深部花岗岩试样岩爆过程实验研究.pdf

第 2 6卷第 5期 2 0 0 7年 5月 岩石力学与工程学报 C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g Vb 1 ． 2 6 N0 ． 5 M a y ， 2 0 0 7 深部花岗岩试样岩爆过程实验研究 何满潮 ～，苗金丽 。，李德建 。，王春光 ’ 1 ．中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．中国矿业大学“ 煤炭资源与安全开采”国家重点实验室，北京 1 0 0 0 8 3 摘要利用 自行设计的深部岩爆过程实验系统，对深部高应力条件下的花岗岩岩爆过程进行实验研究。岩爆实验 过程可模拟实际工程的开挖条件对加载至三向不同应力状态下的板状花岗岩试样，快速卸载一个方向的水平应 力，保持其他两向应力不变或保持其中一向应力不变增加另外一向应力。实验过程中采集 3个方向应力随时间的 变化数据，获得花岗岩岩爆全过程应力曲线。根据实验结果，将花岗岩岩爆全过程分为平静期、小颗粒弹射、片 状剥离伴随着颗粒混合弹射及全面崩垮 4个阶段；将花岗岩岩爆的破坏形式分为颗粒弹射破坏、片状劈裂破坏和 块状崩落破坏；分析发生岩爆后花岗岩试样的微观结构破坏特征；根据卸载后发生岩爆的最大主应力与岩石单轴 抗压强度的比值对岩爆强度进行分类；根据卸载后至发生岩爆现象的时间，将岩爆分为滞后岩爆、标准岩爆和瞬 时岩爆，并对花岗岩岩爆发生机制进行初步探讨。 关键词岩石力学；岩爆过程；深部；岩爆类型；花岗岩 中圈分类号T u 4 5 文献标识码 A 文章编号1 0 0 06 9 1 5 2 0 0 7 0 50 8 6 5 1 2 EXPERI M ENTAL S TUDY oN RoCKBURS T P RoCES S ES oF GRANI TE S P ECI M EN AT GREAT DEPTH H E Ma n c h a o ’ 。 ，MI AO J i n l i ’ 。 ，L I De j i a n ’ 。 ，WANG C h u l a g u a n g ’ f 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c s a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e U i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ． S t a t e K e y L a b o r a t o r y o fC o a l R e s o u r c e s a n d Mi n e S a f e ty，C h i n a U n i v e r s i ty o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y ，B e r i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Abs t r a c t Ro c k b u r s t i s a no n l i n e a r d yn a m i c a l p h e n o m e no n wh e n l arg e a mo un t s o f e ne r g i e s r e l e a s e alo n g f r e e s u r f a c e d uring e x c a v a t i on wi thi n un d e r g r o un d r oc k m a s s e s a t g r e a t d e p t h．