岩爆类型划分研究

根据岩爆岩体高地应力的成因 ,首先将岩爆类型划分为自重应力型、构造应力型、变异应力型和综合应力型四大类 ;然后依据具体应力条件 ,并结合岩爆特征等内容 ,再将岩爆划分成 8个亚类     

基于快速应力释放的深埋隧洞岩爆防治对策研究

大型地下工程开挖中,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而产生岩爆。岩爆作为常见的一类动力失稳地质灾害现象,极大地威胁着现场施工人员和设备的安全。作为雅砻江锦屏二级水电站的主要工程,千米级埋深的引水隧洞也面临高地应力下硬岩岩爆问题。针对锦屏二级引水隧洞岩爆的特点,提出采用快速应力释放的方法防治岩爆,并采用数值模拟的方法优选了倾斜辐射爆破孔方案。数值模拟结果表明：该方法能使岩体内的初始应力快速卸荷,同时使应力集中区向岩体深部转移。通过在锦屏二级引水隧洞工程中的试验与运用,采用声波测试法对实施快速应力释放方案的效果进行检验,验证了快速应力释放方法防治岩爆的有效性。研究成果为解决类似工程岩爆防治问题提供了理论依据和借鉴。     

直墙拱形巷(隧)道岩爆试验及劈裂与剪切分析

针对岩爆试验及监测研究的不足,开展了直墙半圆拱形巷（隧）道岩爆单轴压缩试验、声波监测及岩爆破裂的劈裂与剪切分析。结果表明,巷（隧）道围岩呈现起伏粗糙破裂面和劈裂后的薄块体,试样整体也呈现出明显的劈裂岩爆现象;波速可以很好地反映围岩内部损伤演化进程,将围岩波速由持续不变到开始变小点作为临界损伤点,可以通过监测波速变化进行围岩岩爆的预测预报;通过监测声波波形尤其是对波形稀疏、周期变长的监测,可以很好地掌握围岩内部的全程发展变化情况;通过综合监测声波的波速、波形稀疏、周期变长,达到定性、定量相结合,及时、准确地预测、预报岩爆,以保障人员、设备安全;得出了由应力强度比和压拉比来判定劈裂岩爆发生的综合表达式以及与应力强度比岩爆烈度分级标准相对应的压拉比数值;劈裂岩爆发生的应力强度比即应力判据在0.27～0.80之间（R为10～30时）;随着满足劈裂岩爆发生的应力强度比的增大,其越接近满足剪切破坏条件,破坏主要形式将向剪切破坏方向发展。     

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。     

岩爆和冲击地压的差异解析及深部工程地质灾害关键机理问题

岩爆和冲击地压原来在自然界并不存在,完全是由于人类进行深部地下空间利用、深部矿产资源开采等工程建设时诱发产生的,两者同属于最典型的深部工程地质灾害。由于历史原因,岩爆和冲击地压长期存在概念混用的情况。本文比较详细地综述了岩爆和冲击地压领域国内早期的研究历程,系统解析了岩爆和冲击地压之间存在的差异。在研究对象(硬岩和煤的承载强度、储能及释能能力、弹脆性)、受力条件(地应力、扰动应力)和边界条件(开挖和开采方法及工序、扰动范围和时效性等)方面,岩爆和冲击地压均存在根本区别;在表观现象、限定对象、研究对象、赋存条件、行业领域、工程建设方法、工程建设目的、要求及支护性质、诱发机理、倾向性判据、划分类型、划分等级、等级评价方法等方面,岩爆和冲击地压也存在很大差异。综上,岩爆和冲击地压是并列的两类地质体动力破坏现象,两者之间不存在隶属关系。在综合参考前人研究的基础上,分别给出了岩爆和冲击地压各自的定义和内涵。岩爆的定义为发生在深埋隧道(隧洞)、深部矿山巷道及矿柱部位的硬岩弹射、爆裂或崩落现象,伴随不同程度声响;冲击地压定义为发生在深部煤矿中煤抛出现象,释放出不同程度的动能,严重时往往伴随震动、巨响、气浪或冲击波。从煤动力冲击破坏的现象与名称统一的角度考虑,建议用“煤冲击”代替“冲击地压”概念。在此基础上,详细阐述了岩爆和冲击地压研究中的7点认识。最后,从研究对象、受力条件和边界条件等3个方面讨论了岩爆和冲击地压的关键机理问题,即从静动(或动静)组合加载力学的角度研究岩爆和冲击地压,符合深部地质体破坏的全受力路径,同时要从能量守恒的角度研究从静态到动态的转换问题。在岩爆和冲击地压的机理分析、预测预报、监测报警、调控防治中,都要科学认识各影响因素之间的逻辑关系和辩证关系(注:本文因为无法找到与冲击地压契合的英文名称,在英文摘要中同时存在“coal burst”和“coal bump”两种表达)。     

