花岗岩岩爆试验碎屑分形特征分析

 采用真三轴应力状态下单面突然卸载试验方法,进行莱州花岗岩岩爆试验,获得花岗岩岩爆碎屑。对碎屑特征进行测量,包括碎屑质量、长度、宽度、厚度,并对粗粒、中粒、细粒以及微粒等不同粒径范围内的碎屑数量、质量及粒度分布进行分析。对花岗岩岩爆碎屑分别按照长度、宽度、厚度与累计数量的关系,小于某一等效边长的累计质量与总质量之比与等效边长之间的关系,以及等效边长与累计数量的关系进行分形计算,结果表明花岗岩岩爆碎屑破碎程度较高,片状特征明显。对岩爆后的微粒碎屑(颗粒直径＜0.075 mm)利用激光粒度分析仪进行粒度分析。破坏后微粒碎屑所占百分比以岩爆试验最多,其次为真三轴试验,单轴压缩试验最少。微粒碎屑的粒度分布曲线形状不同,岩爆的平缓,小尺度的多,三轴和单轴压缩的大致相同,粒径大。分布曲线上百分比最大值对应的粒径岩爆的最小,为40和60 μm,三轴的为80 μm,单轴的为100 μm。对微粒碎屑按照粒度–体积分布进行了分形维数计算,结果表明岩爆微粒碎屑符合分形物理意义,三轴和单轴微粒碎屑不具有分形特征。岩爆微粒碎屑较多,反映其破坏时消耗的能量要多于三轴和单轴破坏。     

大尺寸试件岩爆试验碎屑分形特征分析

 通过自主研发的岩爆模拟试验装置对大尺寸试件进行岩爆试验,研究不同加卸载路径下产生岩爆碎屑的质量和形状分布特征,探讨试件发生岩爆的烈度与碎屑分形维数的关系。结果表明：(1) 大尺寸试件在不同加卸载条件下产生的碎屑形状分布不同,碎屑量不同;(2) 大尺寸试件岩爆的碎屑具有分形特征;(3) 试件在低围压环境卸载时,岩爆碎屑的分形维数值比其在高围压环境下卸载时的大,岩爆储存能量相对较少,岩爆烈度相对也小;(4) 在相同围压下卸载时,试件所受的竖向加载速率越大,试件产生的岩爆范围相对越小,试件岩爆时所受竖向荷载值相对越小,岩爆碎屑的大块率相对越少,分形维数值相对越大。     

岩石裂纹的分形特性及岩爆机理研究

给出了单轴压缩下岩石破坏过程中裂纹维数的测量结果,讨论了分形维数值与岩石组成及应力状态之间的关系,并根据这一结果对岩石岩爆过程的机理进行了分析。     

岩爆过程的声音信号特征研究

 为探究岩爆过程的声音信号特征,采用自主研发的真三轴岩爆试验机系统,在室内实现花岗岩岩样的岩爆过程模拟,并对试验过程中的声音信号进行全程监测,分析岩爆过程声音信号的波形特征、分形特征以及频谱特征。研究结果表明,岩爆的声音信号波形变化特征能够反映岩爆所经历的主要破坏过程,临近岩爆弹射破坏前,存在一段声音信号波形幅值较小的“相对平静期”;岩爆过程的声音信号幅值具有时间分形特性,声音信号幅值分形维数持续增加至峰值后在一段时间内持续下降至最低值可作为岩爆发生的前兆信息;岩爆过程中,不同破坏现象具有不同的声音频谱特征,声音信号主频总体呈“高频向低频迁移”的演化趋势,频谱形状经历“多峰–单峰”的交替变化过程。岩爆过程的声音信号在波形、幅值的时间分形维数、频谱3个方面具有显著特征与内在演化规律,声音信号的变化特征可作为岩爆预测的前兆信息。     

深部椭圆形洞室围岩冲击岩爆实验研究

利用自主研发的冲击岩爆设备,室内再现真三轴条件下含椭圆形洞室的冲击岩爆现象,实验结合应力采集、录像及声发射等实时测试系统分析椭圆形洞室冲击岩爆的演化过程、破坏应力特征值、碎屑特征、爆坑特征、速度场特征以及声发射特征.结果 表明:椭圆形洞室冲击岩爆过程可以分为4个阶段:平静期,小颗粒弹射,块体剥落以及岩爆;扰动荷载的作用...     

