除任何不必要的噪音。

配声发射装置和高速摄像机的点载荷测试装置;a声发射数据采集系统，b摄像机控制系统，c PLT设备，d岩石样品，e高速摄像机

5 数据分析

在本节中，我们将给出实验结果，然后利用高速成像技术和声发射数据，根据测试样品的压裂过程记录，检验所提出的BBR的适用性。裂纹可以通过几种机制生长，如孔隙破碎、沿原有裂纹滑动、颗粒之间的弹性失配、位错运动和赫兹接触(Kemeny和Cook 1991;Eberhardt et al. 1999;Gatelier et al. 2002)。考虑到各种岩石结构，上述一种或多种机制可能对岩石破坏过程起主导作用。例如，砂岩孔隙率较高，孔隙破碎是主要的破坏机制，而层理面相关的清晰网络在煤层压裂中起着至关重要的作用。尽管具有不同的破坏过程，但BBR可以根据强度损失和随后的剧烈破坏的严重程度来表征材料的脆性。表4比较了实验研究的结果，包括k、BI1和BBR。

由表4可知，在径向和轴向载荷下，煤的爆脆比最高，花岗岩次之，砂岩次之。如图12所示，通过BI1或k都没有捕捉到这种趋势。一般来说，与轴向加载相比，所有岩石类型的直径加载样品具有最高的破裂脆性水平。在轴向载荷下，煤的破裂脆性水平分别是花岗岩和砂岩的近2 - 3倍，在直径载荷下，煤的破裂脆性水平大致相同或更高。

各种岩石类型的爆脆比、脆性和k排序

横向加载时，载荷方向与顺层平行，轴向加载时，载荷方向与顺层垂直。因此，在直径荷载作用下，试样在较低的受力下破坏主要是沿顺层面的滑动，而不是完整构件的破坏。这种破坏机制在脆性评估中不能被计算在内，因为加载集中在试样的不连续上。为了进一步验证新建立的BBR的有效性，采用高速成像技术，在单轴压缩和点加载的宏观尺度下，实时可视化测试岩石的变形、破裂过程和破坏模式。在点加载过程中，利用声发射技术进一步评估了测试岩石的微裂纹发展情况。

5.1 高速成像数据

由此产生的轴向和直径点载荷下的高速成像帧如图13、14、15、16、17和18所示，最后一帧中写着它们的开裂速度。这些速度是通过在指针下跟踪裂纹的发展来计算的，从裂纹的开始到使用高速帧完成扩展。在几乎所有的测试岩石类型中，加载线上的单一拉伸破坏是主要的破坏机制。然而，每种条件下的破坏时间、破裂速度和随后的破坏强度都是不同的。轴向加载下的煤样，在加载线下和峰值荷载处瞬间形成拉伸裂纹(见图13)，将煤样劈裂为两半导致拉伸破坏。煤样在直径载荷作用下也出现了这种劈裂现象;而控制破坏的机制是沿预先存在的顺层面剪切或滑动，如图14所示。花岗岩被认为是各向同性和完整的，因为在测试样品中没有可观察到的缺陷。与煤在轴向载荷下的破坏机制类似，花岗岩在轴向和直径载荷下的破坏机制也可以观察到，并且开裂速度相对较高(见图15、图16)。如图17和18所示，砂岩样品在轴向和直径载荷下都是完整的，表现为渐进式破坏，而不是瞬间破坏。

轴向PLT作用下煤样的实时破裂行为及其破裂速度

煤样在直径PLT作用下的实时破裂行为及其破裂速度

花岗岩试样在轴向PLT作用下的实时破裂行为及其破裂速度

花岗岩试样在直径PLT作用下的实时破裂行为及其破裂速度

轴向PLT作用下砂岩试样的实时破裂行为及其破裂速度

砂岩试样在直径PLT作用下的实时破裂行为及其破裂速度

在点荷载下，荷载通过指针施加在小的局部区域上，在这些区域中，试样在张力中失败，能量耗散较少，而由于显著的剪切机制而导致的压缩破坏可以表现出高水平的能量耗散。因此，为了进一步研究这种行为，在单轴压缩下跟踪所有三种岩石类型的压裂响应，作为评估所提出的BBR可信度的重要实验之一。单轴压缩载荷下的实时压裂过程链如图19、20和21所示。