基于超剪应力控制的岩爆防治措施研究

简要介绍了断裂型岩爆的超剪应力理论,初步讨论了爆破开挖扰动对超剪应力的影响,并从控制超剪应力的角度建议了相应的岩爆防治方法,给出了工程实例。研究表明,开挖动态扰动将使断裂两侧岩体在较低的超剪应力条件下就产生滑动,另外,高地应力条件下爆破开挖过程中地应力动态卸载扰动可以引起围岩中动态剪应力的增大,直接增大超剪应力,这两种情况都可能导致岩爆的发生。因此,可从控制爆破扰动的角度来控制岩爆的发生,具体措施有炮孔合理布置、起爆网络的优化和加强支护。     

板裂体组合条件下岩爆倾向性分析

针对已有突变理论仅对单块板裂岩体进行分析的局限性,提出将板裂化岩体作为整体进行研究,考虑了劈裂岩体间的水平应力,改进了突变理论模型在岩爆分析中的应用,并分别计算对比了单块岩板及板裂岩板组合在准静力及动力扰动两种条件下的岩爆倾向性。研究结果表明,准静力条件下单块岩板突变特征值?变化趋势平缓,而组合岩体由于等效抗弯刚度较大,? 急剧增大;准静力条件下岩板组合的岩爆深度明显大于单块岩板时,岩爆深度达到0.76 m;随岩板厚度增加,突变特征值?逐渐增大,不再满足岩爆的充分条件,施加竖向扰动应力即可重新满足突变条件,所需外界扰动应力由几兆帕增大至几十兆帕。     

地下工程岩爆及其风险评估综述

根据国内外的研究成果对岩爆进行了数学描述,结合岩性及地质条件、应力条件讨论了发生岩爆的内、外因条件,据此,对岩爆进行了预测。指出岩爆并非单一因素导致的事件,而是典型的多种因素综合作用的结果。因此,在岩爆预测时,应根据其发生的条件,采用综合判别准则。     

梯度应力作用下模型试件的岩爆破坏细观分析

岩爆是深部矿山开采亟待解决的安全问题,而应力梯度是影响岩爆的重要因素。为探究不同应力梯度的岩爆对围岩内部细观结构的影响,利用可实现三向六面加载及顶部梯度加载的气液复合型岩爆试验装置,对类岩体进行不同应力梯度条件下的岩爆物理模型加卸载试验,并借助扫描电镜对试件破坏面进行细观形貌特征分析。研究结果表明：不同应力梯度环境下试件岩爆的破坏现象与特征存在明显差异;试件所受的应力梯度越大,岩爆后的细观图像显示的晶体间孔隙越小,晶体的密实程度越高;不同应力梯度下试件产生剪切和劈裂破坏比例不同,应力梯度越大,剪切破坏比例越大;岩爆碎屑晶体轮廓具有分形特征,且随着试件所受的应力梯度的增加,其分形维数相对越大。     

岩石全应力-应变试验与岩爆理论研究

在高应力地区的地下工程中,岩爆现象日益受到重视.由于岩体自身的复杂性,岩爆的理论研究进展缓慢.用岩石刚性伺服试验机开展岩石力学试验,可得到完整的岩石全应力-应变曲线,对于揭示岩石强度、变形特征具有实际的意义,从而成为人们研究岩爆机理的一种首选方法.     

