深埋硐室岩爆应力预测判据与应用研究.pdf

硕士学位论文 深埋硐室岩爆应力预测判据 与应用研究 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 张涛 力学 土木工程学院 李铀教授 中南大学 2 0 1 2 年5 月 分类号U D C 硕士学位论文 密级 深埋硐室岩爆应力预测判据 与应用研究 S t u d yo nS t r e s sP r e d i c t i o nC r i t e r i aa n dA p p l i c a t i o n o fR o c kB u r s ti nD e e pB u r i e dC h a m b e r 作者姓名 学科专业 学院 系、所 指导教师 张涛 力学 土木工程学院 李铀教授 论文答辩日期冽兰』 三弓答辩委员会主席 中南大学 2 0 12 年5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名主塑造日期尘生年』月望日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 期2 坐年土望日 摘要 近年来，我国一些线路长、大埋深的公路或铁路隧道相继出现， 同时应矿产资源开发的需求，采掘作业不断向地下进行，许多矿山已 相继进入深部开采。随着开挖或开采深度的加大，这些洞库工程所处 的地质条件就易形成高地应力现象，并极易在硬脆性岩层中引发岩爆 地质灾害问题。 岩爆孕育发生机制十分复杂，其发生地点具有随机性、孕育过程 具有缓慢性、发生过程具有突发性，对生产安全和工程可靠性的危害 极大。因此，岩爆机理与预测预报模型的研究工作对减小生命财产损 失及指导工程实践具有十分重要的意义。 目前，国内外对岩爆机理的研究还没形成统一的认识，而且依据 不同理论的岩爆判据很难形成统一、准确、实用的预测方法，岩爆问 题研究已成为世界性的地下工程地质灾害难题之一。本文以围岩应力 场为主线，通过理论分析并结合工程实践主要研究了以下几方面内 容 1 岩体强度破坏和弹性应变能积累与耗散是岩爆发生的两个必 要条件，且都与围岩二次应力场具有重要联系。岩体破坏方面，针对 岩爆复杂的力学作用机制，本文将格里菲斯一莫尔联合强度理论作为 不同应力状态下岩石破坏形式的判断依据。 2 围岩在高地应力作用下进入塑性，因此围岩弹塑性应力场准 确与否对岩爆研究至关重要。本文以塑性力学问题求解新方法及两类 特殊边界条件下应力场研究的重要结论为理论基础，采用有限元方法 计算硐室围岩应力场，得到了准确应力场的分布及随深度变化规律， 并与基于经典弹塑性理论的计算结果进行对比分析； 3 依据格里菲斯一莫尔联合强度理论并结合已有岩爆临界应力， 推导出岩爆临界应力新公式，并对其适用性进行了分析； 4 依据岩爆临界应力推导出复杂受力状态下的岩爆临界埋深， 并对其影响因素进行了分析； 5 以苍岭隧道为工程实例，采用经典理论与新方法计算隧道围 岩应力场，然后分别采用岩爆流行应力判据进行岩爆分段预测，并对 塑性力学新方法的工程实用价值进行评判。 关键词岩爆，塑性力学新方法，围岩应力场，数值计算，预测 A B S T R A C TI nr e c e n ty e a r s ，m a n yr o a d so rr a i lr u n n e l so fl o n gl i n e sa n dg r e a td e p t hh 孙，ee m e r g e di no u rc o u n t r y ，a n dw i t hf u l f i l l i n gt h ed e m a n do fm i n e r a lr e s o u r c e sd e v e l o p m e n t ，a sm i n i n go p e r a t i o n sc o n t i n u et ot h eu n d e r g r o u n d ，m a n ym i n e sh a v ee n t e r e dt h ed e e pm i n i n g ．晰t ht h ei n c r e a s i n gd e p t ho fe x c a v a t i o no rm i n i n gc a v e me n g i n e e r i n g ，t h i sg e o l o g i c a lc o n d i t i o nC a ne a s i l yf o r mt h ep h e n o m e n o no fh i g hg e o - s t r e s s ，a n dc a ne a s i l yt r i g g e rar o c k b u r s to fg e o l o g i c a ld i s a s t e r si nt h eb r i t t l er o c k ．R o c k b u r s to f t e nh a p p e n su n d e rav e r yc o m p l e xm e c h a n i s m ，b e c a u s eo ft h er a n d o m n e s so fi t sl o c a t i o n ，t h es l o w i n go fi t sg e s t a t i o np r o c e s sa n dt h es u d d e no fi t so c c u r r e n c e ；i tb r i n g sg r e a th a r mt op r o d u c t i o ns a f e t ya n de n g i n e e r i n gr e l i a b i l i t y ．