一种基于Ⅱ型全过程曲线的岩爆倾向性指标

从Ⅱ型全过程曲线所揭示的岩体破坏过程中能量的储存和释放特征出发,并借鉴已有几个岩爆倾向性指标的合理之处,提出一种新的基于Ⅱ型曲线的岩爆倾向性指标.新指标充分借鉴Wet指标反映岩体的弹性与塑性倾向的能力,反映岩爆岩体破坏后区的能量转化特征,同时避免R指标采用硬岩的Ⅰ型全过程曲线作为计算依据的不合理之处.通过对锦屏Ⅱ级电站辅助洞的岩石进行试验,表明新指标确实能够较好地反映岩体的岩爆倾向.     

深埋硬岩隧洞岩爆倾向性指标RVI的建立及验证

 在总结国内外岩爆倾向性研究的主要成果和理论方法的基础上,针对性地提出适合于深埋隧洞工程的岩爆倾向性评估新方法的建立过程和基本构架。分析锦屏II级水电站深埋隧洞群中62例岩爆案例,揭示岩爆的特征和主要控制因素,在此基础上提出新的岩爆倾向性指标RVI及其建立方法,确定RVI中岩爆控制因素的选取原则。RVI由4个控制因子构成,即应力控制因子Fs、岩石物性因子Fr、岩体系统刚度因子Fm和地质构造因子Fg,4个控制因子分别反映不同岩爆控制因素对岩爆倾向性的贡献。研究发现,锦屏II级水电站深埋隧洞岩爆破坏深度与RVI存在显著的相关性,建立的经验关系式的确定系数可达到80%以上,该经验关系式可评估深埋隧洞工程的岩爆倾向性和破坏程度。锦屏II级水电站深埋隧洞典型岩爆实例分析验证RVI的适用性。     

基于最大能量耗散率的岩爆倾向性指标研究

岩爆倾向性判别为隧洞岩爆风险评价提供了基本依据。在分析岩石单轴压缩各阶段能量耗散演化特征的基础上,提出基于最大能量耗散率(耗散能密度时间导数的最大值)的岩爆倾向性评价新指标,从稳定性判定准则、经验和岩爆倾向性定义3个角度阐明其科学合理性。为定量计算所提指标,建立考虑空隙压密和初始损伤的弹脆性损伤本构模型;为验证指标及损伤模型的适用性,开展4种岩石(玄武岩、花岗岩、灰岩、砂岩)在刚性和柔性压力机下的单轴压缩及循环加卸载试验。最后基于正交试验、相关性分析和极差分析,揭示岩爆倾向性的影响因素及不同指标间的内在关系。结果表明：岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后阶段存在能量耗散率峰值,该值可作为材料固有稳定性指标评价岩爆倾向性,兼顾了岩石的峰前能量储耗特性和峰后特征;所提弹脆性损伤模型较好反映了岩石单轴加载下的非线性力学行为和内蕴能量演化特征,应力–应变和耗散能密度理论曲线均与试验值吻合良好;不同岩石最大能量耗散率与实际岩爆等级一致,证实了所提指标的可靠性;弹性模量、脆性和初始损伤是岩爆倾向性的主要影响因素,最大能量耗散率指标较好体现了岩石脆性对岩爆倾向性的影响,与剩余弹性能指数的相关性最强(相关系...     

基于倾向性指标的深埋隧道岩爆预测研究

为了研究隧道围岩在高地应力条件下的岩石力学性质与岩爆倾向性的关系,以草果山深埋公路隧道为研究对象,基于现场地应力测试与室内岩石力学试验,从岩性条件方面选取强度脆性系数B、变形脆性系数Ku、弹性能变形指数Wet与最大储存弹性应变能指标Es四个评判指标,运用模糊数学综合判别法对四个指标的判据结果进行综合评价,得到该隧道的岩...     

玲珑金矿花岗岩岩爆倾向性的实验研究

通过基本岩石力学实验,得到了花岗岩的力学参数,在此基础上,建立了三种岩爆倾向性指标(岩石脆性指数、岩石弹性变形能指数、岩石冲击能指数)对其进行岩爆倾向性判别,结果表明:玲珑金矿花岗岩为强岩爆倾向性,已具备了发生强烈岩爆的内部条件。     

深埋隧洞应变型岩爆倾向性评估的新数值指标研究

应变型岩爆是深埋隧洞常见且频发的岩爆类型,严重威胁深埋隧洞施工安全,其破坏位置和程度的准确评估对该类岩爆的防治具有极为重要的工程意义.在系统总结和分析国内外岩爆倾向性数值指标评估方法优势和不足的基础上,从局部能量释放率基本理论出发,提出新的岩爆倾向性评估数值指标,即相对能量释放指数(RERI).全面地阐述该指标的构建思想和基本原理及其物理意义,并将该指标成功应用于锦屏二级水电站引水隧洞应变型岩爆和加拿大Rm415试验洞脆性破坏等问题分析,验证新指标的合理性和适用性.研究表明,RERI指标能够较为准确地指出高应变型岩爆风险区域和位置,并能相对准确地指出深埋隧洞岩体开挖损伤区的范围,为深埋隧洞应变型岩爆灾害和脆性破坏的评估与防治提供新理论和分析工具.     