剪切-拉混合模式下煤样压缩加载的实时破裂行为:宏观尺度裂纹萌生、稳定与不稳定生长、扩展、合并，以及主导的剧烈破坏

压缩加载下花岗岩试样的实时破裂行为:剪切-拉伸混合模式下宏观尺度裂纹的萌生、稳定与不稳定生长、扩展、合并以及主导的剧烈破坏

砂岩试样在压缩载荷作用下的实时破裂行为:裂缝萌生、稳定与不稳定扩展、扩展、合并，以及以单一张拉裂缝为主的剪切破坏

图19显示了单轴压缩下煤体破坏的各个阶段，其中试样内部最初形成局部垂直裂纹(见图19b)，然后随着载荷的增加而扩展。在很短的时间内，密集的局部裂缝在不同的尺度和方向上被激活(见图19d, e)。这些裂缝不一定对应于最初形成的裂缝，这可能是由于先前存在的裂缝或所谓的“清晰网络”的激活。尽管裂缝网络发展如此广泛，但试样仍处于圆柱形，并进一步承受载荷(见图19f)。仅在2ms后，它就以强烈的暴力方式通过剪切和拉伸混合模式失败，并以拉伸断裂为主。破碎形式从粉状到两道锥形破碎(见图19h, i)，可以看出煤样中稳定与不稳定裂纹同时发生，并在2ms内完成破坏过程。

花岗岩试样的破坏过程与煤样相似(见图20)，但破坏程度较轻。随着载荷的增加，开裂是通过一些局部的垂直拉伸裂纹开始的(见图20b, c)。试样内部产生了多个不同规模和方向的拉伸裂纹并扩展(见图20d-f)，导致了强烈的剧烈破坏(见图20g, h)。扩展裂纹主要是原有裂纹的延续，形成了强烈的剪切和拉伸混合破坏模式。

受压缩加载的砂岩试样(见图21)，随着载荷的增加，试样在靠近端面处萌生垂直裂缝(见图21b)，随着载荷的增加，垂直裂缝扩展并合并(见图21c-e)，形成剪切带(见图21f)。试样通过单个剪切带破坏成两个大约相等的半部分(见图21h)，并伴有单个拉伸裂纹。

在破坏过程中，煤的开裂密度最高，花岗岩次之，砂岩次之。砂岩在其渐进破坏过程中可以区分出稳定和不稳定的开裂阶段，而煤和花岗岩试样由于密集的局部裂纹的突然激活，稳定和不稳定的开裂几乎同时发生。砂岩与其他两种岩石类型之间的另一个主要区别与破坏机制有关，前者主要是剪切破坏，后者是剪切和拉伸的混合模式。煤从初始裂纹形成到完全破坏的过程分别比花岗岩和砂岩快约10倍和100倍，表明煤的脆性破坏程度高于花岗岩和砂岩，验证了所提出的BBR的有效性。煤样的动态破裂时间最短，强度损失率最高，而砂岩样的动态破裂时间最大，强度损失率最低。值得注意的是，煤的抗压强度和抗拉强度在被测岩石类型中最低，而相对爆脆水平则最高。因此，需要强调的是，单靠UCS不能描述破裂脆性特性，实际上，需要其他强度因子，如PLI，进行精确的估计。