T h e r e f o r e ，t h es t u d i e so ft h er o c k b u r s tm e c h a n i s ma n df o r e c a s t i n gm o d e lh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et or e d u c et h el O S So fl i f ea n dp r o p e r t ya n dt og u i d ee n g m e e n n gp r a c t i c e ．A tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nt h em e c h a n i s mo fr o c k b u r s th a v en o ty e tf o r m e dau n i f i e du n d e r s t a n d i n ga th o m ea n da b r o a d ．a n di ti Sd i f f i c u l tt of o r mu n i f i e d ，a c c u r a t ea n dp r a c t i c a lp r e d i c t i o nm e t h o d sb a s e do nd i f f e r e n tt h e o r i e s ．T h er e s e a r c ho fr o c k b u r s th a sb e c o m eo n eo ft h ew o r l d w i d eu n d e r g r o u n de n g i n e e r i n gg e o l o g yd i s a s t e rp r o b l e m s ．I nt h i sp a p e gt h er o c ks t r e s sf i e l di sak e yl i n e ，t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dw i t he n g i n e e r i n gp r a c t i c e ．T h es t u d yc o n s i s t so ft h ef o l l o w i n ga s p e c t s 1 T h ee l a s t i cs t r a i ne n e r g ya c c u m u l a t i o na n dd i s s i p a t i o na r et w on e c e s s a r yc o n d i t i o n so fr o c k b u r s t ．a n db o t ho ft h e mh a v ei m p o r t a n tl i n k sw i t ht h es u r r o u n d i n gr o c ks e c o n d a r ys t r e s sf i e l d ．T h i sp a p e rr e l i e so nm e c h a n i c a lm e c h a n i s mo fr o c k b u r s tt e n s i o n ．s h e a rm i x e df a i l u r ei nt h er o c km a s sf a i l u r e ，a n du s e sG r i f f i t h M o o ．r es t r e n g t ht h e o r ya st h eb a s i so fr o c kf a i l u r eu n d e rd i f f e r e n ts t r e s ss t a t ei nt h ef o r mo fj u d 。m n e n t ． 2 S u r r o u n d i n gr o c kw i l le n t e r 吐l ep l a s t i cs t a t u su n d e rt h eh i g h ．1 e v e ls t r e s s ，S O 也ea c c u r a t i o no ft h er o c ke l a s t i c ．p l a s t i cs t r e s sf i e l db e c o m e st h ep o i n tt o 也es t u d yo fr o c k b u r s t ．T h i sp a p e ru s e st h en e wm e t h o d sw h i c hs o l v ep l a s t i cm e c h a n i c a lp r o b l e m sa n dt h ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n so ft h et 、Ⅳot y p e so fs t r e s sf i e l di nt h es p e c i a lb o u n d a r yc o n d i t i o n sa st h et h e o r e t i c a lb a s i s ，a n dc a l c u l a t e st h eu n d e r g r o u n dc a v e r nⅡ s u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sf i e l db yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ．