岩爆与围岩分类

岩爆是高地应力条件下完整脆性硬质围岩失稳的一种表现型式,岩爆烈度如何影响围岩类别尚不清楚,探索岩爆与围岩分类的关系,对准确判别高地应力条件下的围岩类别有着重要意义。本文以某深埋隧洞围岩分类为依据,对我国水利水电地下洞室围岩分类中岩爆烈度与围岩类别的关系、岩爆判别指标的选取等问题进行了探讨。     

岩爆预警与烈度评价的声音信号分析

利用真三轴岩爆实验系统在室内再现了岩爆动力破坏过程,采用数字录音笔对岩爆过程的声音信号进行监测,在声音信号预处理的基础上,对岩爆过程中的颗粒弹射、岩板劈裂、块片弹射3种岩石脆性破坏现象的不同声音特征指标进行分析。结果表明:3种典型脆性破坏现象的声音信号在波形、频谱、声纹和短时能量等特性指标上存在明显差异,这些特征指标适用于岩爆的特征提取。提出了一种基于声音信号的岩爆烈度评价指标——局部声响总能量,该指标适用于定量评价岩爆发生的剧烈程度。     

粘弹性顶板岩层下煤柱岩爆的尖点突变与滞后

本文针对粘弹性顶板下煤柱岩爆问题建立了一个简单力学模型；用尖点突变理论讨论了岩爆的非稳定机制，阐明比值ｋ（ｔｃ）／λ１和外力功对系统岩爆的作用；说明了岩爆滞后是由于控制参量变化需要经过一段滞后时间才满足分叉集方程所致；并对影响岩爆滞后时间的因素进行了讨论．     

岩爆预测评估方法的动力数值分析

精准的预测评估是制定岩爆防治策略的重要前提.采用FISH语言编程对FLAC3D数值模拟软件进行二次开发,基于动力数值分析,将6种岩爆预测评价指标引用到锦屏Ⅱ级水电站4#引水隧洞数值模拟岩爆案例中,对岩爆的孕育过程和形成机制进行深入剖析.研究结果表明:隧洞掌子面右侧边墙及拱腰部位发生了以剪切破坏为主的突发性破坏,洞室周围...     

岩爆的压缩流体包裹体膨胀力源假说

岩爆是地下工程中的一种奇异力学破坏现象. 开挖后的围岩块石突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷和喷出. 它具局部性、突发性、隐蔽性、滞后性、无前兆性、高初速度和高冲击动能. 岩爆常常导致深部岩石工程重大人员伤亡和经济损失. 虽然人们对岩爆做了大量研究, 岩爆的成因机理依然是公认的"国际岩石力学领域的世界性难题". 本文指出、分析、论证了造成这个"世界性难题" 的原因是, 国际岩石力学领域忽略了连续完整岩石中微小流体包裹体的存在和异常作用. 本文进一步提出、分析和论证了封闭在完整岩石中的微细流体包裹体可能处于被压缩状态, 能够拥有高压强, 能够造成完整岩石内部的局部异常高地应力场. 岩石开挖可导致封闭在岩石内部的众多微细高压缩流体包裹体重新随时间而渗流、移动和相变, 再造成局部完整脆性围岩的岩爆. 对岩石流体包裹体的力学研究能让我们破解世界性岩爆难题.     

竖井开挖的不稳定性和岩爆的力学机制

基于稳定性理论和弹塑性厚壁筒的解析解,研究了竖井开挖过程的平衡路径,并将屈服后的井壁压力--位移平衡路径曲线应用到围岩的稳定性分析.研究表明,竖井围岩的不稳定及其岩爆的发生不仅取决于岩石材料应力应变全过程曲线的峰后特性,还取决于竖井开挖过程对应的平衡路径曲线的类型.平衡路径曲线能够描述围岩结构加载屈服后的力学行为.平衡路径的曲线形状只可能有两种类型,一种曲线上的点都处于稳定的平衡状态,虽有塑性变形的累积,但不会失稳崩落;另一种曲线则发生极值点型井壁失稳并伴有位移突跳.竖井开挖过程的平衡路径曲线是判定围岩岩爆发生的关键因素.极值点型失稳和位移突跳是均质围岩中岩爆可能发生的一种力学机制.      