An e x pe rime n t al s ys t e m h a s b e e n d e s i g ne d t o r e p r o du c e s uc h a n a t u r al r oc k bu r s t p h e n o me n on b y me a n s o f t wo p r o c e s s e s ， o n e i s t r u e t r i a xi al s t r e s s l oa d i n g p r o c e s s t o s i mu l a t e i n s i t u s tre s s e s ； a n d t he othe r i s s u r f a c e u n l oa d i ng p r o c e s s wi th un l o a di n g on e d i r e c t i o n s tre s s f a s t t o p r o d u c e a f r e e s ur f a c e ． Du rin g t h e p r o c e s s of o n e d i r e c t i o n un l o a d i n g， t h e s tre s s e s i n o the r t wo d i r e c t i on s ar e k e p t orig i nal o r t he l o a ds i n on e d i r e c t i o n i nc r e a s e wi t h t he o th e r s t e a dy ．Te n o f g r a ni t e p l a t e s p e c i me ns ar e t e s t e d． Th e r e l a t i o n c u r v e s o f s tre s s a n d t i m e i n th e e n t i r e p r oc e s s o f g r an i t e r oc k bu r s t s ar e a c qu i r e d b a s e d o n t h e r e s u l t s o f c o l l e c t e d da t a ． Th e e xp e rime n t al r e s u l t s s h ow th a t the pr oc e s s o f g r a n i t e r oc k b ur s t i n c l u d e s f o u r s t a g e s - - - - c a l m p e ri o d ，s mall g r a i n s e j e c t i o n ，r o c k fl a k e s a n d／ o r g r a i n s e j e c t i o n and c o l l a p s e e n t i r e fr a c t u r e ． Ro c k b u r s t i n t e n s i t y i s d e fin e d b y th e r a t i o of ma x i mu m prin c i p a l s t r e s s c r l t o un i a xi al c omp r e s s i o n s tre n g th ． Ac c o r di n g t o the t i me b e t we e n t he u nl oa di n g a n d t h e be g i n n i n g o f t h e r o c k b u r s t ， t h r e e t yp e s of r oc k bu r s t s are c l a s s i fie d， i n s t an t r o c kb u r s t ， s t an dard r o c kb u r s t a n d de l a y e d r o c k b ur s t ．