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用岩石声发射与岩石损伤分析岩爆发生机制Ξ河北理工学院资源工程系 徐东强ΞΞ 单晓云 张艳博摘 要:文中介绍了利用统计规律和连续损伤力学理论建立了声发射与损伤变量之间线性关系式;用不同孔隙率的阜平大理岩进行了双轴压缩试验,模拟了双向受力状态下的岩爆,研究了其破坏过程中的声发射特征,并从岩石损伤的角度分析了岩爆的发生机制。
关键词:声发射 损伤力学 岩爆1 前言地壳中的岩体本身存在着一个极其复杂的自然应力场。
采掘活动会引起自然应力场的变化,使岩体中的应力重新分布。
在某些条件下,积聚在岩体中的弹性应变能一旦超过岩体的弹性临界状态就会引起岩石的非线性变形,剧烈时可产生岩爆。
岩体在变形破坏过程中会产生应力波和声波,我们称为声发射。
声发射的发生是由于错位的累计而形成的裂纹、晶格错动、或从原有的缺陷发生的脆性破裂及其向外扩张传播,以及由此而引起的内部结构上的变化所释放的能量等等。
研究岩石变形破坏过程中的声发射特性,对于探讨岩体突发失稳的机制及其防治、预报岩爆具有重要作用。
损伤是指在外载荷环境的作用下,由于细观结构的缺陷(如微裂纹、微孔洞等)引起的材料或结构的劣化过程。
损伤力学则是研究含损伤介质的材料性质以及在变形过程中损伤的演化发展直到破坏的力学过程的学科。
损伤力学是近20年来发展起来的一门新的学科,它是材料结构变形与破坏理论的重要组成部分。
损伤力学的研究不仅限于金属材料方面,而且逐渐被引进到岩石、混凝土类材料的强度及结构关系的研究。
几十年来,材料损伤性质的研究发展迅速,在微观、细观及宏观的基础上进行了大量的工作。
有关细观损伤的成核机理、演化规律、细观损伤对宏观力学性质的影响等是当前损伤研究的主要问题。
通过声发射的产生机理和损伤力学的研究内容,我们有理由认为声发射活动与岩石内部的损伤状态之间存在一定的关系,本文通过阜平大理岩双向加载声发射实验和双向受力岩石损伤分析,研究了岩爆的发生机制和岩爆的预报。
2 损伤变量与声发射关系在连续损伤力学中损伤变量D是这样定义的:材料损伤形成的微孔洞、微裂纹面积与材料损伤前总承载面积之比,其表达式为: D=S nS(1)式中,S—原始无损伤时材料面积;・82・ΞΞΞ徐东强 副教授 河北唐山 063009河北省自然科学基金资助项目S n—损伤面积。
岩爆发生的机理分析及防治措施综述岩爆发生的机理分析及防治措施综述摘要：深部洞室的岩爆已成为水利、隧道、深部采矿工程建设的突出问题。
近年来，我国在深部采矿，隧道开挖等工程领域快速发展，由于工程经验相对较少，且多数理论研究成果很难解释岩爆的发生机理，因此对岩爆的发生机理及防治措施研究显得尤为重要和迫切。
通过介绍已有的岩爆发生机理，比较现有的岩爆发生机理，指出各岩爆机理的优缺点，并提出需要改进的部分，并对相关的隧洞工程总结有效的防治措施。
最后结合当前的研究现状提出几点见解，以期为岩爆区的工程设计、施工建设提供有益参考。
关键词：岩爆；地应力；应变能；隧洞；断裂力学E-mail：ambitiousxjfeng@引言自1738年在英国锡矿坑道中首次发现岩爆现象以来，各国在深部地下工程中的岩爆现象越来越多，这与人类不断向深部开采资源，发展地下空间的活动密切相关。
岩爆作为一种人类地下深部工程活动的产物，其定义众多，目前尚未有统一的认识。
广泛被接受的定义：在高地应力深部地下洞室中，脆性岩石卸荷造成存储的应变能突然释放，使洞室围岩出现崩落，甚至弹射并伴随爆裂声的一种动力失稳现象[1]。
岩爆的发生会给工程造成巨大的损失，严重的情况会造成大型机械设备的损坏以及人员的伤亡，因此对深部岩石的岩爆现象研究显得特别重要。
随着矿山、水利水电、铁路公路交通隧道等工程向深部发展，岩爆作为一种地质灾害现象，其发生越来越频繁。
