基于声发射试验与线弹性能判据的玲南金矿岩爆研究

 以玲南金矿深部赋存的中粗粒二长花岗岩、蚀变带矿石为研究对象,现场取样并使用GAW–2000型微机控制电液伺服刚性压力试验机进行单轴压缩破坏试验,借助AE21C声发射检测系统对试件的加载破坏全过程进行声发射响应信号记录;通过对试验结果进行分析,揭示玲南矿区深部赋存两种岩石的破坏及声发射响应特征;在室内岩石力学试验与现场调研的基础上,结合线弹性能判据,确定玲南金矿十九中段不同岩石的岩爆倾向性,并通过将判别结果与声发射结果、现场情况进行对比,发现中等岩爆倾向的岩石的声发射能量累积计数是低等岩爆倾向值的15倍以上,因此对于借助室内声发射测试技术的能量累积计数率来快速判断岩石岩爆倾向性具有一定的参考价值,并可在进一步的研究中将其应用到现场预测当中。     

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题，断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则，得到了断层带-围岩系统的失稳判据，它不仅与岩石材料的本构参数有关，也与岩石结构的几何尺寸有关，说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于：断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示；而且，断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变，这一点与有关的实际观测结果相符合。     

考虑应变率及应变梯度效应的断层岩爆分析

从理论上研究了考虑应变率效应及微小结构相互影响的断层带．弹性岩石系统的剪切不稳定性。在经典弹-塑性理论的屈服函数中引入应变梯度及考虑应变率效应的函数。将断层岩爆简化为一维动态剪切问题，利用：局部塑性剪应变的对称性；在断层带的边界上，其应变值为零；断层带的宽度由塑性剪切应变取极值来确定等条件，得到了断层带内部的局部塑性剪切应变及局部塑性剪切位移，二者都随应变率的增加而趋于明显增加。同时，还得到了应变软化阶段系统结构响应的理论表达式。令峰后刚度为无穷大，则可得到岩爆发生的临界加载应变率，该参数不仅与岩石材料的本构参数有关，而且还与岩石结构的几何尺寸(即弹性区域的尺寸)有关。应变率增加使断层．弹性岩石系统容易发生失稳回跳。此外，若不考虑应变率效应，则本文的理论结果可以退化为对断层岩爆的静力分析结果。     

圆形岩爆隧洞应变能计算方法及岩爆发生部位确定方法

岩爆隧道中应变能计算是其他能量计算的基础.文章采用资料调研和理论推导的手段,给出了圆形隧洞洞周围岩应变能的计算公式,并对不同地应力条件下,最可能发生岩爆的部位进行了研究.结果表明:有岩爆倾向的圆形隧洞,其洞周围岩应变能除了与围岩材料性能相关外,还与该处地应力水平和侧压力系数及其所处的位置有关.地应力水平的大小决定是否发...     

基于弹性应变能的深埋硬脆围岩隧道岩爆防治措施探究

以大峡谷高地应力隧道为工程背景,结合有限元软件MIDAS和有限差分软件FLAC3D,建立了三维数值计算模型,模拟了隧道开挖全过程,研究了在有无超前应力释放孔下掌子面开挖前后围岩弹性应变能的分布规律,并探究弹性应变能的积累和释放对岩体的影响情况。计算结果表明：隧道开挖后拱顶位置的应变能积聚程度较高,岩体相较于其它区域劣化程度更高,同时与拱肩之间形成能量突变区域,发生岩爆的风险更高;超前应力释放孔钻孔施工之后,掌子面最大应变能降低了19.48%,有效降低了掌子面的能量集中情况,减小岩爆风险,研究结果可为类似工程提供一定的参考价值。     

基于岩爆倾向性的高黎贡山深埋隧道岩爆预测研究

岩爆的预测研究一直是地下工程的世界性难题之一,岩爆倾向性是岩爆发生的一个重要条件。本文以大瑞铁路高黎贡山深埋隧道为例,在野外地质调查和室内岩石力学实验测试分析的基础上,计算分析了高黎贡山深埋隧道花岗斑岩岩体的弹性应变能指数WET、岩石脆性系数B和最大储存弹性应变能指标Es等岩爆倾向性指标。在ANSYS软件平台上,进行了...     

岩爆及其判据和防治

 岩爆研究可以追溯到18世纪上半叶。迄今为止,虽然诸多科研成果已经问世,但岩爆仍然是一个世界性难题。作为一般性的论述,首先提供一些背景材料,涉及到国内外一些工程实例、研究方法等。然后,叙述国际范围内常用的一些岩爆判据和岩爆分级方法;论述岩爆的预测和预报;对岩爆防治,包括应力解除钻孔、注水湿化和锚固等方法进行综述。最后,对锦屏二级水电站辅助洞发生的岩爆实例进行重点介绍,并在综合已有资料的基础上对岩爆判据、分级及防治等提出意见和建议。     

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。     

基于弹性能演化全过程的岩石脆性评价方法

脆性破坏是岩石的一项重要力学特性,建立准确的脆性评价方法对岩石工程具有重要意义。岩石峰前存储的弹性能演化特点直接决定了峰后的脆性破坏特征。因此,综合考虑峰前弹性能的积聚特性和峰后弹性能的释放特性,建立一种基于弹性能演化全过程的岩石脆性评价指标。利用该脆性评价指标开展不同岩性单轴压缩、不同围岩以及水压试验的脆性特征评价。试验结果表明:建立的脆性评价指标能全面反映岩石脆性特征。在单轴试验条件下,该指标能准确地评价各类岩石的脆性差异性;常规三轴压缩条件下,大理岩和石英砂岩的峰前弹性能的积聚率和峰后弹性能耗散率随着围压的增加而不断降低;水压条件下,石英砂岩的脆性指数随着水压的增加而不断提高,随着围压的增加,水压对脆性指标的影响逐渐减弱。试验结果验证了该指标的合理性,研究结果丰富了岩石脆性评价方法。     

