岩爆模拟试验及岩爆机理研究

用岩石声发射与岩石损伤分析岩爆发生机制

用岩石声发射与岩石损伤分析岩爆发生机制Ξ河北理工学院资源工程系徐东强ΞΞ　单晓云　张艳博摘　要:文中介绍了利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式;用不同孔隙率的阜平大理岩进行了双轴压缩试验,模拟了双向受力状态下的岩爆,研究了其破坏过程中的声发射特征,并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。

关键词:声发射　损伤力学　岩爆1　前言地壳中的岩体本身存在着一个极其复杂的自然应力场。

采掘活动会引起自然应力场的变化,使岩体中的应力重新分布。

在某些条件下,积聚在岩体中的弹性应变能一旦超过岩体的弹性临界状态就会引起岩石的非线性变形,剧烈时可产生岩爆。

岩体在变形破坏过程中会产生应力波和声波,我们称为声发射。

声发射的发生是由于错位的累计而形成的裂纹、晶格错动、或从原有的缺陷发生的脆性破裂及其向外扩张传播,以及由此而引起的内部结构上的变化所释放的能量等等。

研究岩石变形破坏过程中的声发射特性,对于探讨岩体突发失稳的机制及其防治、预报岩爆具有重要作用。

损伤是指在外载荷环境的作用下,由于细观结构的缺陷(如微裂纹、微孔洞等)引起的材料或结构的劣化过程。

损伤力学则是研究含损伤介质的材料性质以及在变形过程中损伤的演化发展直到破坏的力学过程的学科。

损伤力学是近20年来发展起来的一门新的学科,它是材料结构变形与破坏理论的重要组成部分。

损伤力学的研究不仅限于金属材料方面,而且逐渐被引进到岩石、混凝土类材料的强度及结构关系的研究。

几十年来,材料损伤性质的研究发展迅速,在微观、细观及宏观的基础上进行了大量的工作。

有关细观损伤的成核机理、演化规律、细观损伤对宏观力学性质的影响等是当前损伤研究的主要问题。

通过声发射的产生机理和损伤力学的研究内容,我们有理由认为声发射活动与岩石内部的损伤状态之间存在一定的关系,本文通过阜平大理岩双向加载声发射实验和双向受力岩石损伤分析,研究了岩爆的发生机制和岩爆的预报。

2　损伤变量与声发射关系在连续损伤力学中损伤变量D是这样定义的:材料损伤形成的微孔洞、微裂纹面积与材料损伤前总承载面积之比,其表达式为: D=S nS(1)式中,S—原始无损伤时材料面积;・82・ΞΞΞ徐东强　副教授　河北唐山　063009河北省自然科学基金资助项目S n—损伤面积。

(草稿)抛掷型岩爆机理分析与模拟试验技术

Mr0 P C cot ( P C cot )(1 sin ) i 4Gu rp 0
sin 1sin
图1-2 洞壁位移-支护抗力关系曲线
岩爆的发生与上述现象有相似之处，都是在高地应力围岩中产生扰动，引起围岩位移和应力集中。只不过岩爆是发生在洞壁围岩中，因洞壁围岩已有了一次应力
第一阶段，开始加载，弹簧试件同时被压缩。
第二阶段，荷载加大，试件被压缩，弹簧被压实。
第三阶段，荷载超过峰值，材料产生初始破坏，试件承载力降低。当承载力降低到弹簧的最大恢复力时，弹簧伸长，对试件产生弹性压力，试件迅速破坏，产生岩爆。
4.2 岩爆试件宏观破坏现象
我们用上述两套装臵进行了多块岩爆试件模拟试验。
与认识，我们对抛掷型岩爆模拟试验技术提出如下建议：（1）用试件对抛掷型岩爆机理进行模拟试验我们建议： <1>试件材料要有硬脆性的特征；
<2>在试件上要产生应力集中现象；
<3>在加载过程中要有能量补充。
建议的试验方案如图2-2所示。对弹簧的要求是变形刚度要小于试件的刚度，最大恢复力要小于材料的峰值强度。根据试验要求，可等于全过程曲线峰值后某点的承载力，见图2-3。
补充认识，研制了新的试验装臵，在试验技术上也有较
大的进步，真正的实现了抛掷型岩爆现象。为了交流经验，促进这项事业的发展，我向大家做一简要汇报，有不合适的地方，欢迎批评指正！
1 对抛掷型岩爆发生机理的新认识
关于岩爆机理，前人已经做了较多的研究。我们是在
前人研究的基础上，针对抛掷型岩爆的特点，再谈点新认
PV
围岩
弹簧
PH
岩爆体
PH
PV
图1-3 洞壁围岩与岩爆体相互作用原理示意图

