卸荷条件下岩爆机理的试验研究

岩体卸荷和加荷条件下的力学特性有本质区别，高地应力地区地下工程开挖过程中发生的岩爆是一种典型的开挖卸荷现象。对粉砂岩试样进行了保持轴向变形不变的卸围压试验，在试验结果分析研究的基础上，对卸荷导致的岩爆进行了研究。研究表明。处于三轴应力状态下的岩体，如果某一方向的应力突然降低造成的岩石在较低应力水平下破坏，那么原岩储存的弹性应变能会对外释放，释放的能量将转换为破裂岩块的动能，进而町能引起岩爆。采用提前钻孔释放能量的方法。将工作面前方围岩中的能量提前释放，在即将开挖的围岩四周形成一个低应力的保护壳，能够减缓或降低岩爆的发生。     

高地应力下地下工程稳定性分析与优化的局部能量释放率新指标研究

针对地下工程稳定性分析与优化的常规指标在高地应力条件下的局限性及传统的能量释放率岩爆指标把岩体看成不发生脆性破坏线弹性体的不足，提出局部能量释放率新指标。该指标的实现是通过在数值计算中追踪每个单元弹性能量密度变化的全过程，记录单元发生脆性破坏前后的弹性能密度差值，得到单位体积岩体突然释放的弹性能量。该指标可更好地定量预测高地应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度、破坏位置与范围，由该指标求出的围岩释放能又可作为地下工程开挖方案的优化指标。对太平驿水电站引水隧洞工程不同开挖步长下能量释放率指标的算例进行分析。分析结果表明，该指标具有一定的科学合理性。最后将该指标应用于黄河拉西瓦水电站大型地下厂房的开挖方案优化，用于指导该工程的科学设计与施工。     

抛掷型岩爆机制与模拟试验技术

 为探讨高地应力隧洞岩爆机制,在岩爆试件试验的基础上,对抛掷型岩爆机制提出4点新的认识,即围岩中要发生抛掷型岩爆,单靠岩爆体本身积蓄的能量还不够,必须要有周围岩体对其破坏过程进行能量补充;工程中发生岩爆时,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;在抛掷型岩爆发生过程中,动、静状态转化是由洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成的;在岩爆应力判据中,围岩在 = 0.3～0.7的条件下就可能发生岩爆,甚至可能发生强烈岩爆,这是因为围岩不是均质体,围岩内存在应力集中区和软弱结构区。现有的岩爆模拟试验采用油压控制系统加载无法实现抛掷型岩爆,这是因为油路供油速度缓慢所致。对抛掷型岩爆模拟试验技术,提出新的试验方案,研发新的试验装置,开展新的岩爆模拟试验。实践证明提出的试验技术和试验装置均能较好地模拟抛掷型岩爆现象,可供岩爆机制研究、教学及相关工程建设参考。     

深埋硬岩隧洞开挖诱发破坏的防治对策研究

 针对深埋硬岩隧洞围岩脆性破坏分析时传统应力指标的局限性和相应防治措施理论研究不足的特点,在数值分析中应用反映高地应力下硬岩脆性破坏特点的RDM本构模型,结合局部能量释放率评价指标分析硬岩脆性破坏过程中能量释放的强弱,对深埋隧洞开挖过程中防治围岩脆性破坏的设计及施工措施进行综合性研究。首先,通过评价隧洞群洞间距、施工进度等设计方案对围岩能量释放的影响,提出预防岩爆发生的区域性对策。然后,针对能量释放的时空演化规律,本着减压卸能的原则,给出支护时机、支护类型和参数的设计建议。同时,在施工控制措施方面通过分析在掌子面上布置应力释放孔爆破卸压防治岩爆的效果,给出应力释放孔布置方案的优化建议。最后,应用上述方法对锦屏二级水电站辅助洞围岩的脆性破坏提出工程防治措施,实践结果表明,所提出的防治对策完全可行,可供类似工程借鉴。     

高地应力区大直径TBM掘进岩爆风险控制

锦屏二级水电站1#,3#引水隧洞采用TBM掘进,中部深埋洞段岩爆风险突出。为制定合理可行的掘进方案与岩爆防治措施,在前人研究基础上,结合工程实际情况,采用多种数值分析手段,评价不同形式导洞开掘,对降低岩爆风险的影响。3种导洞开挖方式均可以显著地降低TBM掘进的岩爆风险,选择何种形式的导洞主要从设备和经济效益角度进行决策。据此提出高地应力区大直径TBM掘进岩爆风险控制措施,施工中结合钻爆法导洞预处理、应力解除爆破并辅以及时、系统、高质量的支护,降低岩爆风险,确保施工及结构安全。     