Th e mi c r o c o s mi c c h ara c t e ris t i c o f the g r a n i t e a f t e r r o c k b u r s t f r a c tur e i s ana l y z e d ． T h r e e fr a c t u r e s t y l e s o f r o c k b u r s t a r e c l a s s i fi e d l o c al gra i n s e j e c t i o n f ail u r e ，flak e s p all i n g f ail u r e a n d b l o c k c o l l a p s e f a i l u r e ． Th e me c h a n i s m o f r o c k b u r s t i s p r e l i mi n a r i l y d i s c u s s e d ． I t i s of g r e a t i mpo r t a n c e t o s tu d y r oc k bu r s t m e c h an i s m a n d t o p r e v e nt r o c k b u r s t i n de e p c o al mi n e e n gi n e e rin g． Ke y wo r d s r o c k me c h a n i c s ； r o c k b u r s t p r o c e s s e s ；g r e a t d e p th ；r o c k b u r s t t y p e s ；g r an i t e 收藕 日期l 2 0 0 61 2 1 8 ；修回日期I 2 0 0 7 0 1 2 0 基金项目l国家重点基础研究发展计划 9 7 3 项 H 2 0 0 6 C B 2 0 2 2 0 0 ；国家 自然科学基金重大项 H 5 0 4 9 0 2 7 0 ；国家基金委创新群体基金资助项H 5 0 2 2 1 4 0 2 作者筒介 何满潮 1 9 5 6一 ，男，博士，1 9 8 1 年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事软岩、边坡及工程地质、地热 工程等方面的教学与研究工作。E ． ma i l h e m a n c h a o 1 6 3 ． t o m 维普资讯 8 6 6 岩石力学与工程学报 2 0 0 7年 1 引 言 在深部岩体工程 中，经常会遇到具有突发性动 力破坏特征的岩爆现象。所谓深部是指随着开挖深 度增加，工程岩体开始出现非线性力学现象的深度 及其以下的深度区间⋯。非线性力学现象指软岩 出 现非线性大变形或硬岩 出现冲击地压 岩爆 。随着 开采深度的增加，深部开采与浅部开采所处的环境 明显不同，深部开采所处的环境为高地应力、高地 温、高岩溶水压和 强烈的开采扰动 ，而浅部表现为 脆性岩体在深部高应力条件下转变为延性，在开采 卸载条件下又由延性 向脆性转化，易于产生岩爆L 2 J 。 发生岩爆 时，大小不同的岩块、碎片和颗粒等会携 带大量能量 向巷道等地下空问弹射或抛掷，常常给 生产造成损失，对人员安全造成威胁。 随着矿 山、水利水电、铁路 公路 交通 隧道等 工程 向深部发展，岩爆作为一种深部灾害现象，其 发生越来越频繁。为了提高岩爆预测、预报的准确性， 保证深部资源开采的安全性，深入开展岩爆的机制研 究非常必要。过去人们对岩爆的研究着重于两个方 面一方面是岩爆理论分析，基于岩爆的破坏现象， 对岩石进行室内实验，获得岩石的脆性指数、弹性能 指数或岩爆倾向性指数等指标，对岩爆进行分类与预 测 J 另一方面则侧重于岩爆 的现场实验与监测研 究 ，在此方面国内外学者进行 了大量的研究工作。 唐礼忠等L 4 】 对有深部硬岩岩爆灾害的冬瓜 山矿山采 用微震法进行监测，从而预报岩爆 。刘建辉和李化 敏L 5 研 究 了电磁辐射 法在岩 爆监 测 中的应 用 。J ． S i l e n 2 和 A． Mi l e v [6 ] 在南非金矿开采现场进行了岩 爆模拟实验，利用地震波监测原理分析岩爆预测的 准确性，并用高速摄影分析岩爆时弹射块体的弹射 速度。s ． Y Wa n g等 】 对单轴条件的岩爆机制进行了 数值模拟和分析。杨 健和武 雄 【 8 ] 提出了采用系统 决策和 模糊数学相 结合 的层 次分析 一模糊综合评 价方法 A HP F UZ Z Y 。左宇军等 】 提出了层裂屈曲 岩爆的突变模型 。