T h ea c c u r a t e s t r e s sd i s t r i b u t i o na n dv a r i a t i o nw i t hd e p t hc h a n g i n gi sr e v e a l e d ，a n da c o m p a r a t i v ea n a l y s i sw i t ht h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sb a s e do n 出ec l a s s i c a l e l a s t i c - p l a s t i ct h e o r yh a sb e e nm a d e ； 3 A c c o r d i n gt oG r i f f i t h - M o h rs t r e n 蓼ht h e o r ya n dc o m b i n i n gw i t h t h ee x i s t i n gc r i t i c a ls t r e s so ft I l er o c k b u r s t ．Id e r i v e dan e wf o r m u l af o r t h ec r i t i c a ls t r e s so ft h er o c kb u r s ta n da n a l y z e di t sa p p l i c a b i l i t y ； 4 B a s e do nt h ec r i t i c a ls t r e s so f t h er o c k b u r S t ．Id e d u c e dt h ec r i t i c a l d e p t hu n d e rt h ec o m p l e xp o w e ro ft h es t a t eo fr o c ke x p l o s i o na n d a n a l y z e di t si n f l u e n c i n gf a c t o r s ． 5 T h i sp a p e rc a l c u l a t e dt h et u n n e ls u r r o u n d i n gr o c ks t r e s sf i e l db y n e wm e t h o d sw i t ht h ee x a m p l eo fC h a n g l i n gt u n n e le n g i n e e r i n g ．T h e nI u s e dt h ep o p u l a rs t r e s sc r i t e r i o no fr o c k b u r s tt op r e d i c tr o c k b u r s t p i e c e w i s e ，a n dj u d g e dt h ep r a c t i c a lv a l u eo f t h en e wm e t h o do f p l a s t i c i t y ． K E YW O R D S r o c k b u r s t ，n e wm e t h o do fp l a s t i c i t y , s u r r o u n d i n gr o c k s t r e s sf i e l d ，n u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，p r e d i c t i o n I I I 硕士学位论文 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I V 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 岩爆研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 岩爆类型及烈度分级⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 岩爆机理研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．2 岩爆预测判据研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 ．3 本文研究方法与内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 1 ．3 ．1 目前岩爆研究存在的几点问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 1 ．3 ．2 本文研究方法与内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 第二章岩爆破坏特征与形成机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．