基于GIS的岩爆倾向性模糊自组织神经网络分析模型

岩爆倾向性是评价地层深部工程安全性的一个十分重要的指标之一。研究方向把常规的研究岩爆倾向性的方法与GIS技术结合起来，利用GIS的空间数据分析技术和模糊自组织神经网络，对评价岩爆倾向性的多源信息进行加工处理，建立了一个基于GIS技术的岩爆倾向性模糊自组织神经网络模型。     

岩爆发生过程的能量判别指标

岩爆是一种严重威胁深埋地下工程施工安全的动力灾害,但现有的可用于数值计算的岩爆判别指标都是针对静力数值计算结果提出的,仅能对岩爆发生的危险性做出静态和定性的评价,而不能合理反映实际岩爆发生的动力过程。为对岩爆进行更准确的预测,结合试验和理论分析,通过对岩爆的发生过程和机制进行深入剖析认为,对岩爆机制的研究在本质上应是对岩体中裂纹动态扩展问题的研究,并从裂纹动态扩展的角度给出岩爆的定义;在此基础上,提出一个新的岩爆能量判别指标——单位时间相对能量释放率指标,并将该指标应用于锦屏二级水电站引水隧洞岩爆案例模拟中,所得结果与实际情况基本一致,表明该岩爆判别指标可以很好地对实际岩爆的发生过程进行判别。研究成果可为深埋地下工程施工过程中的岩爆灾害评估和预测提供基本的科学依据与重要的理论支持。     

确定弹性应变能指标的岩样卸载点的声发射方法

弹性应变能指标方法是岩爆倾向性评判中应用最多的一种方法,但该方法的一个技术难题是在实验中难以确定卸载点。在武夷山隧道工程的岩爆倾向性评价的室内试验中结合岩石的声发射监测技术,试图解决这个难题,并利用弹性应变能指标法对该隧道的岩爆倾向性进行了评价。试验研究结果表明,采用声发射监测技术并利用岩石峰值破坏前声发射突增的特性,可以较好地控制初次加载达到岩石峰值强度的80%以上,且在岩石不发生破坏的情况下及时卸载,从而能很好地满足弹性应变能指标法对岩石加卸载条件的要求,提高了测试结果的可靠性。同时,本实验得出该隧道具有发生中等岩爆的倾向性的结论。     

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。     

岩石非均质性与冲击倾向的相关规律研究

岩石冲击倾向指标E／λ值是反映岩石发生冲击地压难易程度、冲击类型与强度的重要参数，通过对细观非均质岩石的全过程应力．应变曲线的大量数值实验进行分析，揭示出冲击倾向指标E/λ非均质参数m遵循负指数关系且E／λ随m增大而减小。     

岩爆与爆破的关系

许多大型地下工程的岩爆实录表明,岩爆与爆破具有密切关系。当前炮次爆破形成的爆炸应力波在已开挖围岩中的传播可以概化为Lamb线源问题。爆破后,对于已开挖围岩轮廓面上某一点,P波、S波和Rayleigh波顺序到达;P波和Rayleigh波对围岩具有显著的扰动作用,两者之中大振幅Rayleigh波居于支配地位。P波和Rayleigh波将分别在围岩中形成垂直和平行于开挖轮廓面的张性破裂面;在21ss>,03=s的应力环境中,这些破裂面的出现,将引起围岩以岩爆或片剥的形式破坏。P波的衰减和Rayleigh波的垂向分布可以解释岩爆高发区与掌子面的空间关系及岩爆碎片的形状特征等若干岩爆现象。     

岩爆综合预测评价方法

在综合分析岩爆发生条件的基础上，对岩爆产生的影响因素进行了系统归类，提出一种岩爆发生的综合预测评价方法，即系统决策和模糊数学相结合的层次分析-模糊综合评价法(AHP-FUZZY)。该方法较全面地考虑了岩爆灾害发生的多种影响因素，给出各种岩爆影响因素的影响程度权值，对各种因素的重要性进行了评价，避免单一判据所带来的局限性，为岩爆灾害评价提供一种新的综合预测和评价方法。     

岩爆应力状态研究

通过地下洞室围岩的应力状态分析和真三轴压缩试验,研究了岩爆应力及其在围岩中的极限深度问题。研究结果表明,片状劈裂岩爆是在双轴压缩应力状态作用下在洞壁面上产生;剪切错动型岩爆是在真三轴应力状态下在围岩内部产生;围岩内部存在着生产岩爆的极限深度区,极限深度的深浅取决于应力场中的垂直和水平主应力的比值大小。     