邵 鹏等【 l o J 提 出了岩爆发生的随 机共振模型。V A． Ma n s u r o v [ 1 1 ] 提出了采用开采引起 的地层振动数据来进行岩爆预测 的方法 。 由于影响岩爆 的因素很多，除受岩性条件和应 力条件控制外 ，开采条件 包括地下工程几何形状、 开采方式、开采顺序等 对岩爆的发生也有很大影 响。目前对岩爆 的发生和破坏机制还没有很清楚的 认识，对岩爆的预测还不够准确 。从岩爆机制研究 着手，才是解决岩爆预测与防治的根本，而实验是 岩爆机制研究的基础之一。 过去有很多关于单轴压缩的岩爆室 内实验 、单 轴及双轴动静载荷组合 的岩爆实验、真三轴加载的 岩爆实验和常规三轴卸载的岩爆实验的研究u J 。 s ． H． C h o等 及 J ． A． Wa n g和 H_ D． P a r k 【 “ 】 提出用 单轴循环加、卸载实验结果预测岩爆发生的可能性。 M． N ． B a g d e 和 v P e t o r a [ 1 8 1则是用单轴动循环加、 卸载实验结果来评价有岩爆倾 向性的岩石在开采过 程中的稳定性 问题。谷明成等 和徐林生t 2 o J 0 用常 规三轴加、卸载实验的方法进行岩石的室内岩爆实 验研究工作，并指 出了在不 同应力状态下岩石破坏 的形式与岩爆的对应关系。虽然许多学者在室内进 行 了大量的岩爆实验工作，但是对于如何通过模拟 现场工程条件 ，在实验室条件下再现岩爆整个过程 的研究方面 ，一直 没有取得 突破性 的进展 。作者 认 为，通过对深部岩体工程开挖过程 中发生的岩爆 现象进行详细分析，建立能够模拟实际工程开挖条 件 的实验系统，设计岩石试样的形式和尺寸，就可 以在实验室条件下再现岩爆这种灾害现象 ，并对其 进行深入细致的研究。 岩爆现象多发生在高应力的硬岩岩体中，在我 国煤矿煤岩层中，有花岗岩岩体侵入 的情况，需要 在其 中布置硐室在金矿开采过程 中，也需要在花 岗岩岩体 中进行开挖水 电站建设 中也有在花岗岩 岩体 中进行施工的工程实例 ，在条件具备的情况下 就会发生岩爆 。进行花 岗岩岩爆实验，在实验室条 件下再现岩爆现象 ，可 以详细分析岩爆发生条件和 岩爆发展进程，进而为进行岩爆 的工程预测预报提 供依据 。 2 岩爆概念及岩爆发生机制分析 岩爆 r o c k b u r s t 是指采掘导致 的岩层突然破坏 现象 ，发生岩爆的过程 中往往伴随着 开挖空间的大 应变、大位移 以及岩层碎块从母岩中的高速脱离 ， 向开采 空间抛 出，抛出的岩体质量从数吨到数千吨 不等【 2 ” 。徐林生等【 2 旨 出岩爆是高地应力条件下 隧道开挖后来不及作初期支护以及加固强度不够的 情况下所发生的围岩失稳现象，一般二次衬砌完成 后，较少再有岩爆现象发生 。岩爆就其破坏机制而 言，是一种开挖卸荷条件下高地应力区地下硐室岩 体自身积蓄的大量弹性应变能突然猛烈释放所造成 的拉张脆性或张剪脆性并存的急剧破裂或爆裂破坏 维普资讯 第 2 6卷第 5期 何满潮，等． 深部花岗岩试样岩爆过程实验研究 灾害现象。 地下工程中，人工开挖是岩爆发生的外因条件。 它破坏了岩体原始的应力平衡状态，原来处于三向 受力状态的围岩由于单向或双向卸载形成临空面， 应力重新分布后，围岩局部应力集 中，当应力集聚 到一定程度时，就会 向临空面释放 出来 ，对 于脆硬 岩体易产生岩爆灾害。作者认为，岩爆是能量岩体 沿着开挖临空面瞬 间释放 能量 的非线性动力学现 象，能量岩体是指在一定条件下，含有 自重、构造 和地势等应力场产生弹塑性能量 的工程岩体 ，并不 是所有能量岩体都能够发生岩爆，只有岩体中积蓄 的能量满足岩爆发生条件时才会发生岩爆。岩爆是 复合能量综合作用的结 ’ ，将岩爆的发生归结 为 3条定律 能量积聚定律、地质弱面的能量释放 定律和工程释放定律 。能量积聚定律是指岩体 中的 能量一般是与其上覆岩层 的厚度有关 ，对于矿 山工 程也就是与开采深度有关，另外还与构造应力场有 关；对于隧道工程则与埋深、地形和构造应力场有 关。地质弱面的能量释放定律是指当在开采空间附 近存在着破碎带和软弱带等地质弱面构造时，由于 在能量积蓄和释放 的空问分布上存在着 明显的不均 匀性 ，在软弱面处能量释放梯度和速率均较大，从 而很容易产生突然 、猛烈的冲击失稳破坏。