RGB图像分形维数计算方法研究

 在计算颜色表面的分形维数时,为充分考虑颜色表面的相关信息,提出将RGB图像的3个分量R(红色)、G(绿色)、B(蓝色)重组为一个颜色矢量的思想,通过连接各像素点的矢量终端构建一个粗糙颜色表面,基于改进的投影覆盖法计算该表面的分形维数。与传统的灰度表面分形维数计算方法进行比较分析,分析结果揭示：与灰度表面维数计算方法相比,颜色表面维数计算方法通过以一个三维矩阵保存了RGB图像各像素点的R,G,B分量值,来更全面捕获真彩图像颜色信息,因而可以很好地克服灰度表面维数计算过程中出现的缺陷与不足——缺少对颜色的色彩和色饱和度的考虑。     

深部花岗岩试样岩爆过程实验研究

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。     

基于弹性应变能岩爆倾向性评价方法研究

 岩爆是深部矿产资源开采与地下工程建设中必须解决的关键科学问题之一。以岩石强度与整体破坏准则为基础,从弹性应变能是岩爆发生的内在动力出发,建立了岩爆烈度分级预测模型。研究表明：该模型考虑了原岩应力(地应力)、岩体完整性、岩石抗拉强度及泊松比对岩爆影响,反映了岩爆发生的力学要求、脆性要求、完整性要求及储能要求;揭示了岩爆既可沿洞室中心呈轴对称分布,也可揭示洞室不同部位的岩爆烈度会出现明显不同。针对无、弱、中等及高岩爆活动4个级别,提出了3个分级界限值(3、10和110)。利用已有的岩爆经典模型与本文模型,对国内一些重大深部岩石工程岩爆情况进行了预测,结果表明基于弹性应变能岩爆分析模型与实际情况吻合的较好。因而,弹性应变能的岩爆分析模型,对岩爆预测具有重要的意义。     

动载频率对砂岩冲击岩爆影响的实验研究

冲击岩爆是指岩体开挖卸荷后,巷道结构已经形成且处于较为稳定的状态,在受到周围的工程扰动冲击后,在动静组合荷载作用下导致岩石剧烈弹射破坏的现象。利用冲击岩爆实验系统,开展不同动载频率条件下的冲击岩爆实验研究。通过图像采集系统拍摄试样洞室内部的岩爆全过程图像,获取冲击岩爆不同阶段的破坏特征现象,岩爆孕育破坏过程可划分为平静阶段、颗粒弹射阶段、局部鼓起阶段、碎屑剥落阶段、贯通破坏阶段和岩爆阶段。岩爆的爆坑截面呈V型,随动载频率增大,V型爆坑的破坏更加集中,爆坑呈现“闭合”趋势,即爆坑呈现“窄而深”的特征。动载频率对冲击岩爆破坏的剧烈程度有明显影响：随着动载频率增大,岩爆破坏阶段声发射的活动性增强,释放能量更多,岩爆碎屑破碎程度更高,能量耗散增多,岩爆剧烈程度增强。     