[2]岩爆作为一种复杂的深部地下工程活动现象，其发生原因受多种因素的影响，因此对岩爆形成的机理研究以及准确预测显得特别困难。
为解决当前我国深部地下工程活动中的地质灾害问题，需要对岩爆发生的力学机理，物理现象做深入的研究，结合室内试验，现场试验以及现场检测对其发生的时间，发生的强度、烈度做进一步精确的预测。
我国自1933年在抚顺胜利煤矿报道岩爆事故以来，已记载了大量的工程岩爆事故，特别近几年来，随着我国不断向深部地下空间发展，岩爆现象发生频繁。
真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究一、本文概述本文旨在深入研究真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性及其诱发的岩爆机理。
随着地下工程向深部发展，深部岩体的力学行为及其稳定性问题日益突出。
岩爆作为一种常见的深部岩体动力灾害，对地下工程的安全性和稳定性构成了严重威胁。
因此，揭示真三轴卸载条件下深部岩体的破裂特性和岩爆机理，对于预防和控制岩爆灾害具有重要的理论意义和实践价值。
本文首先回顾了国内外关于深部岩体破裂特性和岩爆机理的研究现状，指出了现有研究的不足和需要进一步深入探索的问题。
在此基础上，通过理论分析、实验室试验和数值模拟等多种方法，系统地研究了真三轴卸载条件下深部岩体的应力-应变关系、破裂模式、能量演化规律等关键科学问题。
本文的主要研究内容包括：1）建立真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性的理论分析框架；2）开展真三轴卸载试验，揭示深部岩体在不同卸载路径下的破裂模式和能量演化规律；3）利用数值模拟方法，分析深部岩体在真三轴卸载过程中的应力分布、位移场和能量场的变化特征；4）结合理论分析和数值模拟结果，探讨真三轴卸载条件下诱发岩爆的机理和影响因素。
本文的研究成果不仅有助于深化对深部岩体破裂特性和岩爆机理的认识，也为地下工程的安全设计和灾害防控提供了重要的理论依据和技术支持。
二、真三轴卸载条件下深部岩体破裂特性研究在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性是一个复杂且关键的问题。
为了深入了解这一过程，本研究采用了一系列先进的实验方法和数值模拟技术，对岩体的应力-应变行为、破裂模式以及能量演化等方面进行了详细的分析。
通过真三轴实验设备对深部岩体进行卸载模拟。
实验过程中，我们精确控制了卸载速率和卸载路径，以模拟实际工程中的卸载过程。
同时，利用高分辨率的摄像头和位移传感器，实时记录了岩体表面的裂缝扩展和变形情况。
实验结果表明，在真三轴卸载条件下，深部岩体的破裂特性呈现出明显的非线性特征。
随着卸载的进行，岩体内的应力场和应变场发生重分布，导致岩体逐渐产生裂缝。
岩爆的预测与预防一、岩爆灾害研究现状岩爆(冲击地压)是指在高地应力地区洞室开挖后，由于洞室的应力重分布和应力集中，在较短时间产生的突发的、猛烈的脆性破坏形式。
岩爆发生时，破碎岩石从坑洞壁弹射或大量岩石崩出，产生强烈的气浪或冲击波，严重的可摧毁整个作业面乃至整个洞室，对矿山安全开采造成了极大的危害。
国内外对岩爆问题的研究，主要集中在三个方面：岩爆机理研究；岩爆危险性评价、监测预报技术研究；岩爆防治措施研究。
其中，岩爆机理研究是预测和防治的理论基础，也是国内外学者研究的重要内容，比较具有代表性的有强度理论、刚度理论、能量理论、冲击倾向理论等。
(1)强度理论：岩体破坏的原因和规律，实际上是强度问题，即材料受载荷超过其强度极限时，必然要发生破坏。
但是这仅是对材料破坏的一般规律的认识，它不能深入解释岩爆的真实机理。
