四川康定某深埋隧道花岗岩岩爆物理模拟实验研究

四川康定折多山某隧道因其埋深大、构造应力高度集中,在修建过程中极易产生岩爆.为探索折多山某隧道花岗岩段不同深度条件下岩爆机制,利用真三轴岩爆实验系统,开展了不同深度下的花岗岩岩爆物理模拟实验.借助应力监测、高速摄像和声发射等系统,从声、光、力等多角度研究了折多山某隧道花岗岩岩爆的阶段特征、时间特征、主要破坏方式、裂纹演化等规律.结果表明:折多山花岗岩岩爆具有时滞性特征(time delaying rockburst,TDR),在500~1 100 m不同埋深条件下,约770 m为折多山花岗岩单面临空真三轴强度的临界深度;不同深度下的岩爆有明显阶段特征,可分为平静期、劈裂成板、板折剥落、整体弹射4个阶段;声发射特征揭示折多山花岗岩岩爆主要为张拉破坏,随深度增加,张拉裂纹逐渐增加,剪切裂纹逐渐减少;根据岩爆时应力差与单轴抗压强度比值将折多山花岗岩岩爆分为3种破坏模式:小颗粒弹射破坏、岩板劈裂破坏、岩屑混合弹射破坏;且应力比值$ \left({\sigma }_{v}-{\sigma }_{h1}\right)/{\sigma }_{c} $越大,岩爆烈度越大.      

中间主应力对隧洞岩爆影响的模型试验研究

为探究隧洞纵轴线方向应力对隧洞岩爆的影响,利用真三轴岩爆试验系统,对含预制圆孔的立方体花岗岩试样进行不同中间主应力条件下的岩爆模型试验,在室内再现了隧洞岩爆过程。试验中采用视频观测系统与声发射系统监测岩爆过程。试验研究结果表明：无宏观破坏、颗粒弹射、岩板劈裂和块片喷射是隧洞岩爆孕育过程主要经历的4个阶段;中间主应力越高,颗粒弹射到块片喷射之间的历时越短,岩板劈裂持续时间越长,块片喷射的持续时间越短且喷射破坏越剧烈;中间主应力越高,在环向第一主应力和纵轴向中间主应力的泊松效应迭加作用下,围岩劈裂破坏越严重,岩爆发生需要的应力水平越高,岩爆发生风险有所降低;但当应力集中水平足够高导致岩爆发生时,岩爆烈度越强。     

含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验研究

通过开展含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验,并利用高速摄像系统和声发射（acoustic emission,简称AE）系统监测岩爆过程,探究了不同产状裂隙岩石的破坏模式、强度变形和声发射演化特性,分析了裂隙产状与岩爆过程及弹射动能之间的关系,对比了含裂隙岩石岩爆发生机制与无裂隙完整岩石的差异。有关力学特性的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样破坏模式大体呈现由“内剪外劈”向“Z型斜剪”变化的趋势,裂隙对岩石强度的削弱作用不断增大。当裂隙倾角小于30°时,岩石峰值应力普遍仅为完整岩样的一半左右;小倾角裂隙的长度越大,岩样岩板劈裂现象变得显著,形成岩爆坑略微变大,且强度折减幅度越大,峰值轴向应变相应变小;裂隙位置向临空面靠近会加剧岩板的劈裂效应,塑性阶段普遍会产生较大变形并萌生大量裂纹,当裂隙已出露且切断临空面将不易形成岩爆坑。有关岩爆过程及弹射动能的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样弹射动能呈现先显著降低后小幅回升的变化规律,30°倾角为转变拐点;岩样内部裂隙距临空面越近,裂隙岩样的弹射动能越小;树脂填充裂隙使得岩样弹射动能极大提升,而水泥填充的则无明显提升。有关声发射特征的分析表...     

