东北大学岩石力学讲义第六章 地下工程灾害预报与防治

第六章地下工程灾害预报与防治

第四节、岩爆发生的现象、机理与防治

一、岩爆发生的现象

岩爆是矿井进入深部开采以后更容易遇到的严重的灾害之一。

有记录的岩爆发生的历史

我国岩爆发生的基本情况

岩爆是岩石动力破坏的一种特殊形式

采矿引起岩石破坏的主要形式

1、岩块的冒落或坍落

原因：采矿导致节理岩体的松动。危害：砸伤作业人员、损坏支护。

2、松散岩层变形

原因：在强大地应力作用下，松软岩体的明显变形。危害：损坏支护，改变巷道断面和形状。

3、凿岩爆破等动载荷下的破坏；

4、岩爆、煤与瓦斯突出等动力现象

岩爆发生的一些实例

岩爆的危害：造成人员设备的巨大损失并引起作业人员的恐慌。

岩爆与通常的岩体破坏现象的区别

通常的岩体石破坏发生时的主要现象：1、通常的岩石破坏不会有猛烈的声响和(大量)能量的瞬间释放；2、破坏过程缓慢；3、要进一步施加外载或做功才能发生破坏；4、比较容易预报。

岩爆发生的现象和特点：1、破坏范围大、能量大；2、无明显前兆的情况下，自行发生破坏，难以预报；3、破坏时可以有巨大声响，破坏及其迅速；4、小扰动下会引发岩爆；5、岩爆有滞后发生的现象；6、岩爆引起的岩体突然破坏不需要外界向系统进一步输入能量，因此与爆破载荷引起的岩体动力破坏有实质区别。

岩爆发生的初步的定义(从现象上)：

岩爆是岩石（体）猛烈破坏并释放大量能量的现象。

岩爆是岩石（体）的一种特殊的破坏形式，并可以得出如下结论：

1、岩爆不能简单地等同与岩石的破坏；

2、岩爆所表现出的岩石破坏的动力性，不同于爆破引起的岩石动力破坏。

问题与思考：岩爆与普通岩石破坏的根本区别是什么？

“科学研究的区分，就是根据科学对象所具有的特殊的矛盾性。因此，对某一现象所特有的某种矛盾的研究，就构成某一门学科的对象。”（毛泽东《矛盾论》）

库克认为：“岩体发生破坏，引起矿体—围岩力学系统平衡状态破坏时，若其释放的能量大于消耗的能量，将产生岩爆。”

岩爆与通常岩石破坏的本质区别在于：1、破坏的突然性；2、破坏过程中有多余的(有时是大量的)能量释放。

二、经典力学关于非稳定平衡和突然破坏的研究

1、压杆失稳

2、铅笔的稳定平衡与非稳定平衡

3、小球的稳定平衡、非稳定平衡和随遇平衡

4、薄壁结构的失稳破坏

稳定平衡的定义：当一个平衡系统在任意微小扰动作用下，偏离平衡位置一个微小距离后，立即会产生一种作用，使其回到原来的平衡状态，则称该系统处于稳定平衡状态。

非稳定平衡的定义：当一个平衡系统在任意微小扰动作用下，偏离平衡位置一个微小距离后，立即会产生一种作用，使其继续偏离原来的平衡状态，则称该系统处于非稳定平衡状态。

随遇平衡的定义：当一个平衡系统在小扰动作用下，偏离平衡位置一个任意微小距离，当扰动消失后停留在新的平衡位置，则称为随遇平衡。

以上四种非稳定平衡现象都具有以下特点：

1、不需要外部对系统进一步施加能量，在小扰动下可自行发生；

2、平衡状态的变化和破坏是突然发生的。

三、岩爆发生的机理(条件或准则)