(2)刚度理论：刚度理论是Cook等人由刚性试验机理论而得到的，该理论认为若试验机刚度小于试件后期变形刚度时，则发生突然的失稳破坏。
(3)能量理论：20世纪60年代中期，Cook等人总结南非金矿岩爆研究成果后提出了能量理论。
他们指出：随着采掘范围的不断扩大，岩爆是由于岩体—围岩系统在其力学平衡状态破坏时，系统释放的能量大于岩体本身破坏所消耗的能量而引起的。
(4)冲击倾向理论：冲击倾向性是指介质产生冲击破坏的固有能力或属性。
用一个或一组岩石本身性质有关的指标衡量矿岩的岩爆倾向强弱，这类理论就是所谓的岩爆或冲击倾向理论。
二、岩爆地质综合分析与预测（1）地应力条件岩爆的发生与地应力积聚特征有着密切的关系。
因此，地应力场分析对于岩爆预测非常重要，高地应力条件是发生岩爆的必要条件。
然而对于高地应力区，是一个目前尚未统一规定和定义的问题。
目前国内外学者对可能发生岩爆的高地应力界定差异很大，其中一类以地应力绝对大小划分，认为最大主应力达到20～30MPa 时即可认为岩体处于高地应力状态。
(2) 地质构造褶皱构造核部一般是应力集中带，因为研究区域应力场以水平应力场为主，巷道开挖后，垂直洞壁方向的初始地应力增高，使得水平应力与垂直应力的差距加大，巷道拱顶部位产生高应力集中，导致岩爆发生。
岩爆岩石断裂的微观结构形貌分析及岩爆机理赵康;赵红宇;贾群燕【摘要】利用扫描电镜(SEM)对岩爆岩石断口微观形貌特征进行研究分析,从微观角度探索岩爆产生的机理.通过对平顶山十二矿岩爆现场取样对其断口形貌特征与地应力和岩石成分之间关系进行研究.巷道围岩劈裂岩块断口形貌多呈台阶状,劈裂面与地应力最大主应力方向平行,岩石断口属拉张断裂,劈裂纹的产生主要是脆性断裂;岩爆抛射出的岩块断口形貌非常复杂,裂面与切应力(最大主应力)方向平行或相交,不同平面内的微裂纹通过与岩爆裂纹间的微裂纹或受撕裂作用形成台阶,表面不平整,属于拉张或剪切型断裂.岩石细观成分对岩爆的影响也较大,结晶程度高、结构致密的硬脆岩石更易发生岩爆.【期刊名称】《爆炸与冲击》【年(卷),期】2015(035)006【总页数】6页(P913-918)【关键词】爆炸力学;微观形貌;扫描电镜;岩爆;岩石断口;地应力;岩石成分【作者】赵康;赵红宇;贾群燕【作者单位】江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000;江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000;江西理工大学建筑与测绘工程学院,江西赣州341000【正文语种】中文【中图分类】O389;TU452岩爆，也称冲击地压，常出现在深埋地下工程硬脆岩体高地应力区域施工的过程中，坚硬围岩因开挖扰动导致应力的转移与集中，当集中应力超过巷道围岩的破坏强度时，聚积在巷道岩体内部储存的弹性应变能突然释放，致使巷道围岩产生爆裂性松脱、剥落、弹射或抛掷，甚至发生矿震，严重威胁矿山安全生产，常造成重大人员伤亡和生产设备的损坏事故[1-3]。
对于岩爆产生的机理，虽然很多学者进行了大量研究，但目前仍没有定论[4-5]。
岩爆断裂微观结构形貌分析，在一定程度上真实反映了岩爆形成时岩石材料内部损伤演化过程中的受力情况和结构破环特征, 客观地揭示了断裂过程的本质特性。
扫描电镜(SEM)自从1965年被发明以来，在各行业应用广泛，尤其是在研究材料的微观结构方面发挥了巨大作用[6-8]。
地下工程岩爆岩体结构对岩爆的影响摘要：地下工程岩爆是造成工程事故和人员伤亡的主要原因之一。
岩爆的出现往往会受到岩体结构的影响。
岩体结构的异常、缺陷等都可能成为岩爆的核心因素。
一般通过分析岩体结构对岩爆的影响，揭示岩体结构与岩爆之间的内在联系。