1 岩爆破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．1 4 2 ．1 ．1 爆裂岩块的几何形态特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．1 ．2 动力学特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 2 ．1 ．3 声学特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．1 ．4 脆性破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．2 岩爆破坏机制与强度准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．1 岩爆破坏机制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．2 岩石强度准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 岩爆机理的室内岩石试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．4 岩爆孕育发生机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．4 ．I 岩爆渐进破坏过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 2 ．4 ．2 岩爆过程能量分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 第三章圆硐围岩应力状态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．1 浅埋圆硐围岩应力状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．1 ．1 圆硐简化模型与边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 3 ．1 ．2 围岩二维弹性应力场解析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 3 ．2 基于经典弹塑性理论的围岩应力场．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．2 ．1 圆硐应力场的现有理论解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．2 经典圆硐应力场解答存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 3 ．3 塑性力学新方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 ．1 塑性力学问题求解统一方程组⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．3 ．2 两类边界条件下弹塑性应力场的重要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．4 基于新方法的圆硐围岩应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．4 ．1 围岩应力场随深度的变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 硕士学位论文目录 3 ．4 ．2 基于新方法的应力场与经典弹塑性应力场的对比分析．．．．．．．．．．．3 5 3 ．5 本章小结．．．．．．．．⋯．⋯⋯．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 7 第四章岩爆临界状态分析⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 9 4 ．1 岩爆临界应力．．⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．3 9 4 ．1 ．1 基于岩爆统计结果的临界应力．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．3 9 4 ．1 ．2 基于强度理论的岩爆临界应力．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．4 0 4 ．1 ．3 临界应力公式的工程运用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯4 2 4 ．2 岩爆临界埋深．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．⋯．．．．．．．4 4 4 ．2 ．1 圆形硐室的岩爆临界深度．．．．．．．．．．⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．2 ．2 硐室截面布置对岩爆临界埋深的影响．．．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯⋯4 6 4 ．