巷道诱发型冲击地压的发生机制及危险性分析

为了治理巷道诱发型冲击地压发生的灾害,从力学机制方面阐述了巷道诱发型冲击地压发生的静-动应力主导关系,揭示了巷道诱发型冲击地压发生的机制;将煤层巷道的围岩二次静应力和震源产生的动应力叠加,得到了巷道围岩二次应力与不同应力波叠加后的最大主应力和最小主应力表达式。从高应力差和巷道围岩冲击倾向性两方面考虑,提出了巷道诱发型冲击地压发生的判断方法;直接判断出巷道在特定深度、震源在某个位置、产生一定的应力波时,巷道发生冲击地压及冲击范围,并解释了巷道群附近产生大范围冲击的机制,成功分析了山东某煤矿掘进工作面发生冲击的原因。研究结果为分析诱发型冲击地压的危险性提供了理论基础,为治理诱发型冲击地压提供了技术途径。     

基于数字散斑技术的深埋隧道围岩岩爆倾向相似材料试验研究

利用相似材料模拟方法,借助数字散斑观测技术,对深埋隧道围岩岩爆倾向进行试验研究。分析考虑材料强度、开挖速度和支护作用影响下的岩爆发生和破坏规律,寻求岩爆发生与深埋隧道变形破坏之间内在的联系。试验结果与现场实际发生岩爆强度较高的岩石类型花岗岩、闪长岩等相比,破坏特征相似,且围岩强度越高,岩爆发生可能性越大;在高地应力状态和完整岩体中开挖速度对岩爆的发生影响较大;锚网支护对隧道围岩变形有一定的控制作用,也可一定程度上避免岩爆发生。支护试验结果与现场实际支护效果一致,随支护强度提高,隧道抵抗力增加,整体变形减小、稳定性提高。所得试验结论为深埋隧道的合理设计和安全开挖提供技术指导和理论依据,对革新深埋隧道开挖技术和支护技术具有重要的意义     

深部硬岩矿山岩爆风险防控技术研究进展

为了解深部硬岩矿山岩爆风险防控技术研究进展,对国内外相关文献进行了归纳总结。首先,从事前避免岩爆产生、事中降低岩爆危害及事后规避岩爆伤害等3个角度提出了岩爆风险防控的总体思路。然后,根据该思路归纳了岩爆防控的技术类型,并详细分析了各技术的内涵及其防控岩爆的机制。最后,对岩爆风险防控技术的未来发展方向进行了展望。结果表明：现有深部硬岩矿山岩爆风险防控技术可归纳为采矿设计、卸压技术、岩层改性、岩体支护及人员暴露等5个方面。其中,采矿设计包括采矿方法、采场参数、矿柱留设、回采顺序、回采速率及空区处理;卸压技术包括卸压爆破、卸压槽、卸压巷、卸压孔及卸压缝;岩层改性包括水压致裂、约束爆破及注水软化;岩体支护包括表面支护、内部支护及组合支护;人员暴露包括再进入协议、远程设备及人员防护。未来可从不同类型及不同风险等级岩爆防控体系构建、新技术研发、防控时机及效果评估等方面建立深部硬岩矿山岩爆风险防控指南。     

高应力区隧道围岩变形破坏的数值模拟及物理模拟研究

隧道失稳和维护困难是高地应力隧道的普遍问题,对隧道的支护设计提出了更高的要求。研究从地下工程岩体应力环境变化和岩体强度变化的角度探讨了高应力隧道围岩的变形破坏机制。根据重庆某深埋隧道围岩实际情况,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立了摩尔-库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。通过隧道的三维数值计算,分析了高应力环境下隧道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分布特点,得到了高应力隧道围岩在高地应力环境下的破坏规律。通过物理模型验证了高应力隧道围岩的破坏特点,并进行了超载试验,将其与数值模拟进行对比,进一步验证了所建数值模型的科学性。     

深埋硬岩隧洞围岩板裂化破坏研究的关键问题及研究进展

规律性的板裂化破坏是深埋硬脆性岩体开挖卸荷造成的典型围岩破坏现象,给隧洞的安全施工建设带来了严峻挑战。板裂化破坏的研究主要涉及两个关键问题：板裂化破坏的形成机制及其影响因素,板裂化破坏与岩爆的关系。多年来,国内外学者通过理论分析、现场及室内试验、数值模拟等不同途径对板裂化破坏问题进行了系统的研究,取得了丰富的研究成果。在系统分析有关板裂化破坏两个关键问题研究进展的基础上认为,板裂化破坏的形成机制复杂、影响因素众多。基于板裂化破坏形成的细观机制,建立不同类型板裂化破坏的力学准则与力学模型是揭示板裂化破坏形成机制的关键所在;板裂化破坏现象与岩爆之间具有很强的相关性和本质的联系,深入揭示板裂化破坏特征所包含的岩爆前兆信息是板裂化破坏与岩爆关系研究的关键与难点问题。     