本文主要从岩体构造类型、岩体结构特征、应力状态等方面出发，对影响岩爆的关键因素进行较为深入的探讨。
结合实际工程案例，提出了相应的岩爆预防和控制措施。
该研究可为地下工程岩爆的防治提供技术支持和决策参考。
最后本文对各种结构类型的岩体岩爆灾害进行了分析，探究了在地下工程建设中预防岩体爆裂的岩体结构优化和稳定支护措施。
关键词：岩体结构；地下工程；岩体爆裂；岩爆现象；稳定支护0 引言地下工程岩体岩爆是指在地下开挖、挖掘、爆破等工程中，在短时间内由于炸药等因素引发的高强度能量释放，导致岩石体瞬间崩裂的现象。
这一现象在地下工程中十分普遍，给工程施工和工人安全带来了极大威胁。
在岩体岩爆过程中，岩体结构的稳定性和强度会直接影响到岩体岩爆的危险程度和发生概率。
因此，提高地下工程建设中岩体结构对岩体岩爆的预测及其稳定性控制，对于保证工程的安全性具有重要意义。
岩爆是由多种因素引起的，如地质构造、岩石物理、应力状态等。
在岩爆的不同阶段，岩体结构的变化会引起不同的影响。
因此，了解不同类型岩体的结构对岩爆的影响非常重要。
经过对煤矿、隧道等地下工程岩爆的研究，发现岩体结构对岩爆的影响主要来自以下两个方面：首先，岩体结构对岩爆的离散破裂点的位置和数量有着重要的影响。
岩体结构越不规则，破裂点就会越难以预测和控制。
因此，在预测和控制岩爆方面，建立规律的岩体结构能够更好地减少岩爆发生的概率。
其次，岩体结构的变化会影响岩石的物理性质。
例如，岩石的压缩强度和裂纹扩展的速度等参数会因不同的岩体结构而有所不同。
因此，在岩爆的防范中，要对不同类型岩体的结构特征有深入的了解，以便采取适当的措施。
总之，地下工程建设时存在着各种各样的问题，其中之一就是岩爆，它是地下工程中最为常见的问题之一，也是一种需要高度关注和防范的地质灾害。
岩爆发生机理及防治措施岩爆发生机理与治理措施摘要：岩爆是深埋长大隧道的主要地质灾害之一，目前基于岩爆发生机理和治理方式国内外专家都提出了不少理论方法，但用于生产实践时都遇到或多或少的问题。
内外相关文献资料的基础上，笔者通过两年多来在岩爆洞段的施工经验，并查阅国对岩爆的发生机理和防治对策进行探讨。
关键词：深埋长隧道断裂型岩爆应力型岩爆水胀式锚杆爆破应力释放孔1、岩爆发生机理岩爆是高地应力地区岩石地下工程中的一种常见灾害。
它常常表现为声响、片状剥落、严重照片帮和岩爆性的坍塌，有的伴的声响及岩片弹射、能量猛烈释放、洞室豁然破坏，往往给人员、机械设备和建筑的安全带画巨大的损失。
在地下洞室的修建过程中，由于开挖使地应力重新分布，围岩应力集中，在洞壁平行于最大初始应力σ1的部位，切向应力梯度显著增大，洞壁受压导致垂直洞壁方向产生张应力。
这种应力的作用不断增强，首先产生环向的张裂或劈裂，进而发生剪切破坏。
一旦岩块被剪断，且又具有较高的剩余能量时，致使岩块发生弹射，完成弹性势能到动能的转换，形成岩爆。
岩爆的发生有外部和内部两方面的原因。
其外因在于：岩体中蓄存有高地应力，特别是地下洞室的开挖改变了岩体内存的力学环境，其内因是岩石矿物结构密度、坚硬度较高，一般发生岩爆的岩石单轴搞压强度均在120Mpa以上，内因和外因同时成立是即发生岩爆。
2、岩爆的分类根据对辅助洞1000多米的岩爆洞段的观察分析，可将岩爆划分为应力型岩爆和断裂型岩爆，应力型岩爆主要发生在围岩结构完整，无贯穿性结构面的岩层中，岩石的主应力达到40%岩石单轴抗压强度以上，岩爆表现形式以片状剥落为主，并伴有声响及岩片弹射，一般破坏性不大；断裂型岩爆主要发生在岩石结构完整，并伴有贯穿性结构面或断层的岩体中，岩体的应力主要集中在贯穿性结构面附近，往往岩体内的最大主应力大于或接近岩石单轴抗压强度，主要表现形式为突发性的震动，并伴有强烈的响声，在有相交结构面的围岩中往往还因岩爆震动引起大规模的坍塌，破坏性较大。