隧道施工岩爆的预防与技术措施综述

在高地应力条件下或者隧道洞室开挖中,围岩因为卸载而发生的围岩松脱或剥落、甚至弹射的地质灾害即为岩爆。岩爆的发生主要与隧道围岩的性质、施工地质条件以为隧道围岩应力状态有关。为了避免或减少岩爆造成的损失,需要正确预测岩爆。笔者对岩爆发生的规律、岩爆的分类以及岩爆相关预测方法进行了总结,并从施工组织、释放地应力、严抓初期支护规避岩爆威胁、控制隧道开挖进尺、加强爆破控制等方面论述了隧道施工过程中所采取的岩爆防治技术措施。     

局部能量释放率与微震相结合的岩爆动态预警指标

基于锦屏二级水电站引水隧洞、排水洞施工过程中的大量的微震信息以及不同等级的岩爆实例,运用数值计算与微震信息相结合的手段的对岩爆灾害进行研究。结果表明,局部能量释放率可以作为高地应力条件下隧洞开挖过程中围岩能量释放的指标,将其与微震监测数据相结合可以对深埋隧洞开挖过程中岩爆的强度、发生位置及范围进行预警:当局部能量释放率指标达到4×10⁵ J/m³以上,同时最大能量微震事件的能量值大于10⁵ J时,将发生强烈岩爆;当局部能量释放率指标介于10⁵~4×10⁵ J/m³之间,最大微震能量值在10⁴~10⁵ J之间时,具有中等或轻微岩爆风险;当局部能量释放率低于10⁵ J/m³,微震能量均值小于10⁴ J时,无岩爆风险。最后在施工过程中对上述预警指标进行运用,有效的抑制了岩爆灾害的发生。     

深埋硬岩矿床岩爆控制研究

冬瓜山铜矿是我国开采的首家有岩爆倾向的深埋硬岩金属矿山，对此开展了岩爆控制研究。应用该矿床典型岩石的变形全过程试验及峰值荷载变形条件下的松弛试验等室内试验结果和现场岩爆调查资料，分析了该矿矿岩的岩爆倾向性和井巷岩爆特性，从岩爆控制角度，采用数值分析方法以能量释放率为衡量指标，对采场结构参数、开采步骤等进行了优化。在此基础上，提出该矿床开采采用控制能量释放、减少能量储存、合理支护和进行岩爆监测等岩爆控制的原则和措施。     

热-力作用下隧道岩爆温度效应的物理模型试验

随着西部大开发战略的深入实施,重大工程建设中遇到越来越多的高地温和高地应力隧道。为了研究这类隧道工程在高地温和高地应力耦合作用下发生岩爆的特性,通过一系列技术研发,在二维地质力学模拟试验加载系统上成功进行热–力作用下隧道岩爆温度效应的物理模型试验。在研制具有岩爆倾向的硬脆性岩爆相似材料基础上,自主开发大型物理模型温度场加载系统和隧道开挖装置,考虑20℃,40℃,60℃,80℃四种温度和侧压力系数为2的高地应力作用,共开展4个模型试验。试验研究结果表明,在20℃~80℃温度范围,温度增大提高了材料的硬脆性,围岩能积聚更高弹性应变能,温度应力引起的洞壁切向应力以及应力差增大,为岩爆创造了更有利的条件。模型温度越高,围岩破坏前变形越小,模型破裂过程中释放的能量越大,破裂源越多;随着温度增高,围岩脆性破坏更强烈且更突然,渐进过程越不明显,岩爆剥落弹射的块径更大。因此,在热力耦合作用下隧道岩爆表现出在一定温度范围内随着温度增大而更加强烈的规律。     

冲击岩爆试验系统研发及试验

依据岩爆发生时的力学状态,岩爆可以分为应变岩爆和冲击岩爆两大类型。冲击岩爆是深部岩体受静荷载和冲击动荷载共同作用所致,其试验系统的研发是岩石力学界的难题之一。设计并研发冲击岩爆试验系统,并进行冲击岩爆试验。该试验系统设计16种简谐波,通过其组合叠加,可以实现对开挖爆破、顶板垮落、断层滑动等冲击扰动波的模拟。试验采用加载至三向不同应力状态下的带圆形贯穿孔洞的立方体砂岩试样,在σ1方向施加扰动波,σ2,σ3保持在恒定应力水平的加载方式,通过伺服控制系统,实时采集砂岩试样冲击岩爆过程中的力和位移数据,获得全过程三向应力–应变曲线。通过图像采集系统,实时拍摄砂岩冲击岩爆全过程,获得该类型岩爆过程剥离、弹射等特征现象。并进行类似的静力加载破坏试验,观察其破坏现象与冲击岩爆过程的差异。通过对巷道单元岩体动应力和能量的分析,建立冲击岩爆的动应力和能量判别方法。