不同饱水度花岗岩的真三轴岩爆试验研究

利用真三轴岩爆试验系统,开展了不同饱水度红色粗晶花岗岩的岩爆试验,分析了不同饱水度下岩爆破坏岩样的强度与变形特征、破坏与弹射特征、声发射特性等,探讨了岩石饱水度与岩爆弹射动能的定量关系以及水对岩爆的影响机制。研究结果表明：（1）当岩样的相对饱水度超过0.3,其峰值应力和屈服应力较天然状态的明显降低;（2）岩样饱水度的增加使得岩爆过程中小颗粒弹射减少、小岩片剥落增多、岩板外鼓现象减弱,且岩爆坑体积减小、岩爆碎块的粒径分布由连续分布变为不连续分布;（3）随饱水度的增加,岩爆发生前夕声发射撞击数显著下降的平静期的总历时呈缩短趋势,岩爆发生时刻的声发射撞击数呈增大趋势,且累积绝对能量呈减小趋势、能量释放速度呈放缓趋势,表明岩样塑性破坏特性有所增强;（4）岩爆弹射动能随饱水度的增大而显著减小,二者呈单调线性的负相关关系,水对岩石的作用主要是软化和水楔作用,水的黏性也会对碎块弹射产生影响。     

关于岩爆岩石能量冲击性指标的商榷

本文对前人判断煤(岩)产生矿山冲击或岩爆的能量冲击性指标进行了商讨。同时根据大量的室内岩爆岩石力学弹射试验,提出了岩石岩爆临界弹射能这一新概念,并探讨了岩爆岩石储存能量的性能与有效弹射能之间的关系,为地下工程岩爆灾害预测提供了室内确定岩石岩爆性能的弹性能指数判据。     

支护失效对岩爆弹射破坏影响的真三轴试验研究

利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以灰白色中晶粒花岗岩为研究对象,开展了不同失效支护力、支护失效时机及支护失效速率对岩爆弹射破坏的影响的室内试验。试验中,模拟了地下洞室支护失效前、后的围岩应力路径变化,利用高速摄像系统对岩爆破坏全过程进行追踪与弹射动能测试。结果表明,支护力越大,支护失效时岩爆的弹射动能越大;在轴向应力加载过程中,单面卸除最小主应力的时间越晚,即支护失效越迟,岩爆的弹射动能越大;支护失效速率越大,岩爆弹射动能越大;随着支护失效速率的增大,岩样的破坏模式由脆性开裂静态破坏向岩爆动力破坏转变。     

岩爆岩石弹射性能综合指数 Krb判据

本文以正在施工的南盘江天生桥大型水电站引水隧洞中产生岩爆的石灰岩为试件,在电液闭路伺服控制刚性试验机上进行了大量的岩石弹射试验。依据荷载-位移全过程曲线,分析了有效弹射能 W_eff 与岩爆岩石脆性指数 K_u、应力下降指数 K_σ以及弹性应变能指数 K_w 之间的关系,提出了岩爆岩石弹射性能综合指数 K_rb判据。     

高应力硬岩卸荷岩爆模式及损伤演化分析

针对岩爆形成机制研究的不足,结合岩爆实例和真三轴加、卸荷试验,分析了卸荷岩爆模式,建立了围岩卸荷岩爆发生劈裂破坏和剪切破坏的损伤变量表达式,即损伤演化方程。结果表明,岩爆破裂演化表现为劈裂和剪切的复合破坏形式,不同之处只是劈裂和剪切哪一个所占的成分更大而已;随着剪切成分的增大,爆坑由呈现平底到弧形甚至三角形或V形;随着应力的增加,岩爆倾向性围岩有一段时间的平静期（无损伤）,具体平静期存在时间的长短与围岩卸荷前后的应力水平有关,损伤一旦开始则加速度明显,具有较强的临界敏感性;劈裂总是优先发生的,围岩卸荷后的应力水平越高含剪切成分越大,岩爆也越强烈。     

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。     

锦屏大理岩真三轴岩爆试验的渐进破坏过程研究

为了查明高储能岩体快速卸荷变形破坏机制,设计了锦屏大理岩岩爆试验,对岩爆试件的宏观破坏特征、声发射过程等进行研究。根据以往真三轴岩爆试验特征进行了全程和非全程试验,记录其过程及声发射特征。对比分析两者的宏观破坏特征,解释了岩爆试验的渐进破坏过程。试验结果表明：在大理岩岩爆试验中,岩石试件的宏观破坏是由表及里的;张性裂纹的出现要早于剪切裂纹,剪切裂纹搭接相邻的张性裂纹（或临空面）形成圈闭,圈闭内的岩石碎块出现剥离或以一定初速度弹射;剪切面上岩粉的存在意味着剪切裂纹萌生扩展过程伴随着大量弹性应变能的释放;与其他的岩爆分类和机制相比,岩爆渐进破坏观点能够较好地解释岩爆机制。     

