岩石爆破裂纹的起裂_扩展_分岔与止裂

岩石断裂分析引言：岩石是地壳的组成部分，其断裂特征对于地质学及工程学具有重要意义。

岩石断裂分析可以揭示岩石受力、岩层移位和内部结构等信息，有助于科学家和工程师进行地质和工程设计。

本文将探讨岩石断裂的类型、形成机制以及岩石断裂分析的方法和应用。

一、岩石断裂类型：岩石断裂可以分为几种不同类型，包括：剪切断裂、拉拔断裂、折断裂和溃裂等。

1. 剪切断裂剪切断裂是岩石中最常见的一种类型。

它是指岩石在受到剪切应力作用下发生的断裂。

剪切断裂可以进一步细分为水平剪切断裂、倾斜剪切断裂和复合剪切断裂等。

这些断裂会使岩石产生错动和滑动。

2. 拉拔断裂拉拔断裂是指岩石在受到拉伸应力作用下发生的断裂。

拉拔断裂发生在板块运动或构造运动中，通常以断层的形式出现。

拉拔断裂常伴随着断层和褶皱的形成。

3. 折断裂折断裂是指岩石断裂时同时发生的压应力和剪应力导致的破碎现象。

这些断裂通常会在岩层中形成断层构造，如逆断层、正断层和走滑断层等。

4. 溃裂溃裂是指岩石在承受较大应力时发生的大面积断裂。

溃裂通常发生在地下工程中，如水坝、地下隧道和岩石挡墙等。

溃裂会引发岩层的塌陷和滑动。

二、岩石断裂形成机制：岩石断裂形成的机制涉及多个因素，主要包括：地壳构造运动、地震、岩石强度、断裂面性质以及周围岩石的应力情况等。

1. 地壳构造运动地壳构造运动是岩石断裂形成的主要驱动因素之一。

板块运动和构造运动会在地壳中造成应力集中，引发地震、断层和岩石溃裂等断裂现象。

2. 地震地震是岩石断裂的重要原因之一。

地震发生时，地壳中的岩石受到剧烈振动和扰动，导致断裂面发生破坏和滑动。

地震断裂的研究对于地震灾害的防治具有重要意义。

3. 岩石强度岩石的强度是岩石断裂形成机制的重要因素之一。

强度低的岩石容易发生断裂，而强度高的岩石则相对稳定。

岩石强度受到岩石类型、物理性质和应力环境等因素的影响。

4. 断裂面性质断裂面的性质对岩石断裂有重要影响。

断裂面的粗糙程度和形态会影响岩石的抗剪强度和滑动性质。

第三章裂隙岩体的爆破理论第一节岩体破坏的主要因素一. 岩石、岩体、结构面和结构体岩石:由一种或几种矿物在地质作用下，按一定规律聚集成的自然体。

岩体：经受地质作用的地质体。

结构面：通常把岩体内开裂和易于开裂的地质面统称为结构面。

结构体：含有结构面的岩体。

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧风化裂隙卸载裂隙次生结构面劈理节理断层褶皱构造结构面变质结构面火成结构面沉积结构面原生结构面岩体结构面二. 岩体破碎的主要因素：炸药爆炸产生的应力波在传播过程中与岩体结构面相遇，使原有裂隙扩大或产生新的裂隙，形成裂隙网，岩石发生破碎，即应力波与结构面的相互作用是岩体破碎的主要因素。

1. 试验研究:美国马里兰大学等采用高速摄影和动光弹相结合的方法，进行了一系列室内和现场试验。

1）微小裂隙模型的破裂:室内用Homalite-100型塑胶（具有较大的脆性，易于模拟脆性岩石），采用双条纹材料制作，利用动光弹可清晰地显示应力波与裂隙在破碎过程中的相互作用。

在板的不同位置和方向上都作了人造裂隙，实验结果有四点发现。

A 在无裂隙模型上，炸药爆炸后，由于径向压应力的作用，孔壁上发生压碎现象。

当P波自孔壁向外传播，在切向拉应力的作用下，产生径向裂隙；B 应力波从自由面反射，并与向外扩展的径向裂隙相互作用，引起裂隙的分岔，直到裂隙扩展终止；C 裂隙的产生和扩展完全是各种应力波相互作用的结果。

D 向外传播的径向裂隙，在反射波的作用下产生“栅栏分枝”，形成密集的环状裂隙网，使岩石得以全面破碎。

与无裂隙模型相比，微小裂隙模型的块度要小得多。

2）岩石板模型的破裂：用300×300×50mm的花岗岩板A 若P波自炮孔到达自由面所需时间为t，只有当2t时在自由面处见到新裂隙出现。

说明P波在裂隙岩体中的传播速度大大减慢；B 原有裂隙可以形成新的裂隙源，新的裂隙在原有裂隙的基础上产生和发展；C 岩块从主岩体上分离以后仍然继续破碎，这与塑胶板模型上分离的碎片上观察到的由截留应力波造成的裂隙继续传播的情况类似。