弱动力扰动对花岗岩圆形隧洞岩爆影响的试验研究

为探究弱动力扰动对岩爆的影响,利用高压伺服动真三轴试验机,对含预制圆形贯穿孔洞的红色中粗晶粒立方体花岗岩试样进行弱动力扰动荷载条件下的岩爆模型试验,模拟隧洞洞壁围岩的岩爆弹射破坏过程,并采用声发射系统和视频观测系统对其进行监测、记录。基于无扰动、高应力下开始施加扰动和低应力下开始施加扰动3种加载路径的试验数据,从岩爆弹射破坏、岩爆坑破坏形态、声发射信号特征及岩爆烈度4个方面,详细分析弱动力扰动条件下的岩爆特征。研究结果表明：弱动力扰动会降低洞壁围岩发生岩爆时所需要的应力水平,增大岩爆破坏发生的范围。高应力下开始施加的扰动荷载会促进最终岩爆快速发生;而在低应力下开始施加的扰动荷载,岩爆的发生过程较为缓慢。相比与静应力条件下的岩爆,高应力下开始施加扰动触发的岩爆更剧烈,低应力下开始施加扰动触发的岩爆剧烈程度较弱。这主要是因为在高应力下开始施加的扰动对能量释放起到了激发和放大的作用,低应力下开始施加的扰动对能量释放仅起到激发的作用。

     

花岗岩晶粒尺寸对岩爆影响的试验研究

为探究晶粒尺寸对硬脆性岩石岩爆的影响,利用真三轴岩爆试验系统,对细中、中粗两种不同晶粒尺寸的含预制圆孔花岗岩开展了岩爆模拟试验。试验结果表明:在相同的加载过程中,细中晶粒花岗岩出现板裂静态脆性破坏,而中粗晶粒花岗岩出现岩爆动力破坏;细中晶粒花岗岩早期声发射活动较弱,大破裂、低主频事件在时空分布上较集中,特征应力较大,而中粗晶粒花岗岩早期声发射活动较活跃,大破裂、低主频事件在时空分布上较离散,特征应力较小,碎屑破碎程度更高。晶粒尺寸对花岗岩的岩爆倾向性具有重要影响,晶粒尺寸较大的硬脆性岩石的岩爆倾向性更强。深部地下岩体工程的岩爆倾向性评价中,除强度和脆性外,晶粒尺寸也是需要考虑的重要因素。     

可储能原则在一类岩爆问题中的研究和应用

从能量的角度对一类岩爆问题--应变型岩爆进行一些探讨.对此类岩爆能量的来源、能量的去处及能量释放的原因和大小进行了完整的论述.提出了岩体的可储能原则--岩体可存储的能量并非定值,而是随应力状态的变化而改变,当应力发生突变,岩体内实际存储的能量大于可储能时,多余的能量必将以各种形式瞬间释放,其中包括动能.根据此准则对简化了的一维、三维模型进行了详细的分析和计算,并结合离散元软件3DEC再现了三维卸载岩爆的破坏过程.     

关于脆性岩体岩爆成因的理论分析

大型工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能,产生岩爆。针对这类岩爆现象进行了一系列理论探讨,认为:(1)开挖条件下脆性岩体的岩爆破坏主要为张破裂或者张剪性破裂,破裂角一般较小,呈薄片状或刀口状。笔者认为开挖产生次生张应力和压剪应力条件下微裂纹裂尖出现张应力是可能的,因此采用格里菲斯强度理论研究开挖岩体破裂是有效的; (2)以格里菲斯强度理论为基础,分析了岩体在二维和三维情形下的岩爆破裂应力判据和破裂角,指出在有张应力的条件下,岩体的剪破裂角会减小,直至为零,这就解释了开挖面附近薄片状、刀口状破裂现象的原因; (3)分析了脆性岩体岩爆破裂的能量过程,指出张性破裂所耗能量较小,而张剪性和压剪性破裂耗能较高。认为岩爆破裂消耗的能量主要转化为新生裂纹的表面能和破裂碎片的动能,并指出表面能所占比例较动能为小。由此解释了脆性岩体岩爆破坏以动力效应为主的特征; (4)本文理论分析成果的工程应用价值在于:可以预示开挖脆性岩体破裂部位、破裂方式和破裂范围; 提出岩爆破裂的张性应力控制依据。     