工程释 放定律是指 由于工程开挖引起 的扰动而使岩体中的 应力集中过高引起能量集中释放导致岩体突然的破 坏 。岩爆是岩体中的能量在空间上非均匀积蓄，在 时问上非稳定转化的过程。 深部工程岩体的受力状态十分复杂，未开挖的 地下岩体为三向应力状态，随着洞室及巷道的开挖， 巷道两侧表面围岩为单 向压缩状态 ，巷道表面顶板 围岩处于单 向拉伸状态，深部为三向应力状态 。当 三 向应力状态的岩体 因开挖而成为单 向压缩或双 向 压缩状态过程时，可能发生岩爆。图 1 给 出了岩爆 应力演化模型。 岩爆发生过程可分为垂直板裂化、垂直板屈曲 变形及岩爆破坏 见图 2 。 3 深部岩爆模拟实验系统的开发 深部岩爆过程模拟实验系统是 由何满潮教授设 计构思，中国矿业大学 北京 等单位开发研制的。 该系统中可突然卸载的装置、高速数据采集系统和 岩石声发射测试系统等，可以模拟巷道开挖过程中 77 ■一 Ⅱ 0 目A四 扫 c j 口 口 0 姐三 一 B 1 扫 c l l a 开挖前的三向应力状态 b 开挖后岩爆 时应力状态 图 1 岩爆应力演化模型 F i g ． 1 S t r e s s e v o l u t i o n a r y mo d e l s o f r o c k b u r s t a 垂直板裂化 b 垂直板屈 曲变形 c 岩爆破坏 图 2 岩爆板状结构演化模型 F i g ． 2 P l a t e s t r u c t u r e e v o l u ti o n a r y mo d e l s o f r o c k b u r s t 岩体某一方向在短时问内卸载，形成临空面，进而发 生岩爆破坏 的工程现象并进行有关物理力学量的测 试 。 深部岩爆过程模拟实验系统由主机、液压控制 系统和数据采集仪 3个部分组成 ，如 图 3所示。 图3 深部岩爆过程模拟实验系统 F i g ． 3 E x p e r i me n t a l s y s t e m f o r s i mu l a t i o n o f r o c k b u r s t p r o c e s s a t g r e a t d e p t h 主机最大加载能力最大压力4 5 0 k N， 荷载精 度小于 0 ． 5 ％ F S 满量程 。加载系统三向独立，通过 维普资讯 8 6 8 岩石力学与工程学报 2 0 0 7笠 三 向刚性压头实现对试样均匀加载，单方向可快速 卸载使传力杆及加载压头快速掉落，暴露该方 向的 试样表面，图 4给出了传力杆及压头掉落示意图。 图4 传力杆及压头掉落示意图 F i g ．4 S k e t c h ma p o f d o we l s t e e l a n d s q u e e z e h e a d f a l l i n g 数据采集仪 由力和位移传感器、应变放大器 DS G 9 8 0 3 、数据动态采集仪 成都 中科动态仪器有 限公司 U S B 8 5 1 6 ，最高采样率 1 0 0 k p s 、计算机及 相关 的处理软件组成，可 自动、动态地对大量的测 试数据进行准确、可靠 的采集和编辑处理。实验过 程中，对 加载过程采用静态采集 ，采样率 为 1 次／ 1 O s ，卸载时采用高速采集 ，设 定采样率为 1万 次／ s ，这样可 以采集岩爆过程 中力和位移 的突然变 化 ，采集到其峰后变化 曲线。 声发射采用 P XWAE声发射监测系统 见图 5 ， 该系统 由主机 内置采集 卡 ，最 高采样 速度为 2 O MHz 、恒流源、前置放大器和声发射传感器组成。 实验 时采样率为 1 M，采用的声发射传感器探头灵 敏度为 1 5 0 k Hz 。 图 5 P X WA E声发射监测系统 F i g ．5 M o n i t o r i n g s y s t e m P XW AE o f a c o u s t i c e mi s s i o n 4 岩爆实验方法 花 岗岩岩爆实验采用板状结构试样。岩爆过程 实验前首先进行单轴压缩实验 ，获得岩石基本力学 参数 。