卸压孔劈裂局部解危效应试验研究

针对岩爆局部解危,提出在施工卸压孔基础上将卸压孔劈裂的局部解危方法,结合应变和声发射监测技术开展具有岩爆倾向性的卸压孔劈裂试样双轴压缩试验。结果表明,与单纯施工卸压孔相比,含0°、45°劈裂缝的围岩局部解危演化进程由卸压孔两帮控制转为由劈裂缝端部控制,扩大了局部解危区域,卸压孔和劈裂缝共同起局部解危作用;含90°劈裂缝的围岩局部解危进程仍由卸压孔两帮控制,含0°、45°劈裂缝的峰前应力与垂直应变关系曲线非线性特征增强,峰前能量耗散加大,更大程度地降低了围岩完整性,起到明显卸压效果;相比较而言,0°劈裂缝的局部解危效果最好,其峰前能量释放占比达到85.70%,45°次之,90°较差。研究结果对岩爆防控具有很好的指导和借鉴意义。     

循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究

为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明：循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200℃为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。     

板裂化模型试样失稳破坏及其裂隙扩展特征的试验研究

锦屏二级水电站深埋隧洞大量岩爆案例表明板裂化围岩的失稳破坏与岩爆之间具有很强的相关性。采用高强石膏配制满足板裂化围岩结构特征的硬脆性模型试样,通过一侧约束条件下的单轴压缩试验研究板裂化模型试样的失稳破坏过程、强度与变形特性及其裂纹扩展特征。研究表明,（1）板裂化模型试样失稳破坏过程表现出应变型岩爆的特征,其典型的破坏过程为预制裂隙尖端张拉裂纹的萌生与扩展-试样劈裂成板-岩板屈曲变形-岩板压折、岩片弹射;（2）与完整试样相比,含1条、2条、3条预制裂隙模型试样的峰值强度、弹性模量均呈现稳定下降的趋势,而峰值轴向应变则是先减小后增大;（3）试样预制裂隙尖端张拉裂纹的产生会造成：相邻预制裂隙尖端横向应变值的突变、试样侧向变形量的突增以及侧向变形速率的显著增大;（4）临空面附近的预制裂隙,其尖端产生的张拉裂纹在很短的时间内便会失稳扩展,并造成试样的失稳破坏。最后,分析试样变形破坏过程中的声发射特性。研究结果对于揭示深埋硬岩隧洞板裂化围岩的失稳破坏规律、岩爆的发生机制具有重要意义。     

脆性岩体岩爆倾向性的相似材料配比试验研究

坚硬脆性岩体具有岩爆倾向性。选取单轴抗压强度? c、抗压抗拉强度比? c /? t与冲击能量指数WB为岩爆概化指标。在制作岩爆模型材料时,采用石英砂、石膏、水泥、水、甘油和明胶等相似材料成分运用正交试验设计的原理进行配比试验,制作模型小试件。对模型小试件进行单轴抗压强度试验和劈裂试验,找出了各相似材料成分配比对试件? c、? c /? t与WB的影响特征,选取了合适的岩爆模型材料的配方。该配方力学指标稳定,既满足物理模拟岩爆的模型材料的要求,又便于一次性浇注大尺寸模型试件,较适用于大型物理模拟试验。     

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。     

不同高度花岗岩岩爆试验的声发射特征研究

岩石尺寸是影响其力学行为的重要因素,而岩爆是岩石处于复杂应力状态下的特殊力学响应,因此研究岩爆过程中的尺寸效应影响问题具有重要意义。利用室内MTTA真三轴岩爆模拟试验系统和PAC声发射(AE)监测系统,对具有不同高度的花岗岩进行室内岩爆模拟试验,观察岩石试件破坏特征,分析花岗岩试件岩爆过程中声发射信号的参数特征、波形频谱特征。研究结果表明,随着岩石试件高度的降低,岩爆临界破坏强度有升高的趋势。岩石岩爆破坏后破裂面特征随着试件高度的降低而发生明显变化,经历了由劈裂张拉破坏为主向剪切破坏为主破坏模式的转变。同时,试验中表征损伤的声发射能率参数随着试件高度的降低有增大的趋势,即释能速度越来越快。对实验各典型阶段产生的AE特征波形进行提取并采用快速傅里叶变换方法处理,对比频谱图发现花岗岩岩爆试验过程声发射主频值总体呈“从低频向高频再向低频”转变迁移的趋势,不同高度岩石岩爆试验结果有着相似的谱分布,主频主要集中在90～120k Hz低频区间范围,是该花岗岩岩爆中的最重要特征频率,频谱特征中的高频部分受试件高度的影响而有不同。     