冲击地压声发射前兆模式初步研究

 从讨论声发射与岩石材料损伤关系出发, 论证了用声发射监测冲击地压的科学性。基于现场实测研究, 提出了冲击地压的声发射四种前兆模式: “单一突跃型”、“波动型”、“指数上升型”和“频繁低能量前兆型”, 还分析了松动爆破对防治冲击地压的效果, 这对冲击地压的预测预报, 具有重要应用价值。     

煤系岩石的成分、结构与其冲击倾向性关系

煤岩体的冲击倾向性是发生冲击地压的固有属性和必要条件,且影响煤岩体冲击倾向性的因素很多;而煤岩体的物质成分、岩性组构是煤岩体的内在属性,是决定煤岩冲击倾向性的内在因素。从煤岩的微观结构出发,研究煤岩的受力情况、强度特征、变形破坏过程,构建煤岩的微观组构与煤岩的宏观力学性质之间的关系模型;分析煤岩蓄能和耗能的作用机理,从而构建煤岩体的物质成分、岩性组构与煤岩的冲击倾向性大小之间的定性、定量关系。试验研究与理论分析结果表明,随着碎屑颗粒(石英)含量的增加,岩石的强度和刚性增强,受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少,发生应变型冲击地压的可能性增加。随着碎屑颗粒粒径的减小,粗粒的粒柱状矿物(石英、长石等)逐渐减少,而细粒的片状矿物(云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等)增多,岩石的刚性减弱,在集中应力作用下,产生塑性变形所耗散的永久变形能增加,发生脆性破坏的可能性减小,岩石的冲击倾向性减小。     

弱能量爆破技术在地下隧洞工程岩爆治理中的应用试验

介绍弱能量爆破治理岩爆的原理,以锦屏水电站二级引水隧洞为背景工程,采用 FLAC3D程序模拟高地应力的分布,采用Russenses岩爆判别法确定应力释放部位,拟定4种应力释放爆破方案,每个方案进行3组爆破试验,对试验成果进行分析,试验表明通过对爆炸能量的精心控制,可以起到释放高地应力从而达到治理岩爆的目的。但该方法只是把应力向深部推移,并不能消除地应力,因此及时的支护手段还是必须的。     

新的岩石节理粗糙度指标研究

首先,基于节理轮廓线提出一个剪切粗糙度指标(SRI),新指标由3个粗糙度参数构成,描述节理平均起伏度、起伏的方向性、起伏分布特点以及粗糙的分形特性,并建立新指标与JRC之间的拟合关系。其次,基于三角形面积单元离散的三维节理面,将剪切粗糙度指标推广到三维形式,从而使得新指标能够描述节理的三维形貌特征。最后,以张拉型花岗岩节理作为算例,计算结果表明新指标能较好地反映节理的各向异性粗糙特性。新指标物理意义明确,计算方便,能够表征节理的主要粗糙特性,为进一步研究岩石节理的剪切力学特性奠定基础,具有重要的理论意义。     

岩爆机理声发射试验研究

采用单向和三向应力状态下的岩石声发射测试技术,对不同岩性岩石的岩爆机理进行了系统地试验研究。研究表明,强度不同、结构差异、不同岩性的岩石,其在单向和三向应力状态下的声发射特性明显不同,而同种岩性岩石在单轴压缩和围压条件下的声发射特性则极为相似,其声发射特征应力值之间也存在一定的规律性关系,对于强度高的岩石和强度低的岩石这一规律都存在,由此总结出不同岩性岩石在不同应力状态下的岩爆发生特征。试验研究表明,采用岩石声发射测试技术追踪岩爆的产生和发展过程,是进行岩爆机理研究的一种科学、有效的方法。     

硬脆岩石的微观颗粒模型及其卸荷岩爆效应研究

 为准确反映硬脆岩石的力学特性并对其卸荷岩爆效应进行合理模拟,从微观层面建立了硬脆岩石的力学模型。首先依据花岗岩岩样的衍射测试确定了模拟岩样的微观结构,其次从能量发展和应力–应变2个角度确定了硬脆特性的评价指标,借助评价指标进行岩样的颗粒效应分析和力学性能调控,进而构建了一种反映岩石硬脆特性的微观颗粒模型“可视构架”(基于现有岩样结构,颗粒与黏结参数需保持的趋势和量值限制)。应用模型并采用颗粒流程序PFC3D对不同围压三轴卸荷下的岩爆效应进行模拟分析,结果表明：岩样的低围压卸荷与高围压卸荷都体现出以张拉性质为主导的黏结断裂,但高围压卸荷比低围压卸荷有更高的张拉断裂比重,体现出更明显的脆性破裂性质,应力跌落曲线表现得更为陡直;低围压卸荷下颗粒动能在破裂过程中均有所发展,岩爆效应体现出“持续型”特点,高围压卸荷下颗粒动能则表现出明显的差异性,岩爆效应体现出“爆发型”特点。