为了与岩爆实验的加载方式相对应 ，采用分 级加载方式进行单轴压缩实验 见图 6 ，在试样的 2 个侧表面沿纵横方向各贴 2片应变片，并分别放置 1 个声发射接收探头，在实验过程中监测声发射信息。 图 6 岩爆试样 F i g ． 6 S p e c i me n o f r o c k b u r s t 岩爆实验分为加载岩爆和卸载岩爆实验。实验 时采用分级加载方式，根据设计的应力水平，先均 匀增加三 向应力至最小主应力 ，保持其不变 ，增 加最大主应力和中间主应力至 中间主应力 ，再保 持 ， 不变，增加最大主应力至设计值，稳定 0 ． 5 h 后卸载某一方向的水平应力，保持另外一个方 向的 水平应力不变，当卸载后增加垂 向最大主应力时为 加载岩爆实验 ；当卸载后保持最大主应力时为卸载 岩爆实验。依据卸载后发生的现象确定岩爆实验过 程 ，没有破坏现象时恢复卸载前应力状态，并按一 定 比例增加垂直方 向的应力值再继续进行实验直至 发生岩爆。 5 岩爆实验 对花 岗岩进行 了单轴压缩、加载岩爆和卸载岩 爆实验，在实验室条件下成功地再现了花岗岩的岩 爆过程。为了对岩爆实验和三轴压缩实验进行对比， 又进行 了花岗岩的真三轴压缩实验。 5 ． 1 岩爆破坏与单轴、真三轴压缩破坏的区别 岩爆是岩体破坏的形式之一 ，岩体破坏并不一 定都是岩爆 。 岩爆是在特定条件 能量岩体 ， 开挖卸 载 下的岩体破坏，破坏的特点表现为突然性、猛烈 性 ，具有颗粒弹射、片状劈裂和块状崩落的特征， 现场发生的岩爆具有瞬时性及与开挖时问相比的滞 后性。从上述分析可以认为岩爆与岩石破坏相比， 维普资讯 第 2 6卷第 5期 何满潮，等．深部花岗岩试样岩爆过程实验研究 8 6 9 有如下特征 1 岩爆是能量岩体在一 向或两向卸载条件下 发生的。能量岩体的应力值往往高于强度值 ，而破 坏时的压应力只能达到岩石的强度值。 2 岩爆是能量岩体开挖后沿临空面瞬间释放 能量而破坏的过程 ，与岩石 的单轴或真三轴压缩破 坏时的能量积聚或能量释放转化为动能的瞬时性特 征显著不同。 3 岩爆破坏没有明显 的破坏面特征，而一般 岩石的破坏具有剪切面或张裂面 见 图 7 。 掌 ● a 岩爆破坏 - 盔 日 耋 ● 试样 岗岩 c 真三轴压缩破坏 图7 岩爆破坏与岩石破坏的区别 F i g ． 7 Di ffe r e n c e b e t we e n r o c k f a i l u r e a n d r o c k b u r s t f a i l u r e 5 ． 2 卸载岩爆过程 卸载岩爆过程是在三向应力状态下，快速卸载 一 个或两个水平方 向的应力 ，暴露试样表面来模拟 地下三向应力状态下积聚能量 的岩体在巷道开挖后 卸载产生临空面后发生岩爆的过程。当开采到达不 同深度后，由于原岩应力大小不同，会 出现工程 开 挖卸载后不 同时间发生岩爆的现象 。依据开挖卸载 到发生岩爆 的时间不 同，有以下 3种情况 1 开 挖后经过一段时间发生岩爆 ，岩爆的发生具有滞后 特征； 2 开挖后立即出现岩爆现象 ，岩爆表现为 瞬时性特征； 3 发生岩爆的时间界于两者之 间， 具有标准性特征。 5 ．3 加载岩爆过程 加载岩爆是指在三向应力状态下，迅速卸载一 个方 向的水平应力 ，暴露该侧试样表面，再增加垂 直方向最大主应力来模拟深部岩体开挖后的切向应 力集中，而使岩体产生岩爆 的过程。 依据加载后发生岩爆的时间不同，加载岩爆也 可 以表现为瞬时性、标准性与滞后性 。 5 ． 4 岩爆实验结果 对花岗岩进行了单轴压缩、真三轴压缩、加载 岩爆实验及卸载岩爆实验 ，所采用的花岗岩容重为 2 7 k N／ m3 。 为了取得花 岗岩试样的基本力学参数 ，利用全 自动液压控制材料实验机对1 8 试样进行 了单轴压 缩实验，加载速率为 O ． 2 5 MP ds ，每级应力差为 1 O MP a ，每级荷载 间隔 2 mi n ，实验过程中采集压力与 变形数据 ，实验结果见表 1 。 表 1 单轴压缩实验结果 Ta bl e 1 Re s ul t s o f un i a x i a l c o mpr e s s i on t e s t 真三轴压缩实验是为了与岩爆实验进行对 比而 进行的。