基于9种机器学习算法的岩爆预测研究

岩爆预测是减轻乃至消除岩爆危害的基础。本文构建含325组岩爆案例的岩爆预测数据集,通过引入9种经典机器学习算法,建立9个考虑多因素的岩爆预测模型,发展并完善岩爆预测方法。模型建立过程中,采用空值填充、重采样等多项数据预处理技术对数据进行清洗、归一化及降维,解决了数据不均衡问题。通过特征提取与选择,获得岩爆预测的最优的特征组合,采用网格搜索交叉验证技术获得模型的最优参数。采用准确率、精确率、召回率、F₁值、宏平均、微平均等指标对模型预测性能进行验证与评估,并与常用理论判据的分类性能进行了对比。检验结果表明,所建模型的预测效果较好,且远好于单纯依靠理论判据所得的结果。最后,采用本文模型对西藏多雄拉隧道进行了岩爆倾向性分析,预测结果与现场情况具有较好的一致性。     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究

高地应力诱发的岩爆灾害是目前深部地下工程经常遇到的工程地质问题。现场地应力测量是岩爆预测的重要前提,根据三山岛金矿深部测量和岩体赋存状况的特点,优化应力解除测量技术并在矿区深部进行现场实测。提出采场岩爆发生的2个必要条件,即岩石具备储备高应变能的特性和采场具备高应变能积聚的应力环境。基于地应力实测与岩石力学室内试验结果,采用多准则判据对矿区深部发生岩爆的倾向性做出定性分析与评价。FLAC3D数值模拟分析揭示深部开采引起的采场围岩能量积聚、分布状况及变化规律。首次采用地震学的知识,对三山岛金矿未来深部开采过程中可能诱发岩爆的地点和级别做出预测。研究成果为深部地下工程岩爆的预测、预报提供新的思路和途径。     

坚硬脆性岩体中圆形洞室岩爆破坏的平面应变模型试验研究

为了探讨圆形地下洞室围岩岩爆破坏过程与机制,以单轴抗压强度(σc)、脆性系数(K)与冲击能量指数(WB)为概化指标,通过物理模型材料的正交试验,选取合适的具有岩爆倾向性的坚硬脆性岩体物理模型材料,制作了尺寸为800mm×800mm×200mm(长×宽×厚)、中心为φ160mm的圆形洞室物理模型试件,并在岩土工程大型真三轴物理模型试验机上进行平面应变物理模型试验。试验结果表明:在保持物理模型试件水平荷载与垂直荷载相等并同步提高过程中,围岩由弹性状态进入塑性状态,σθ-(r/r0)曲线表现峰值后移,σr-(r/r0)曲线形状变化不明显。当对物理模型试件同步施加水平荷载Ph与垂直荷载Pv均为600kN时,洞壁出现葱皮状剥落。同步施加水平荷载Ph与垂直荷载Pv均为630kN时,围岩在极短的时间与极窄的加载区间内围绕洞壁出现大规模突发性破坏,继续同步施加Ph与Pv,在相对较长时间与荷载区间内,围岩应力调整,出现相对稳定期。     

基于改进的灰评估模型在岩爆中的预测研究

岩爆是深部高地应力区岩体开挖过程中常见的一种复杂的动力失稳现象。由于影响因素众多,且各因素在岩爆的孕育过程中所起的作用尚不十分明确,可以将岩爆与其影响因素间的复杂关系当作灰色系统,利用灰色聚类方法进行研究。根据岩爆的成因及特点,选取洞壁围岩的最大切应力 、单轴抗压强度 、单轴抗拉强度 及岩石弹性能量指数 作为影响岩爆的主要因素,并以应力系数 / 、脆性系数 / 及弹性能量指数 作为评价指标,通过对灰色白化权函数进行优化,建立改进的岩爆预测灰评估模型。该模型解决了传统模型存在的灰类多重交叉性及不满足规范性等问题,理论上更完备。采用改进模型对国内外若干深部岩石工程岩爆初始数据进行研究,并与传统模型的预测结果进行对比,发现改进模型的结果与实际情况吻合更好,预测精度更高,从而验证了改进模型的有效性及实用性。研究方法为岩爆的准确预测提供一种切实可行的途径。     

基于先验知识的岩爆预测研究

 采用人工神经网络理论, 将岩爆先验知识作为学习样本, 建立了一种新的岩爆预测模型。研究表明, 与现有的其他岩爆预测方法相比, 所建议的模型更具客观性和通用性, 具有较高的预测精度。     

基于AHP-TOPSIS评判模型的岩爆倾向性预测

 为验证AHP-TOPSIS评判模型预测岩爆的可行性,依据层次分析法(AHP)与逼近理想解排序法(TOPSIS)的基本理论建立出岩爆预测评判模型,从岩性条件、应力条件与围岩条件3个方面选取岩爆发生的评判指标,再根据评判指标的临界值构建出岩爆等级判断准则,并通过AHP法客观确定各评判指标的权重向量,进而结合TOPSIS法分析贴近度并计算得出岩爆预测等级。实例应用得出,基于AHP-TOPSIS评判模型的岩爆预测结果与实际结果相吻合,同时与模糊数学的评判结果基本相符。该方法较全面地考虑了岩爆发生的多种影响因素,避免了单一判据的局限性,并对各种因素的重要性进行对比分析,使预测结果更为科学,可作为岩爆预测的理论依据,同时可为岩爆灾害预测提供一种可靠的新预测方法。