1 ．3 工程算例⋯．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 本章小结⋯．．．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 第五章岩爆应力判据在苍岭隧道工程中的应用⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．．．．．．5 2 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．⋯⋯⋯5 2 5 ．2 苍岭隧道工程背景⋯⋯．．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．3 工程区地应力实测与反演分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 5 ．4 岩爆倾向性综合分析⋯．．．．．．．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．5 6 5 ．4 ．1 基于弹性能量指数的岩爆倾向性⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．⋯．5 6 5 ．4 ．2 基于脆性系数的岩爆倾向性⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．5 7 5 ．5 基于应力判据的岩爆预测．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．5 7 5 ．5 ．1 计算模型及材料参数的选取⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．5 7 5 ．5 ．2 围岩应力场计算结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 5 ．5 ．3 隧道岩爆分段预测⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 5 ．5 ．4 岩爆预测结果与实况对比分析⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．．．．．．⋯⋯7 0 5 ．6 本章小结．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 第六章结论与展望⋯⋯．⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．7 3 6 ．1 本文主要结论⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．7 3 6 ．2 工作展望⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．7 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．7 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯．⋯⋯⋯．．8 3 V 硕士学位论文 第一章绪论 1 ．1 引言 第一章绪论 进入2 1 世纪以来，为了满足社会和经济发展的迫切需求，地下空间资源的 开发成为许多国家的战略目标。而且在与国民经济息息相关的采矿、地下水工、 地下交通等领域里都将不可避免地涉及到地下硐室开挖或修建以及与此相关的 稳定性和可靠性评价研究。 我国是一个多山的国家，拥有丰富的地下空间资源，同时我国也是世界上具 有不可再生资源 煤、石油等 储备最大的国家之一，建有或在建大量的地下洞 库工程，深部开采或开挖得到了前所未有的发展。因此，一些埋深大、大跨度的 地下硐室稳定性问题也开始凸显出来，并成为地下硐室设计与施工的重要任务。 岩爆是高地应力条件下地下工程中一种常见的动力地质灾害，硬脆性岩体因 为开挖卸荷，开挖面应力急剧释放至零，硐室围岩产生应力集中并且应力重新分 布，聚积在岩体中的弹性应变能在一定条件下突然、猛烈释放，导致岩石爆裂松 脱、剥落、弹射以及抛掷的现象。严重的岩爆具有较强的震动特征，它直接威胁 施工人员及设备的安全并影响工程进度，甚至对地表建筑物造成重大损害。例如， 1 9 7 6 年南非W e l k o m 矿区岩爆里氏震级达5 ．1 级，直接摧毁了地表的一栋6 层楼 房【l 】。近年来，应矿产资源开发的需求，许多矿山已相继进入深部开采。一些区 段长、超大埋深地下硐室工程也逐渐被提上日程。随着开采 挖 深度的增加， 这些工程所处的地质条件就易形成高地应力现象，岩爆发生的概率大大提高。 有资料记载的岩爆最早发生于英国的莱比锡煤矿【2 1 ，从1 8 世纪3 0 年代开始， 此后的2 0 0 多年的过程中，世界上2 0 多个国家和地区在地下工程施工过程中发 生了岩爆现象【2 1 ，表卜l 列举了国外一些严重岩爆实例。 表1 - 1 国外部分灾难性岩爆实录 硕士学位论文第一章绪论 1 9 3 3 年，辽宁抚顺胜利煤矿发生了冲击地压事故，这也是我国历史上最早 的有关岩爆 煤爆 的记载资料【2 】，虽然中国发生岩爆的历史较短，但许多重要 工程发生了剧烈岩爆并造成灾难性的后果1 9 6 7 年，江西盘古山钨矿发生了当 时国内极为罕见的剧烈岩爆，位于矿区中段的6 个矿柱先后倒塌，3 7 3 个采场陆 续遭到破坏，钨金属损失高达4 0 0 0 多吨，价值约2 0 0 万元的生产设备在岩爆过 程中被埋，致使该矿三年内未能恢复生产【3 】；北京门头沟矿曾多次发生岩爆，最 高里氏震级达3 ．