真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究

真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究一、本文概述本文旨在深入研究真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性及其诱发的岩爆机理。

随着地下工程向深部发展，深部岩体的力学行为及其稳定性问题日益突出。

岩爆作为一种常见的深部岩体动力灾害，对地下工程的安全性和稳定性构成了严重威胁。

因此，揭示真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性和岩爆机理，对于预防和控制岩爆灾害具有重要的理论意义和实践价值。

本文首先回顾了国内外关于深部岩体破裂特性和岩爆机理的研究现状，指出了现有研究的不足和需要进一步深入探索的问题。

在此基础上，通过理论分析、实验室试验和数值模拟等多种方法，系统地研究了真三轴卸载条件下深部岩体的应力-应变关系、破裂模式、能量演化规律等关键科学问题。

本文的主要研究内容包括：1）建立真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性的理论分析框架；2）开展真三轴卸载试验，揭示深部岩体在不同卸载路径下的破裂模式和能量演化规律；3）利用数值模拟方法，分析深部岩体在真三轴卸载过程中的应力分布、位移场和能量场的变化特征；4）结合理论分析和数值模拟结果，探讨真三轴卸载条件下诱发岩爆的机理和影响因素。

本文的研究成果不仅有助于深化对深部岩体破裂特性和岩爆机理的认识，也为地下工程的安全设计和灾害防控提供了重要的理论依据和技术支持。

二、真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性研究在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性是一个复杂且关键的问题。

为了深入了解这一过程，本研究采用了一系列先进的实验方法和数值模拟技术，对岩体的应力-应变行为、破裂模式以及能量演化等方面进行了详细的分析。

通过真三轴实验设备对深部岩体进行卸载模拟。

实验过程中，我们精确控制了卸载速率和卸载路径，以模拟实际工程中的卸载过程。

同时，利用高分辨率的摄像头和位移传感器，实时记录了岩体表面的裂缝扩展和变形情况。

实验结果表明，在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性呈现出明显的非线性特征。

随着卸载的进行，岩体内的应力场和应变场发生重分布，导致岩体逐渐产生裂缝。

岩爆预测与预防

岩爆的预测与预防一、岩爆灾害研究现状岩爆(冲击地压)是指在高地应力地区洞室开挖后，由于洞室的应力重分布和应力集中，在较短时间产生的突发的、猛烈的脆性破坏形式。

岩爆发生时，破碎岩石从坑洞壁弹射或大量岩石崩出，产生强烈的气浪或冲击波，严重的可摧毁整个作业面乃至整个洞室，对矿山安全开采造成了极大的危害。

国内外对岩爆问题的研究，主要集中在三个方面：岩爆机理研究；岩爆危险性评价、监测预报技术研究；岩爆防治措施研究。

其中，岩爆机理研究是预测和防治的理论基础，也是国内外学者研究的重要内容，比较具有代表性的有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论等。

(1)强度理论：岩体破坏的原因和规律，实际上是强度问题，即材料受载荷超过其强度极限时，必然要发生破坏。

但是这仅是对材料破坏的一般规律的认识，它不能深入解释岩爆的真实机理。

(2)刚度理论：刚度理论是Cook等人由刚性试验机理论而得到的，该理论认为若试验机刚度小于试件后期变形刚度时，则发生突然的失稳破坏。

(3)能量理论：20世纪60年代中期，Cook等人总结南非金矿岩爆研究成果后提出了能量理论。

他们指出：随着采掘范围的不断扩大，岩爆是由于岩体—围岩系统在其力学平衡状态破坏时，系统释放的能量大于岩体本身破坏所消耗的能量而引起的。

(4)冲击倾向理论：冲击倾向性是指介质产生冲击破坏的固有能力或属性。

用一个或一组岩石本身性质有关的指标衡量矿岩的岩爆倾向强弱，这类理论就是所谓的岩爆或冲击倾向理论。

二、岩爆地质综合分析与预测（1）地应力条件岩爆的发生与地应力积聚特征有着密切的关系。

因此，地应力场分析对于岩爆预测非常重要，高地应力条件是发生岩爆的必要条件。

然而对于高地应力区，是一个目前尚未统一规定和定义的问题。

目前国内外学者对可能发生岩爆的高地应力界定差异很大，其中一类以地应力绝对大小划分，认为最大主应力达到20～30MPa 时即可认为岩体处于高地应力状态。

(2) 地质构造褶皱构造核部一般是应力集中带，因为研究区域应力场以水平应力场为主，巷道开挖后，垂直洞壁方向的初始地应力增高，使得水平应力与垂直应力的差距加大，巷道拱顶部位产生高应力集中，导致岩爆发生。