不同高度花岗岩岩爆试验的声发射特征研究

岩石尺寸是影响其力学行为的重要因素,而岩爆是岩石处于复杂应力状态下的特殊力学响应,因此研究岩爆过程中的尺寸效应影响问题具有重要意义。利用室内MTTA真三轴岩爆模拟试验系统和PAC声发射(AE)监测系统,对具有不同高度的花岗岩进行室内岩爆模拟试验,观察岩石试件破坏特征,分析花岗岩试件岩爆过程中声发射信号的参数特征、波形频谱特征。研究结果表明,随着岩石试件高度的降低,岩爆临界破坏强度有升高的趋势。岩石岩爆破坏后破裂面特征随着试件高度的降低而发生明显变化,经历了由劈裂张拉破坏为主向剪切破坏为主破坏模式的转变。同时,试验中表征损伤的声发射能率参数随着试件高度的降低有增大的趋势,即释能速度越来越快。对实验各典型阶段产生的AE特征波形进行提取并采用快速傅里叶变换方法处理,对比频谱图发现花岗岩岩爆试验过程声发射主频值总体呈“从低频向高频再向低频”转变迁移的趋势,不同高度岩石岩爆试验结果有着相似的谱分布,主频主要集中在90～120k Hz低频区间范围,是该花岗岩岩爆中的最重要特征频率,频谱特征中的高频部分受试件高度的影响而有不同。     

真三轴加载条件下岩爆过程的声发射演化特征

利用真三轴岩爆试验系统,对花岗岩开展真三轴加载条件下岩爆过程的声发射试验,初步揭示了岩爆过程中的声发射时空演化特征：岩爆孕育前期,振铃撞击比较小,主频以低频为主,优势频段（基于小波分析能量占比最大频段）为小于125 kHz的低频段,声发射事件点由分散态趋于聚集态,新增事件由临空面向岩样内部方向转移;岩爆发生前夕,振铃撞击比大幅突增,低频、中频、高频信号大量涌现,主频带由离散形态转变为连续形态,250～500 kHz优势频段信号占比明显增加,声发射事件成核区在距临空面较远处成形,临空面附近区域事件点增多;岩爆发生阶段,声发射呈低频高幅特征,优势频段重新转入62.5～125.0 kHz,岩样临空面附近声发射活跃,岩样内部出现明显的声发射事件成核区,表明临空面附近出现了岩板劈裂现象,距临空面较远处出现了宏观剪切破坏现象。     

北京大台井深部岩巷岩爆发生条件及影响因素

大台井岩爆类型为巷道围岩表部岩石破碎爆裂弹射的混合应力型。随采深增加,岩爆的烈度等级加大。岩爆的发生存在一个临界深度。影响岩爆的因素极为复杂。主要有地应力、岩石的结构与性质、开挖(开采)的深度、硐室开挖的形状及尺寸、地质构造与地形地貌、人工爆破等。岩石质地坚硬,结构完整是影响大台井岩爆的基本因素。埋深较大,造成铅垂地应力较高。煤层急倾斜,地质构造特殊,水平地应力较高。构造应力参与是其重要因素。     

基于声发射信号聚类分析和神经网络识别的岩爆预警方法实验研究

开展巷道岩爆室内模拟声发射监测实验,对岩爆过程中的声发射信号进行聚类分析,得到3种类型声发射信号,优选具有岩爆前兆演化异常、能量大、数量小等特征的信号类型作为岩爆前兆特征信号。岩爆发生前,岩爆前兆特征信号开始密集出现,明显的前兆异常。运用时间窗函数对岩爆前兆特征信号的时间密集性进行量化分析,提出衡量信号时序演化特征的量化指标即时间密集度f_t。岩爆发生前,前兆信号密集出现,出现了f_t≥3值,可将首次f_t≥3作为岩爆前兆信息,可将岩爆预警阈值a划定为3。基于岩爆前兆特征信号优选和预警阈值提取,借助BP神经网络,智能识取岩爆前兆特征信号,利用时间窗函数计算岩爆前兆特征信号f_t值,当岩爆前兆特征信号f_t值开始达到岩爆预警阈值(f_t≥a)时则进行岩爆灾害预警,建立了基于巷道岩爆模拟实验声发射数据的岩爆实时预警方法,为工程现场岩爆预警方法的建立提供了新思路。