考察试验机与岩石组成的力学系统：加载 — 受载系统的力学模型（试验机—岩样系统的力学模型）

假设：岩样发生破坏以前，试验机与岩样处于准静态加载过程。

系统的力学特性：1、试验机在弹性范围内工作，因此

P =K u m

式中K —试验机刚度，u m —试验机变形（解释：u m 不是应变是位移）

2、岩样与试验机组成串联系统

P =R

式中P —试验机受力；R —岩样受力

3、岩样具有应变弱化的本构特性

岩石与金属力学性质的主要区别在于岩石有应变弱化。按照岩石的统计损伤理论，岩石应力—应变关系为

v

E e

εσε-

=， ()0max

c

E σεσ=

E —岩石的弹性模量，c σ—岩石的强度。 岩样载荷—位移曲线的模拟关系

()

u u R ue

f u λ-==，()0max

c

R u u λ=

式中/EA L λ=—岩样的初始刚度

对岩石应力—应变全过程曲线的模拟

p

a —试验机的全位移；u —岩样端面位移 σ

岩石应力—应变全过程曲线

试验机—岩样系统的力学模型

()0

,,u u m P R Ku ue

R f u λ-===

m u a u =-

()()0K u a f u -+=

从岩样变形速率讨论试验机—岩样系统的不稳定性 岩样破坏以前的准静态加载过程、加载速率

()0K u a f u u ??

'-+= ???

式中d dt

=

，()df

f u du '=，u —岩样的准静态变形速率，a —试验系统的准静态变形速率

岩样变形速率

K u a K f

=

+

若0K f '+=，则由于有a

总取限值，因此u →∞

，这意味着岩样变形失稳。 对岩样变形失稳u →∞

（破坏）条件的讨论： 1、

df

du

可以取负值，即岩样具有应变弱化特性(这是岩石自身的性质)； 2、系统所受的载荷足够大，足以使岩石进入过岩石峰值强度以后的变形区，即岩石应、力—应变全过程曲线的后半段(外部条件)；

3、在过岩石峰值强度以后的变形区，即c u u >时，有()c c u u R R ><(系统特性)。 从变形过程中试验机和岩样受力和能量的不平衡讨论试验机—岩样系统破坏的不稳定性

1、当岩样位于峰值强度以前的变形区

c R —岩样的峰值强度，c u —岩样峰值强度对应的岩样压缩，r c u —系统处于非稳定平衡

时岩样的临界位移，r c R —系统处于非稳定平衡时岩样的临界载荷。

特点：只有向系统持续输入能量或增加载荷，岩样和试验机才能发生进一步的变形即系统的平衡是稳定的。

2、当岩样进入峰值强度以后的变形区，试验机刚度小于岩样的负刚度，即/()K f u <时系统平衡的失稳与岩样的突然破坏。

(1)、当c u u >时，c R R <，试验机卸载（弹性恢复）释放能量。

(2)、岩样继续压缩，消耗能量，但随压缩变形的增加，强度同步降低。 当r c u u =时假设有一小扰动使岩样发生进一步变形?u ，则有

(3)、试验机加于岩样上的力超过了岩样的瞬时强度—即岩样能够承受的力，u u P R >，(u u P P R ?=-)。

(4)、试验机弹性恢复，在这个过程中，试验机释放的能量大于岩样继续破坏所需要的能量，m r W W >(m r W W W ?=-)。

(5)、u ?越大，试验机出力与岩样受力之间的不平衡，和试验机释放的能量与岩样变形

消耗的能量之间的不平衡（P ?和r W ?）越大，引起岩样变形加速，直到m

c u u =为止。

特点：一个任意微小扰动可以导致岩样的突然破坏（变形突然加速），并引起系统突然释放能量。

结论：当岩样的变形达到r c u u =时，如果试验机刚度小于岩样的负刚度/()K f u <时，

试验机—岩样系统处于非稳定平衡状态。

系统失稳和岩样突然破坏的条件：

(1)、岩样进入峰值强度后的变形区，()0K f u '+=；(综合了岩样与试验机的特性，系统的特性，必要条件)

(2)、在岩样过峰值强度以后的某个变形区内都有，试验机刚度小于岩样刚度，

()u f K '<。(充分条件)

3、当岩样进入峰值强度以后的变形区，试验机刚度大于岩样的负刚度/()K f u >，系统稳定平衡。

特点：进入过峰值强度以后的变形区，只有向系统持续输入能量或增加载荷，岩样和试验机才能发生进一步的变形。(例如刚性试验机和岩石的应力应变全曲线)

4、加载—受载系统的随遇平衡

注意：在实践中，无限小扰动实际上是有限小扰动

四、岩爆的定义(不仅从现象上而且从理论上)

岩爆是矿山岩体结构处于非稳定平衡状态时，由小扰动引起的岩体突然破坏和系统瞬间释放(大量)能量的现象。

五、加载—受载模型（试验机—岩样系统）解释岩爆的能力

(1)、可以解释岩石破坏造成大量能量释放的突然性；(根据在只需要有任意小扰动和不需要外界向系统进一步输入能量)