不同围压下含天然贯通节理岩石卸载破坏机理研究

二郎山特长高速公路隧道断裂带较多,受此影响,隧道开挖后岩爆灾害十分严重．从此隧道中取样制备成含天然贯通节理试件,进行常规单轴压缩室内试验,获取基本力学参数和破坏模式．本文以室内实验结果为依据,确定数值试验时所采用的岩石和节理的力学参数,利用RFPA软件开展数值试验,研究了不同围压同轴向荷载下卸掉围压诱发岩石失稳破坏机理．试验结果表明,五种不同围压(5、10、15、20、25 MPa)卸载后应力-应变曲线均呈“断崖式”跌落,试样均突然破坏,与现场岩爆情况吻合;受贯通节理影响,不同围压试样的具体破坏形态、声发射数量最大值出现时刻有所差异;在卸载阶段五种试样声发射累积数量都突然急剧增大．     

浙江苍岭隧道岩爆工程地质特征分析与防治措施研究

根据在浙江苍岭隧道施工中发生的岩爆,通过现场地质观测资料,具体地分析了其形成的规模、位置、诱发因素以及地质条件,从地质工程的角度,对岩爆发生地段隧道的岩石组成、地质构造、地应力特征以及地下水情况进行了探讨,发现在苍岭隧道施工中发生岩爆的岩石具有岩体结构面发育适中、弹性模量大、P波波速高、地质构造简单、现代水平构造应力强且主压应力轴σ1大角度相交于隧道中轴线和地下水不发育的特征,并在此基础上,提出了掌子面喷水、布设释放地应力锚杆、减少隧道壁聚能结构等有效的岩爆防治措施。     

西周岭隧道地应力测量及岩爆预测分析

为指导施工,提高施工的安全性和经济性,对西周岭隧道进行了钻孔水压致裂法地应力测量。测试结果表明:西周岭隧道深埋段地应力场以水平应力为主,在测试深度内最大水平主应力值为10.57~19.39MPa,具中等偏高应力水平; 最大水平主应力方向为近N33°W,与隧道走向的夹角较小,即地应力对隧道围岩稳定性较为有利。基于地应力实测结果,本文采用Hoek判据、Turchaninov判据、Russenes判据和工程岩体分级标准等4种判别方法进行岩爆预测,并分析了发生岩爆的临界深度,认为西周岭隧道深埋段有发生轻微-中等岩爆的可能,发生岩爆的临界埋深厚度约为397m。因此,在施工过程中应采取合理的开挖方式及防岩爆安全措施,防止岩爆灾害的发生。     

不同采深煤(岩)体岩爆过程模拟分析

为了研究不同采深条件下诱发的岩体变形、岩爆、凸出和塌落特征,对采深120m~820m,间隔100m的8种工况开采后岩体破坏进行模拟。结合能量守恒理论和ΔU=Ue-U0来确定岩爆后由弹性势能转化为动能的ΔU。使用三维岩体爆破颗粒流模型将ΔU按照一定规则转化为岩爆飞石动能。模拟了各工况下开采后岩体变化情况,结果表明,采深为120m,220m和320m三种工况下不发生岩爆;420m开始发生岩爆;520m和620m在发生岩爆的同时也伴随开采面岩体凸出;720m和820m时具有岩爆、凸出和塌落现象。同时总结了岩爆特点,特别是提出岩爆是岩体系统为了保持自身能量平衡而向系统之外释放能量的过程。     

深部地下工程岩爆预测的筛选蚁群聚类算法

为了提高仿生聚类算法的计算效率,对传统的蚁群聚类算法进行改进,采用数据合并机制提出了一种筛选蚁群聚类算法。采用筛选蚁群聚类算法,在岩爆工程实例资料分析的基础上,基于工程类比的思想判断岩爆的发生状态,提出了一种深部地下工程岩爆预测的新方法。通过多个煤矿深部地下工程岩爆实例的应用研究证明,和传统的蚁群聚类算法相比,在不显著增加计算难度和复杂度的情况下,新算法对工程实例的判断准确率更高,其准确率达92%,计算效果更好;而且,计算速度有较大幅度的提高,其计算时间缩短近40%,说明新算法的计算效率更高。因此,筛选蚁群聚类算法是一种比较实用的岩爆预测新方法,值得在深部地下工程岩爆研究领域推广应用。     