在最小主应力o r 3 1 0 MP a ，中间主应力 2 0 MP a ，最大主应力 2 3 7 MP a时破坏 ，破坏形 式为单面剪切 见表 2 。 表 2 真三轴压缩实验结果 T a b l e 2 Re s u l t s o f t r u e t r i a x i a l c o mp r e s s i o n t e s t 试样 破坏时应力状态 应力比值 破坏 编 号 - _ 形 式 8 2 3 7 2 0 1 0 1 ． 3 7 1 ．3 1 单面剪切 对 3个试样进行加载岩爆实验 ，加载岩爆破坏 时的最大主应力较高，应力差的比值也较大，主要 为张裂折断与剪切的混合破坏形式，岩爆时间短 ， 应 力降速 率高，加载岩爆实验条件及结果见表 3 。 对 1 O个试样进行 了卸载岩爆实验，岩爆特征有 所不 同，依据卸载到发生岩爆 的时间可以将岩爆分 为瞬时岩爆、标准岩爆及滞后岩爆 。卸载岩爆实验 条件及结果见表 4 。其中几种典型的应力路径 应力 随时间变化 曲线 见图 8 。 5 ． 5 实验现象及分析 花 岗岩岩爆实验结果表 明，发生岩爆时应力要 达到一定的水平 ，且不同的应力状态卸载后发生岩 爆的破坏形式有一定的区别。 1 岩石材料具有显著 的不均匀特性，且存在 维普资讯 8 7 0 岩石力学与工程学报 2 0 0 7年 表 4 卸载岩爆实验条件及结果 Ta b l e 4 Co n d i t i o n s a n d r e s u l t s o f u n l o a d i n g r o c k b u r s t e x p e r i me n t s 时间／ m i n a 2 试样应力路径 瞬时岩爆，1次卸载 时N／ mi n c 1 6 试样应力路径 瞬时岩爆，2次循环卸载 时问／ mi n b 1 9 试样应力路径 瞬时岩爆，1次卸载 时I ／ m i n d 1 3 试样应力路径 瞬时岩爆，多次循环卸载 苫、 R 维普资讯 第 2 6 卷第 5 期 何满潮，等． 深部花岗岩试样岩爆过程实验研究 8 7 1 重 时间／ rai n 时间／ min e 5 试样应力路径 标准岩爆，2次循环卸载 D l 7 试样应力路径 滞后岩爆，1次卸载 图 8 应力路径曲线 Fi g ． 8 Cu r v e s o f s t r e s s p a t h s 原始缺陷。通过刚性传压板对试样进行均匀加载时， 试样表面有相同的变形，这会在试样 内部产生不均 匀的应力分布。微裂纹的产生在裂尖产生应力集中 的裂尖应力场。裂纹从稳态扩展到动态扩展需要一 个过程 ，该过程对应着卸载后至发生岩爆的时间， 所需时间的长短与卸载前 的应力状态有关；稳态开 裂所 需能量大于动态开裂所需的能量。 2 实验加载初期听不到试样发出的声响。卸 载后至发生岩爆前试样发 出较大清脆声音 ，表 明试 样在卸载后一面临空的情况下内部裂纹开裂、扩展 。 当局部裂纹贯通后就会由稳态扩展发展成非稳定的 动态扩展，最后突然发生岩爆 ，岩片、块或颗粒携 带一定的能量 飞出。 3 卸载岩爆实验中，处于三向应力状态的花 岗岩试样，当快速卸载水平一 向的应力，其他两向 应力保持不变 时，有的卸载后立即发生岩爆 ，有的 在卸载一定时间 2 0 m i n内 发生岩爆，发生岩爆的 时间表现为明显的瞬时性 、滞后性及介于两者之 间 的标准性。从实验发生的现象看，岩爆过程可分为 平静期、小颗粒弹射 、片状剥离伴随着颗粒混合弹 射及 全面崩垮 4个 阶段 ，该过程历时时间长短不 等 ，最快为 0 ． 1 S ，最慢为 1 0 5 S 。从图 8中可以看 出2 试样卸载后 的应力差较高，卸载后 0 ． 5 S 立 即 发生岩爆破坏，表现为岩爆瞬时性特征，1 9 ，1 6 和 1 3 样卸载后也都很快发生岩爆破坏，分别在 1 次卸载后 2 4 S 、2次循环卸载后 1 0 S 及多次循环卸 载 6次 后 1 5 S 时间时发生岩爆 ；5 样在 2次循环 卸载后 3 3 S 发生了岩爆， 其进程可明显地分为开始 的平静期、之后的颗粒状的弹射、片状剥离伴随着 颗粒 混合弹射及全面崩垮；1 7 试样在单次卸载后 2 0 mi n时发生岩爆，表现为滞后性 ，在卸载至发生 岩爆前，岩石损伤不断加剧，伴随着应力的降低。 