8 级，该次岩爆震动效应十分明显，致使地表1 0 0 余间房屋遭到 震裂或损坏，震动半径约为5 k m [ 3 】；2 0 1 1 年1 1 月3 日，河南省义马煤业集团千 秋煤矿2 1 2 2 1 工作面距离井口大概有8 0 0 米的垂直距离的运输巷发生冲击地压 岩爆 事故，致使巷道坍塌，7 5 名井下工作人员被埋，最终造成8 人死亡的 重大惨剧【4 J 。鉴于岩爆带来的灾难性后果，因此深入研究岩爆机理并有效、准确 地预测岩爆具有重要意义。 国外对岩爆进行研究的历史较长，但岩爆的孕育发生机理十分复杂，进展一 直比较缓慢。直到上个世纪5 0 年代，学术界对岩爆发生机理的认识才逐渐清晰 起来。但是岩爆不同于一般的岩体稳定性问题，其最大的特点是它的孕育过程是 准静态的【5 】，发生过程却具有动力学特征，是一个静中有动的围岩灾变过程，因 此岩爆涉及到许多学科 物理学、结晶学、矿物学、动力学等 的知识，众多学 者已从强度、刚度、稳定、断裂、损伤、突变、分形和能量等诸多方面对岩爆力 学作用机制与形成机制进行了分析，但是这些理论各有优缺点，都无法给出岩爆 形成机制的完美解释。在岩爆预测方法的研究上，依据不同理论涌现出许多的岩 爆判别指标，一些近现代数学方法 有限元计算、模糊数学综合评判、人工神经 网络等 也被运用到岩爆预测中来，但总的来看，岩爆预测的准确率不高，仅到 6 0 ％左右1 5 J 。因此对可能发生的岩爆进行合理、及时的预测预报并采取有针对性的 防治措施，就可以有效地减少或杜绝人员伤亡和财产损失。到目前为止，国内外 许多专家、学者在岩爆机理、岩爆预测与预报以及岩爆防治方面均取得了一些重 要成果【6 1 ⋯。但是由于岩爆问题的复杂性，迄今为止，国内外还没有成熟的理论 和方法，因此岩爆机理与预测理论的深入研究不仅具有重要的学术价值，而且可 以减小岩爆造成的生命财产损失并保证施工顺利进行，具有重要的工程指导意 义。 1 ．2 岩爆研究现状 硕士学位论文第一章绪论 1 ．2 ．1 岩爆类型及烈度分级 1 ．2 ．1 ．1 岩爆分类 岩体应力作用方式以及弹性应变能的存储和释放等特点是岩爆分类主要依 据。早在1 9 6 6 年，N o t l e y [ 1 1 】根据破坏机理将岩爆主要分成三类，其具体分类见 表卜2 ，应变型、滑移断裂型与矿柱型岩爆仍是目前广泛采用的岩爆分类。在此 之后，许多学者从应力状态、能量关系、围岩破裂方式以及破裂程度等不同角度 重新划分岩爆类型或将N o t l e y 岩爆类型划分得更加详细。1 9 9 2 年，国内学者谭 以安综合考虑了最大主应力仃，方向以及岩爆岩体的高地应力成因，将岩爆类型 分为三类水平应力型、垂直应力型和混合应力型，并在此基础上依据岩爆特点 与具体应力条件再划分出岩爆的六种亚类【l 引。 表1 - 2 岩爆分类 1 ．2 ．1 ．2 岩爆烈度分级 根据岩爆的剧烈程度以及对工程的危害程度可将岩爆划分为不同的烈度等 级，这对岩爆预测并指导工程施工具有重要意义。 1 9 7 4 年，拉森斯【1 2 】【1 3 1 B ．F ．R u s s e n e s s 在研究挪威陡山坡隧道岩爆现象时， 应用有限元计算和吉尔西 k i r s c h 方程来计算洞壁最大切向应力仃。一，并通 过绘制岩爆烈度与隧道洞壁仃。一和岩石的点载荷强度值，，的关系图，用以预测 岩爆和判定岩爆等级。根据岩爆发生时的声响、围岩爆裂破坏等特征拉森斯将岩 爆烈度划分为O ～3 四个等级。 烈度越高的岩爆对工程的危害程度越大，1 9 8 1 年，德国学者G 布霍依诺【l 5 J 以此为依据，将岩爆烈度划分为三级轻微、中等、严重岩爆。 1 9 8 8 年，我国谭以安【1 6 】也把岩爆危害程度作为划分依据，同时综合岩爆的 硕士学位论文 第一章绪论 声学、力学特征以及围岩的具体破坏形态将岩爆烈度划分为弱、中等、强烈、极 强四个等级。 1 9 9 8 年，国内学者王兰生【】7 】1 1 8 ] 对二郎山公路隧道岩爆进行大量调研，并在 综合考虑爆裂岩块几何形态、断口特征、发生时的声响、动力学特征以及岩爆的 时效特征、影响深度等因素后，将岩爆烈度划分为轻微、中等、强烈、剧烈四级。 王兰生教授的岩爆烈度分级考虑因素较为全面。依据已有岩爆烈度分级，综合考 虑岩爆的各项特征后，岩爆烈度可定性地划分为四级【19 】，如表1 - 3 所示。 表1 - 3 岩爆烈度分级 注仃。为岩石单轴抗压强度。 1 ．2 ．2 岩爆机理研究现状 关于岩爆的形成机制，百年来诸多理论百花齐放，国内外学者分别提出了能 量理论、强度理论、刚度理论、失稳理论、损伤理论、断层破坏理论、以及力偶 破坏理论等解释岩爆机理，但迄今为止学术界尚未形成岩爆机理的统一认识。目 前，流行的岩爆机理解释有以下几种理论 1 ．强度理论 强度理论从岩石的破坏准则与破坏方式出发，并认为当硐室围岩的集中应力 达到岩石的极限状态后将发生破坏。 在近代岩石力学中，运用较为广泛的强度准则有莫尔一库仑理论强度准则与 H o e k B r o w n 岩石破坏经验判据。莫尔一库仑强度准则适用于岩石的压剪破坏，其 数学解析式为 4 硕士学位论文 第一章绪论 r 仃。t a n g o C 卜1 式中r 一剪裂面上的剪切应力；仃。一垂直于剪裂面的正应力；9 一岩石的 内摩擦角；c 一岩石的内聚力。 