岩爆分析、监测与预警

600 500 400 300 200 100 0 0 20 40 60
369 269 186
80
100
120
加载步/N
单轴压缩破坏过程模拟图
（4）卸载问题是加载路径问题
大连理工大学
累积声发射数/N
518
6426
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
声发射数/N
一、岩爆机理研究
岩爆研究方法中的几个关键问题
脆性破坏应力跌落引起应力转移
（1）脆性破坏是岩爆的本质
大连理工大学
一、岩爆机理研究
Study of Rockburst Mechanism
70m
75m
（1）脆性破坏Leabharlann 岩爆的本质大连理工大学一、岩爆机理研究
Study of Rockburst Mechanism
70m
75m
（2）拉伸破裂是岩石脆性破裂的主要形式
大连理工大学
一、岩爆机理研究
Study of Rockburst Mechanism
1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -5 -0.2 0 -0.4 -0.6 -0.8 -1 5 10 15 20
（3）非均匀性是岩爆监测预警的关键
大连理工大学
一、岩爆机理研究
RFPA modeling
大连理工大学
（1）脆性破坏是岩爆的本质
大连理工大学
一、岩爆机理研究
Study of Rockburst Mechanism
岩爆研究方法中的几个关键问题
真实照片数值试样
穿晶破裂
沿晶破裂
（1）脆性破坏是岩爆的本质
大连理工大学
一、岩爆机理研究

抛掷型岩爆机理分析与模拟试验技术

（3）工程中岩爆发生时，洞壁围岩会对岩爆体产生能量汇聚，这是抛掷型岩爆发生的重要前提。
在实际工程中看到：在高地应力地区开挖隧洞时，洞壁围岩往往要产生很大的收敛变形，有时会把洞内的支护、
衬砌都压垮（见图1-1）。
图1-1 洞室收敛挤压变形状态
另外，从围岩弹塑性理论分析中也可看出（见图1-2），在洞室开挖之后，洞壁围岩要产生径向位移，要限制这种位移的发展，需要对洞壁提供较大的支撑力。
对岩爆问题来说，岩爆体也是一种不被全部约束的结
构体（因它有自由面)。当岩爆体吸收的内能达到极限时，它并不会发生破坏（岩爆）。它要发生破坏（岩爆），也
必须要有外力功对其破坏过程进行能量补充，也就是必须
让洞壁围岩继续对它产生挤压变形。
上述观点启示我们，在岩爆机理模拟试验中，必须对岩
爆试件进行能量补充，以保持试件的破坏过程。
要使岩爆试件产生抛掷型岩爆，必须解决使岩爆试件产
生迅速破坏的技术问题。
2.2 对抛掷型岩爆机理模拟试验的建议
根据前面对岩爆机理与试验技术的分析，我们对抛掷型岩爆模机理拟试验技术提出如下建议：（1）岩爆试件应满足如下要求：
<1>试件材料要有硬脆性特征；
<2>试件上要有应力集中现象； <3>在加载过程中要有能量补充。
1 2 3
8920 8590 8400
40.1% 44% 63.5%
2055.04 1355.6 2395.9
1345.16 502.5 1043.6
137.00 1574.4 874.8
39.00 337.0 1018.0
38.92 154.96 268.04
从表中看到，岩爆烈度与试件动的能大小、碎块质量的

岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理

岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理赵康;赵红宇;贾群燕【摘要】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.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2015(035)006【总页数】6页(P913-918)【关键词】爆炸力学;微观形貌;扫描电镜;岩爆;岩石断口;地应力;岩石成分【作者】赵康;赵红宇;贾群燕【作者单位】江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000;江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000;江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000【正文语种】中文【中图分类】O389;TU452岩爆，也称冲击地压，常出现在深埋地下工程硬脆岩体高地应力区域施工的过程中，坚硬围岩因开挖扰动导致应力的转移与集中，当集中应力超过巷道围岩的破坏强度时，聚积在巷道岩体内部储存的弹性应变能突然释放，致使巷道围岩产生爆裂性松脱、剥落、弹射或抛掷，甚至发生矿震，严重威胁矿山安全生产，常造成重大人员伤亡和生产设备的损坏事故[1-3]。

对于岩爆产生的机理，虽然很多学者进行了大量研究，但目前仍没有定论[4-5]。

岩爆断裂微观结构形貌分析，在一定程度上真实反映了岩爆形成时岩石材料内部损伤演化过程中的受力情况和结构破环特征, 客观地揭示了断裂过程的本质特性。

扫描电镜(SEM)自从1965年被发明以来，在各行业应用广泛，尤其是在研究材料的微观结构方面发挥了巨大作用[6-8]。