4 岩爆破坏时水平应力降并不 明显 ，但有明 显的垂直应力降 方 向 ，且应力降时间短暂 ，应 力 降最快 时 间为 0 ． 7 ms ，应 力 降速率 最大 的为 2 5 ． 0 x l 0 4 MP a ／ s 。高应力降对应着较高的变形及快速 破坏 。 5 根据卸载后发生岩爆的应力比值 a l o ； ／ 由大到小，可将花岗岩卸载岩爆破坏形式分为 3种 块状崩落破坏 、片状劈裂破坏 、颗粒弹射破坏 ，见 图 9及表 5 。 一 ／ o ． 0 ． 5时，以块状崩落破坏 形式为主，与岩爆现场的阶梯状陡坎破坏形态接近 ， 对应着较强烈的岩爆 ，按发生岩爆 的时间进程大部 分为瞬时岩爆 ，对应着瞬间较大的能量释放； o r1 一 o ； ／ 0 ． 4 ～0 ． 5时，以片状劈裂破坏形式为主，一 般 为中等程度 的岩爆 ，瞬 间释放 能量 比前者 小； o -1 一 o ； ／ 0 ．4时，以颗粒弹射破坏形式为主，瞬 间释放 的能量 比前两者低，对应着相对弱的岩爆 ， 一 般为标准岩爆或滞后岩爆。 5 ．6 岩爆后微观结构分析 对破坏后 的花 岗岩碎块进行电镜扫描发现，石 英与长石晶体呈紧密线接触，从破裂面上可见石英 及长石 晶体断裂，晶体间云母片折断，晶体断裂的 断口呈不平整的阶梯状 。图 1 0为破坏后 5 试样碎 片电镜扫描图片。图 1 0 a 为放大 1 0 0倍的电镜扫描 图片全貌，致密 ，表面 凸凹不平，不同矿物晶体紧 密接触 。图 1 0 b 为局部放大 5 3 4倍后的石英与长石 晶体紧密线接触情况，并可见石英与长石断裂的阶 梯形端 口，晶体表面有小碎屑分布 。图 1 0 c 为局部 放大 2 7 1 0倍时石英表面的断 口及长石晶体的参差 不齐破坏状态。图 1 0 d 为放大 5 1 4 0倍之后更清晰 的长石晶体断裂形态。图 1 0 e 为放大 5 3 0 0 倍的粒 间云母片及交错不齐 的断裂形态 。 维普资讯 8 7 2 岩石力学与工程学报 2 0 0 7年 1 3 试样 瞬时岩爆 1 9 试样 瞬时岩爆 a 块状崩落破坏 1 6 试样 瞬时岩爆 1 7 试样 滞后岩爆 b 片状劈裂破坏 4 试样 弧形破裂面及岩爆坑 5 试样 标准岩爆 c 颗粒弹射破坏 图9 岩爆实验破坏类型 Fi g ． 9 F a i l u r e t y p l e s o f r o c k b u r s t e x p e r i me n t s 表 5 花岗岩岩爆破坏形式分类 T a b l e 5 Cl a s s i f i c a t i o n o f g r a n i t e r o c k b u r s t f ail u r e s t y l e s 一 ， 主要破坏形式 0 ． 5 以颗粒弹射破坏为主 以片状劈裂破坏为主 以块状崩落破坏为主 5 ．7 花岗岩岩爆破坏进程及岩爆类型 花岗岩岩爆完整的破坏进程可以分为平静期、 小颗粒弹射、片状剥离伴随着颗粒状混合弹射及全 面崩垮 4 个阶段。虽然从卸载到开始岩爆时间不同， 有较大差异，但其破坏进程一般都比较短暂。 I N 2 0∞ V DAT E1 l r 23 ／ 0S 1mm N眦z l 0 0 17 a 放大 1 0 0倍 糊 慧 l 橱 融 麓 - 辟 V I I I t ,l r m , l , ml k i Ol l b 放大 5 3 4 倍 I W 2 0 0 0 V DTE “ 3 ， O 6 20 pm N8 m1 zl 0 0 21 C 放大 2 7 1 0 倍 I N 2 0∞ k V DAT E 1 1 ／ 23 ／ 06 2 0 p m Ns／ l t e ■伽∞ d 放大 51 4 0倍 维普资讯 第 2 6卷第 5期 何满潮，等．深部花岗岩试样岩爆过程实验研究 8 7 3 NV 加 ∞ I t V DA“ I E 1 可 口u m v eg aqi s ca n Na r 髓 d o 01 8 e 放大 5 3 0 0倍 图 l 0 破坏后 5 试样碎片电镜扫描图片 F i