1 9 8 0 年，霍克 H o e k 与布朗 B r o w n 通过总结大量岩石 岩体 抛物线 型破坏包络线，提出岩石破坏的经验判据 - _ ●_ _ _ _ _ _ - _ _ _ - ●_ ●_ _ ●_ _ _ ●_ _ ●_ _ ●_ _ _ _ ●_ _ - _ _ - - _ 一 仃l 仃3 √聊仃c 仃3 s o ．； 1 2 式中仃，一岩石破坏时的最大主应力；仃，一岩石破坏时的最小主应力；仃。一 岩石的单轴抗压强度。肌与s 是经验系数，其与岩石性质有关。 上世纪2 0 年代，格里菲斯 G r i f f i t h 通过研究含裂隙的脆性材料断裂， 提出了裂纹扩展的应力条件 仃1 3 仃3 ≥0 时， 仃1 3 仃3 盟 1 - 6 d t‘d td t 式中a 一围岩能量释放有效系数；p 一矿体能量释放有效系数；阡名一围岩所 储存的能量；伟- 一岩体储存的能量；玎，n 一消耗于岩体和围岩交界处矿体破坏 阻力的能量。 1 9 8 1 年，波兰学者K i d y b i n s k i 【3 8 】提出了弹性能量指数Ⅳk 并用来预测岩爆。 硕士学位论文 第一章绪论 范永慧【4 l J 等通过分析认为岩爆的能量积累与耗散与地应力作用以及晶体结 构断裂有很重要的关系。上世纪9 0 年代，谭以安【4 2 】通过分析认为岩爆有效弹射 能与弹性应变能指数、应力下降指数以及岩石脆性指数之间存在一定的联系，并 提出了岩爆的弹射性能综合指数K ，。判据。 岩性条件、地质构造、水文等因素影响弹性应变能的存储及释放，因此也是 岩爆的影响因素。能量理论很好解释了岩爆的动力源问题，从能量角度揭示了岩 爆的发生机理，但该理论的不足之处在于它不能确定围岩爆裂岩体的具体范围， 因而不能具体地说明平衡状态的性质与破坏条件【2 3 | 。 3 ．刚度理论 上世纪6 0 年代，C o o k 等人依据刚性试验机原理提出了刚度理论【4 引，刚度理 论主要用以解释矿柱型岩爆和煤矿冲击地压。2 0 世纪6 0 年代中期，B i e n i a w s k i 与c o o k 先后采用普通压力机与刚性试验机对岩石进行单轴压缩试验，前者岩石 破坏猛烈发生，而后者则较为平稳，他们认为试验机刚度小于岩石试件刚度是出 现这种状况的根本原因【5 1 。到7 0 年代，B l a c k 采用刚度理论对矿柱型岩爆进行研 究，并取得了一定成果1 2 引。 刚性试验研究成果表明，岩石的刚度随应力条件不断变化，岩石强度极限以 前的刚度 K 。 为正值，超过强度极限以后为负值 K ， ，当l K 。I I K ，I 时，试样 将会出现迅猛的破坏，这与岩爆现象极为相似，因此刚度冲击性指标K r F 被用于 岩爆预测，当鲜F 1 时有冲击的危险1 7 J 。 刚度理论简单直观，但目前运用并不广泛，主要原因是没有明确给出矿山结 构和矿山负荷系统的划分及其刚度的概念，而且也未考虑矿山系统自身的能量积 聚与耗散。 近年来，岩爆机理的分形理论解释、损伤解释、灰色理论、突变理论以及失 稳理论等也得到一定发展。 1 9 9 2 年，我国学者谢和平【4 7 】运用分形几何和损伤力学研究了岩爆诱发的微地 震，用数目一半径关系考察了微地震事件的位置分布，并发现微震事件分布具有集 聚分形结构，当岩爆发生时，分形维数与微震事件的集中程度呈反向关系。研究 表明一个强的破坏岩爆或地震实际上等效于岩体内破裂的一个分形集聚。这个 破裂的分形集聚所需能量耗散E 随分形维数D 的减小而按指数律增加。 D C le x p - C 2 E 卜7 近年来，损伤力学与断裂力学快速发展，并在岩爆研究中得到广泛运用。损 伤力学与断裂力学摆脱了经典连续介质力学的束缚，可以比较实际地评价岩体的 开裂和失稳。通过大量学者的深入研究，岩爆的断裂损伤解释取得了一定的成果 【4 8 卜【5 l 】。我国学者梁志勇【5 2 】采用平行杆模型模拟洞室围岩，从统计损伤角度对不 硕士学位论文第一章绪论 同脆性岩石都遵从近似的应力强度比判据做出了解释。刘洪永、程远平口3 】建立了 采动煤岩体弹脆塑性损伤本构模型，并用于保护层开采的岩 煤 爆预评价。 失稳理论认为岩石介质受开挖 采 影响而产生应力集中，并在岩体内高应 力区介质局部出现应变软化，当其与尚未形成应变软化的介质处于非平稳状态 时，在外界扰动如洞室的开挖、围岩振动、地震等因素的影响下的动力失稳过程 就是岩爆1 4 3 1 。突变指的是系统两种稳定状态间的跳跃式转变，目前已有学者采用 尖点突变模型研究岩爆问题，灰色理论亦是如此，但这些理论尚未形成较为实用 的理论或现场判别指标，有待于更多学者进一步研究。 1 ．2 ．2 岩爆预测判据研究现状 1 ．基于能量的岩爆判据 岩石存储的弹性应变能是发生岩爆的内在主导因素，它不仅是裂纹扩展、贯 通的能量源，也是岩石破坏，甚至是岩体弹射、抛掷的动力源。因此国内外专家、 学者基于能量观点并充分考虑岩石自身特性，总结出一些岩爆倾向性判别指标。 倾向性指标主要用于地质勘测阶段，目前一些主要的能量倾向性指标有以下几 种 1 弹性能量指数Ⅲ】 图l 一1 岩石的加卸载曲线 弹性能量指数即冲击倾向指数阡■，最早由波兰学者K i d y b i n s k i 于1 9 8 1 年 提出。通过压力机对岩石试件进行单轴压缩试验，将岩石试件加载至0 ．7 ～0 ．8 仃。，然后再卸载到0 ．5 仃。，根据应力一应变曲线 图卜1 中卸载曲线下的面积 与加载、卸载曲线之间所围的面积之比即为昂，胛 ％， 妒s P ／峙 卜8 式中≯。一卸载所释放的弹性应变能；砂。一耗损的弹性应变能。K i d y b i n s k i 针对岩石实验结果给出了岩爆倾向性分类标准