(2)、可以解释无明显前兆，自行破坏；(同样根据只要有小扰动作用和不需要外界进一步输入能量)

(3)、可以解释突然破坏和破坏过程极其迅速；（力与能量的不平衡）

(4)、可以解释小扰动下发生突然破坏；

(5)、无法解释破坏的滞后性；

(6)、该模型还可以解释岩爆终止；

特别注意：与压杆和薄壳的几何失稳不同，岩爆是围岩—矿体系统的物理失稳，而试验机—岩样系统是模拟岩爆物理失稳的理想模型。

从上面的讨论还可以看出：当加载—受载系统处于非稳定平衡状态时，不需要外部向系统输入能量，仅仅一个任意微小扰动就可以诱发岩爆。岩爆的发生过程是加载—受载系统内加载体和受载体之间应力迅速调整的过程，还是加载体和受载体之间能量迅速转移的过程，在临近岩爆发生前的孕育过程和岩爆发生过程中，这些过程是系统的内部过程，在外部很难探测到，因此岩爆的预测十分困难，至今仍是岩石力学中的一个难题。

加载—受载模型的其他应用

(1)、地震的前兆变形率(即临近地震发生时大地变形速率的增加)； (2)、地震的前兆应力降1R ?(即临近地震发生时地壳应力下降)； (3)、地震的失稳应力降2R ?(地震发生前后地壳应力的降低)；

(4)、地震空区（声发射）(即临近地震发生时声发射事件数的减小)。 问题与思考：爆破引起的岩石动力破坏与岩爆动力破坏之间的区别与联系

六、岩爆发生条件

1、岩爆发生的充分条件：失稳破坏过程中矿体消耗的能量小于系统释放的能量；

2、岩爆发生的必要条件：矿体—围岩系统处于非稳定平衡状态 条件2是岩样突然破坏的条件。

上述结论是通过对试验机—岩样系统的研究得到的，像“弹性”、“塑性”一样，试验机—岩样系统是模拟岩爆物理失稳的理想模型。是通过对实际现象和过程的抽象得到的。

但是“抽象化的方法（有意弃去它的次要属性而仅保留主要的）不仅对于工程实际目的是完全许可的，而且是科研认识过程的条件之一。”

“从具体的东西上升到抽象的东西，思维不是离开 — 如果它是正确的话 — 真理而是接近真理”

—— 摘自列宁《哲学笔记》

将加载体和受载体组成的系统作为研究对象，与经典力学的研究方法有本质区别。 1、经典力学仅仅研究外部作用下的受载体。但是对岩爆发生过程的研究需要考察加载体与受载体组成的变形力学系统；

2、在经典力学中受载体的外部作用是已知的，但是在岩爆发生过程中，加载体(围岩)作用在受载体(矿体)之上的载荷是变化的。

3、经典力学所研究的平衡失稳多是由于特殊的几何形状引起的，称之为几何失稳。但矿体具有应变弱化的本构特性是(围岩 —矿体的失稳的重要条件。

七、变形系统平衡失稳观点在岩爆研究中的应用

1、坚硬顶板下，矿柱突然破坏的岩爆

1、坚硬顶板；

2、矿柱；

3、矿体

试验机—坚硬顶板；岩样—矿柱

2、圆形巷道岩爆

1—巷道；2—塑性区（应变软化区）；3—弹性区；4—围岩。

试验机—弹性区岩体；岩体—塑性区岩体

3、其他应用。

八、关于岩爆发生的理论

1、强度理论

2、冲击倾向理论

3、刚度理论

4、失稳理论

岩爆就是当岩石介质的变形进入过峰值强度后的变形区时出现包括裂纹和裂隙在内的广义变形集中区，此区域内介质的力学性质发生明显变化。并且系统处于非稳定平衡状态时，在外界扰动下发生的应力失稳过程。

九、岩爆的防治

1、采用有利于减少采动应力的开采顺序

前进式开采改为后退式开采，单翼跨上山开采，在向斜和背斜区，由轴部开始开采，在构造盆底，从盆底开始开采（原理岩爆也是破坏）

2、减少矿体应力

开采保护压、卸压爆破、钻孔卸压

3、改变岩体特性

煤体注水