岩石破坏声发射平静期及其分形特征研究

 通过岩石加载的室内试验方法,测试不同岩石破裂全过程的力学特征及其声发射特性,得到岩石破坏全过程力学特性——岩石的全应力–应变曲线、声发射事件累积数、声发射事件率等相关曲线及参数,给出声发射事件数、事件率与应力水平、时间之间的关系。着重讨论一次性加载过程中塑性变形阶段明显的岩石在加载接近峰值强度时单位时间内的应力增长速度减小,也即这一阶段出现明显的“耗时”现象;并且在此阶段监测到的声发射事件率出现明显下降,出现声发射相对平静阶段;而对于塑性变形阶段不明显的岩石来说,这一阶段则基本不存在明显的“耗时”现象,声发射的监测中也没有发现声发射相对平静期现象。另外,还运用分形理论,研究分析处于不同加载应力比的岩样在各个阶段的声发射分形维数,特别是研究声发射平静期维数变化情况。指出在加载初期分形维数处于较低值,且分形维数随加载应力增加而逐步增加;在加载到峰值应力的40%左右时,分形维数开始下降;在加载接近到峰值应力时,即处于声发射平静期阶段时分形维数逐步降到最低,且此时预示着岩石的破坏。此外,结合室内试验,还对现场岩体失稳破坏声发射监测中的一些实际问题进行总结和分析,为更好地应用声发射手段进行岩体稳定性现场监测预报提供理论依据、方法和手段。     

静荷载理论在岩爆研究中的局限性及岩爆岩石动力学机理的初步分析

对围岩切应力与单轴抗压强度的比值、岩爆事件的空间分布、TBM掘进隧道的围岩稳定及超深井井壁稳定等问题的分析表明，静荷载理论在岩爆研究中的局限性是明显的。对于钻爆法开挖的硬岩隧道，岩爆应该是处于非均匀应力状态的围岩在爆炸加载波、卸载应力波及岩爆应力波多次扰动的情况下，裂纹发生大规模瞬时动力扩展的结果，这可以概括为岩爆的岩石动力学机理。卸载扰动在已开挖围岩表面附近将产生P波、S波和Rayleigh波，对围岩扰动最大的是P波和Rayleigh波。P波和Rayleigh波的性质、分布及衰减规律可以较好地解释地应力量级对岩爆的控制及岩爆事件的空间分布等。     

模糊概率模型在岩爆烈度分级预测中的应用

 岩爆是深部高地应力区岩石地下工程中的一种常见地质灾害,对其发生的可能性及其烈度分级预测是地下工程建设中亟待解决的重大课题之一。以模糊概率理论为基础,选取影响岩爆的一些主要因素,如洞壁最大切向应力sq、岩石单轴抗压强度sc、岩石单轴抗拉强度st以及岩石弹性能量指数Wet,并以sq /sc,sc /st和Wet作为评价影响因子,同时将岩爆烈度划分为无岩爆、弱岩爆、中岩爆和强岩爆4个等级,建立岩爆烈度分级预测的模糊概率模型。在此模型中,提出了模糊权重的概念,可充分考虑权重的模糊性。模糊概率模型不仅继承了经典模糊综合评判法的思想和优点,同时也克服了其在实际应用中评价影响因子权重取值的局限性,因而具有明显的合理性。应用该模型对冬瓜山深埋硬岩矿山、秦岭隧道工程以及某大型水电站地下厂房3个典型工程岩爆的实例分析表明,其预测结果与实际情况符合较好。为进一步考察该模型的可靠性与实用性,对国内外23个大型岩石地下工程实例进行计算分析,其预测结果与实际岩爆情况也相当吻合。由此可见,模糊概率模型为深部岩石地下工程岩爆预测问题提供了一种新途径。     