基于微震信息的硬岩新生破裂面方位特征矩张量分析

为了更清晰直观地了解高应力下硬岩破坏（岩爆、片帮、应力型塌方等）孕育过程中岩石破裂演化过程,根据岩石破裂面的特点,依据微震监测数据的矩张量结果,推导并得到了岩体破裂面空间方位计算方法,在此基础上给出了根据运动夹角? 来判断岩石破裂类型的确定方法。借助此方法,在实例研究中进一步证明了深埋隧洞矩张量分解判断破裂类型分析方法的可靠性。依托锦屏二级水电站深埋引水隧洞这一典型工程,依据破裂面的方位角、倾角特征和岩爆宏观破坏情况,初步探究了即时性应变-结构面滑移型岩爆的孕育过程：在岩爆孕育初期,以张拉破裂为主,由于硬性结构面的存在,在开挖扰动应力调整初期,破裂面由岩体浅层往岩体较深层硬性结构面扩展,张拉破裂面尖端接近硬性结构面时,硬性结构面上发生剪切滑移,若较深层岩体内部还有其他硬性结构面存在,则在该硬性结构面尖端,除随着岩体浅层切向应力的持续增大,往开挖面扩展外,继续以张拉破裂面型式往深层扩展,至较深层硬性结构面上剪切破裂产生,最终以剪切滑移面为破坏面边界往开挖面发展,并最终将岩体抛掷而出。     

地下工程岩爆预测的综合集成方法

鉴于地下工程中岩爆预测的各种方法的局限性以及预报准确率低的现状,提出了地下工程岩爆综合集成预测的学术思路。这种学术思路将定性预测与定量预测相结合、单因素预测与多因素预测相结合,引入处理复杂性问题行之有效的非线性科学理论,对岩爆进行综合集成预测。详细介绍了岩爆预测的综合集成方法,包括：地质分析预测法、应力强度比法、层次分析—模糊评判法和神经网络法,并将其应用于雅砻江某水电站交通隧道岩爆预测中,取得了较好的效果。     

滇藏铁路丽江玉峰寺隧道围岩岩爆刚度判据

从最小能量原理出发,探讨隧道围岩岩爆的刚度判据问题,并应用于滇藏铁路玉峰寺隧道工程。在滇藏铁路玉峰寺隧道代表性围岩岩样全应力应变刚压实验分析的基础上,结合地应力测量资料和数值模拟,分析玉峰寺隧道3种岩性不同围压条件下的变形破坏过程,得到隧道塑性破坏岩体和弹性岩体的刚度曲线,利用刚度判据,分析评价玉峰寺隧道3类岩体发生岩爆的危险性,玄武岩岩爆烈度最高,灰岩次之,砂岩最低,为隧道工程设计提供了参考依据。     

基于矩张量的深埋隧洞岩爆机制分析

以锦屏二级水电站微震监测数据为基础,将矩张量引入到深埋隧洞岩爆机制分析研究中。对分析过程中遇到的2个关键问题提出了针对性的建议：① 隧洞工程为线性工程,传感器布置空间有限,难以形成良性传感器阵列,矩张量分析结果的可靠性受到很大的影响,为此,提出了数值计算过程中的坐标系空间旋转法。该方法按最优路径旋转隧道坐标系,使对于同一个事件的每个传感器,源-传感器射线到新坐标系的3个方向余弦差值在10倍数值范围以内,在数值计算过程中,可以得到较理想的矩张量结果。②针对Ohtsu使用矩张量分解判断岩石破裂类型的方法中,提出的各分量比重计算公式,仅适用于各分量均为受拉的情况。考虑快速掘进条件下隧洞工程受力方向的不确定性,扩展其分量比重计算公式到更一般适用状态。在此基础上,建立了一套完整的岩爆孕育过程矩张量分析方法。利用该方法对锦屏二级水电站典型岩爆微震数据进行分析,结果表明,该方法可以较好地解释岩爆孕育过程岩石破裂演化机制。