深埋隧洞岩爆时间滞后性机理研究

深埋隧洞内岩爆生成的时间滞后性与硬脆性围岩的蠕变力学特性密切相关,通过结合理论模型(包含深埋隧洞弹塑性模型及岩石脆性蠕变失效模型)与数值模拟对岩爆的时间滞后性机理及其规律进行了分析讨论.结果表明:深埋隧洞在开挖卸荷后围岩内部因微缺陷的萌生及演化引起损伤累积,在无及时支护条件下短时期内易引发时滞性岩爆;围岩在塑性区内更易...     

岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理

利用扫描电镜(SEM)对岩爆岩石断口微观形貌特征进行研究分析,从微观角度探索岩爆产生的机理。通过对平顶山十二矿岩爆现场取样对其断口形貌特征与地应力和岩石成分之间关系进行研究。巷道围岩劈裂岩块断口形貌多呈台阶状,劈裂面与地应力最大主应力方向平行,岩石断口属拉张断裂,劈裂纹的产生主要是脆性断裂;岩爆抛射出的岩块断口形貌非常复杂,裂面与切应力(最大主应力)方向平行或相交,不同平面内的微裂纹通过与岩爆裂纹间的微裂纹或受撕裂作用形成台阶,表面不平整,属于拉张或剪切型断裂。岩石细观成分对岩爆的影响也较大,结晶程度高、结构致密的硬脆岩石更易发生岩爆。     

变权靶心贴近度在岩爆烈度预测中的应用

针对岩爆烈度预测的不确定性和影响岩爆发生的各单个指标间互不相容的问题,将变权理论和靶心贴近度相结合,进行岩爆烈度预测。首先,该方法在考虑评判者偏好度的基础上,引入了一种均衡函数,给出了一种变权模式,用来计算各个指标的权重;然后,该方法构造了一种区间关联函数,将单指标关联函数的最大值作为靶心坐标,根据样本与靶心的贴近度来预测岩爆烈度,即靶心贴近度值越大,则岩爆烈度越接近该贴近度所对应的岩爆烈度等级;最后,将该方法应用于灵宝东峪矿区、冬瓜山铜矿和秦岭隧道岩爆预测等实例中,结果表明:该方法不仅可以准确、合理地预测岩爆烈度,而且相比其他方法,该方法不需要任何先验知识,使用起来更直接、更方便。     

基于相似材料的岩爆模型实验及其能量释放机制

岩体的卸载破坏和加载破坏有本质区别,岩爆是高地应力区地下工程开挖卸载产生的地质灾害现象.针对处于高静水压力状态下的岩体,采用松香模型实验研究径向瞬时卸载引起动力破碎型“岩爆”;通过分析动力破碎过程中的速度峰值、卸载波作用时间特征,推导了.应变能及剥落(破碎)块体动能及速度计算公式.结果表明:文中给出的速度峰值和动能计算方法是可行的,剥落(破碎)块体动能仅占可恢复应变能很小部分,大部分能量最终以不同形式耗散掉;距自由面不同距离处的卸载波作用时间大致相等,远大于卸载波的扰动时间;破碎波阵面在介质中推进速度大致为匀速,也远小于卸载波扰动速度.     

用动光弹方法研究隧道岩爆的爆破扰动机理

利用动态光弹性方法,以Lamb模型为依据,研究了不同荷载形式下,模型内应力波的传播、相互作用规律以及刻槽的拦截效应。实验结果与弹性动力学解答基本一致:(1)倾斜冲击荷载作用下,模型内传播的有P波、S波和Rayleigh波,其中P波和Rayleigh波对岩爆有突出贡献;(2)等差条纹图的分布规律,可以合理解释岩爆高发区段与开挖面的位置关系;(3)模型表面的刻槽,可以实现对Rayleigh波的大量拦截,说明隧道表面切槽的岩爆控制方法理论上是可行的。