温度影响下花岗岩冲击倾向及其微细观机制研究

为考察温度对岩石冲击倾向性的影响,在实时高温(25℃～850℃)和高温热处理后(25℃～1200℃)2种情况下对花岗岩岩样进行单轴压缩和断口电镜扫描试验,结果表明:(1)实时高温下,岩石冲击倾向性随温度的升高存在2个阈值温度,第一阈值温度范围为150℃～250℃,第二阈值温度范围为500℃～600℃。从25℃到第一阈值温度,冲击倾向性指标大幅增大,从强冲击倾向演化为极强冲击倾向;从第一阈值温度到第二阈值温度,冲击倾向性指标略微下降,表现为极强冲击倾向;从第二阈值温度到试验终温,冲击倾向性指标大幅急剧下降,表现为弱冲击倾向或无冲击倾向。(2)高温后冷却情况下,随温度的升高岩样冲击倾向性总体呈逐渐下降趋势,25℃～200℃表现为较强冲击倾向,200℃～800℃表现为中等冲击倾向,800℃后表现为无冲击倾向。(3)5种冲击倾向性指标相比,有效冲击能指数和剩余能量指数较能反映真实的冲击倾向性,其余3种指标因为考虑不全面而产生误差。(4)得到4种典型的应力-应变曲线形态,并分析不同加温方式和温度段与各形态的对应关系。(5)对宏微观破坏形态进行分析,高温后岩样随冲击倾向性的减弱,破坏机制依次为张拉破坏、张剪破坏和剪切破坏,呈现脆性机制向延性机制转变的趋势。     

应变型岩爆三要素分析及岩爆势表达

 在已建立的应变型岩爆五因素综合判据基础上,通过现场地质调查、统计分析和运用关系矩阵法,对所涉多个因素和指标进行归类合并,形成包括最大切向应力 ,岩石抗拉强度 和岩体完整性指数 等3个主要独立参数的经验拟合表达式 ,用来表征岩爆趋势和强度(简称岩爆势 )。对岩爆强度的无、弱、中和强等4个级别,提出3个分级界限值(1.7,3.3和9.7)。概算深度H = 1 000和2 000 m(侧压系数 = 1.0)时 结果分别为3.3和6.5,相当于弱岩爆上限值和中岩爆中间值。工程实例检验应用进一步表明该岩爆势指标的科学合理性。     

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。     

岩爆发生和烈度分级预测的距离判别方法及应用

岩爆是深部高地应力区岩石地下工程中的主要工程地质灾害之一，对其发生的可能性及其烈度分级的预测是工程建设过程中所必须解决的重大问题。基于距离判别分析理论，建立岩爆发生和烈度分级预测的距离判别分析模型。选取影响岩爆的主要因素如最大切向应力σθ、小单轴抗压强度σc、单轴抗拉强度σt和弹性能量指数Wet，并把σθ／σc，σc/σt和Wet作为判别因子建立岩爆预测的距离判别分析模型，利用国内外一些重大深部岩石工程实例作为学习的样本进行训练。经过训练后的模型回判估计的误判率为0。利用该模型对国内西康铁路秦岭隧道工程和铜陵冬瓜山深埋硬岩矿山的岩爆情况进行预测，结果与实际情况符合较好，说明该模型在研究岩爆发生可能性及烈度分级预测中具有良好的实用性和有效性。该方法可为深部地下工程岩爆发生可能性及其烈度分级预测提供一种新思路。     

未确知测度模型在岩爆烈度分级预测中的应用

 针对岩爆烈度分级预测评价中诸多因素不确定性问题,应用未确知测度理论并结合工程实际,根据岩爆的特点及成因,选取最大切应力sθ、单轴抗压强度sc、单轴抗拉强度st及岩石的弹性能量指数Wet,并以应力系数sθ/sc、岩石脆性系数sc/st及弹性能量指数Wet作为岩爆烈度分级的评价指标,建立岩爆烈度分级预测的未确知测度评价模型。以国内外18组工程岩爆分析初始数据进行分级判别,根据实际情况建立各评价因子的未确知测度函数,对其进行定量分析,并利用熵计算各评价指标的权重,依照置信度识别准则进行等级判定,最后得出岩爆烈度分级预测的评价结果。并与模糊综合评判法、属性综合评判法、灰色聚类法、物元分析法及实际情况的结果进行比较。为进一步考察该模型的有效性与实用性,运用该模型对秦岭隧道工程的岩爆实例进行分析。研究结果表明：该模型判别预测结果与实际岩爆情况较吻合,且方法科学合理,意义明确,为岩爆烈度分级预测提供一种新思路。