5.2 声发射分析

通过点载荷试验获得的声发射事件参数化来表征被试岩石的微开裂过程。煤、花岗岩和砂岩样品的累积散射AF-RA数据以及累积概率密度图如图22和图23所示。在密度图中，数据分布由稀疏变为密集，颜色由红色变为紫色。在每个密度图旁边提供了相关的散点图，以蓝点表示声发射参数的分布。红色基准线将声发射参数划分为两个区域，在饼状图中区分拉伸微裂纹和剪切微裂纹，并给出相应的裂纹百分比。AF范围从0到2000 kHz, RA范围从0到20 ms/V。为了一致性和使结果具有可比性，选择AE参数集中比例最大的区域(例如，AF在0-250 kHz范围内，RA在0-1 ms/V范围内)进行进一步研究。在斜线基准线以上的密集区域表明，所有岩石类型的拉伸微裂纹都是主要的。在轴向和径向载荷作用下，花岗岩试样的AF值主要集中在0 ~ 100 kHz范围内，而煤和砂岩试样的AF值则主要集中在0 ~ 50 kHz范围内。这些结果证实了罗素和伍德(2009)所强调的点荷载下岩石在张力下的破坏。拉伸微裂纹的百分比也可以与岩石的脆性水平相关联，其中较高的拉伸裂纹可能导致岩石在压缩破坏下的剧烈破坏(Zhou et al. 2019;张等。2021a;Peng et al. 2022)。

轴向点加载下a煤、b花岗岩和c砂岩样品的累积RA-AF密度图(左)及其相应的散点数据图(右)

a花岗岩和b砂岩样品在直径点荷载作用下的累积RA-AF密度图(左)及其相应的散点数据图(右)

表5总结了本次分析得到的拉伸和剪切微裂纹的分布，以及测试样品的计算BBR和BI1。煤样的拉伸微裂纹比例最大，花岗岩次之，砂岩次之，验证了基于声发射分析的BBR的有效性。此外，这项工作旨在通过引入一个通用比率来统一冲击和脆性的概念，该比率可用于岩石工程项目中各种岩石的冲击(煤和岩石冲击)和脆性评估。建议在未来的研究中进一步研究BBR在各种脆性岩石和类岩石材料中的适用性。

6 结论

本文讨论了脆性指数(BI)和冲击倾向性指数(BLI)估算和量化所面临的挑战和所做的努力。人们注意到，BI和BLI的发展是在相对同一时间出现的，并且起源于相似的概念，但目的是在不同的工程应用中评估各种岩石的爆裂脆性破坏。因此，提出了一种通用的所谓的由点载荷测试(PLT)控制的爆裂脆性比(BBR)，以解决BIs和bli现有的局限性，并作为不同岩石类型的相对爆裂脆性评估的实用措施，而不考虑其应用。原则上，提议的BBR在压缩(UCS)和拉伸(or)下具有两个强度分量。前者已被ISRM和ASTM标准化，而在这里，后者是通过纳入接触面积来计算的，以提高点载荷指数估计的准确性，并随后提出BBR。

煤、砂岩和花岗岩被选中进行BBR的全面检查。研究发现，煤炭的BBR最高，其次是花岗岩和砂岩，而通过其他部署的措施(如BI1和k因子)无法捕捉到这种趋势。同时，借助不同加载条件下的高速成像可视化，证明了BBR值越高的岩石破坏越剧烈。从点载荷下的高速和声发射分析来看，砂岩的破坏是渐进的，而煤和花岗岩的破坏是瞬间的。声发射数据的参数分析显示，产生的拉伸微裂纹百分比与模型预测高度一致，证实了BBR的适用性。单轴压缩下，煤从初始裂纹形成到完全破坏的过程分别比花岗岩和砂岩快10倍和100倍左右。声发射和高速成像结果表明，煤是脆性破坏最大的岩石，其次是花岗岩和砂岩，这与计算的BBR吻合较好。综上所述，尽管煤的抗压强度和抗拉强度在被测岩石类型中最低，但它具有最高的相对爆脆水平。这一发现强调了这样一个事实，即坚固的岩石不一定会以更脆的方式破坏，为了进行普遍的爆裂脆性评估，还需要其他强度因素，如PLI，以更准确的估计。