名词解释1。

岩石坚固性及坚固性系数岩石坚固性:岩石抵抗任何外力造成其破坏的能力，或岩石破碎的难易程度。

坚固性系数：岩石坚固性在量的方面用坚固性系数f（无量纲量）表示，其值计算方法f=Rc/10，Rc 为岩石的单轴抗压强度(MPa）. 2。

装药最小抵抗线和临界抵抗线装药最小抵抗线:装药中心到自由面的垂直距离。

装药临界抵抗线：当装药处在此抵抗线时，自由面上刚好显现爆破迹象，大于此值,则看不到，小于此值,爆破现象显现。

3. 炸药的爆力和猛度炸药爆力：炸药爆炸后爆生气体膨胀做功的能力，体现了炸药的静作用。

炸药猛度：炸药爆炸后冲击波和应力波作用强度，体现了炸药的动作用.4. 毫秒延期电雷管毫秒延期电雷管：通电后以毫秒量级间隔时间延迟爆炸的电雷管.5. 爆轰波和爆速爆轰波：炸药体内传播的伴随有化学反应的冲击波.爆速：爆轰波在炸药体内传播的速度。

6。

爆破作用指数爆破作用指数：爆破漏斗半径与装药最小抵抗线的比值。

7. 不耦合装药系数不耦合装药系数：炮孔直径与装药直径的比值，此系数值大于等于1,等于1 时为耦合装药.8。

水压爆破水压爆破：在容器状构筑物中注满水，将药包悬挂于水中适当位置，起爆后，利用水的不可压缩性将炸药爆炸时产生的压力传递给构筑物壁面，使之均匀受压而破碎。

9。

定向倒塌爆破定向倒塌爆破：使爆破的建筑物按设计方向倒塌和堆积的爆破方法. 10。

煤矿许用炸药煤矿许用炸药：允许使用在有沼气的工作面或矿井的炸药，这种炸药中加有消焰剂（食盐)，用以吸收炸药爆炸释放的热量,降低爆温和抑制沼气的爆炸反应.11. 预裂爆破预裂爆破：在主爆区爆破之前，沿开挖边界钻一排密集炮孔，少量装药,不耦合装药结构，齐发起爆，爆破后形成一条贯穿裂缝。

在此预裂缝的屏蔽和保护下(预裂缝能反射应力波和地震波，减少对保护区岩体的破坏）进行主爆区爆破。

使之获得较为平整的开挖面。

12。

聚能爆破效应聚能爆破效应：利用爆轰产物运动方向与装药表面垂直或大体垂直的规律，做成特殊形状的装药，就能使爆轰产物聚集起来朝着一定方向运动，提高能流密度，增强爆破效应，此种现象称为聚能爆破效应。

岩体的分区破裂分区破裂化的定义：钱七虎院士将分区破裂化定义为在深部岩体中开挖洞室或者巷道时，在其两侧和工作面前的围岩中，会产生交替的破裂区和不破裂区，称这种象为分区破裂化。

岩石分区碎裂化现象：是伴随深部矿山开采以及深部地下空间的开发利用出现的特殊工程响应问题之一，与传统的岩石力学理论即认为洞室开挖后围岩中依次出现破裂区、塑性区、弹性区发生了矛盾。

分区破裂化现场监测的主要手段：钻孔法、井下电测法、超声波透视、电阻率仪法、多点位移计监测围岩变形。

分区破裂化现象产生的一般条件：①深部；②动力条件。

分区破裂化的一般规律：①围岩中的分区破裂化现象大致发生在深部岩体围岩中的初始垂直地应力σ地大于岩体单轴压缩强度极限Rc的情况下; ②分区破裂化现象中破裂区的数量取决于比值σ地 /Rc，比值越大，破裂区越多，反之则越少; ③分区破裂化现象既发生在巷道钻爆法施工时的情况下，也发生在巷道机械化掘进时的情况下; ④巷道机械法掘进时开始发生分区破裂化现象时的岩体初始地应力σ地一般高于钻爆法掘进时开始发生分区破裂化现象时的相应地应力σ地。

⑤遇自由表面时，缓慢的卸载波会引起分区破裂。

分区破裂化机制：（1）定性分析：1）劈裂观点：当应力值达到格里菲斯强度σs 时，裂纹将向最大主应力方向扩展，这一现象解释了岩石试件在单轴压力作用下的纵向劈裂现象，同时也解释了矩形地下洞室围岩的板裂现象。

对于圆形洞室，与此现象类似，当应力状态与围岩力学参数满足一定关系时，次生裂纹将沿着最大主应力方向扩展，即围岩切向应力σθ方向发展。

在应力值足够大的情况下，该裂纹将最终贯通，形成环状拉破坏断裂，即分区破裂现象的第一层断裂。

环状断裂形成后，导致围岩卸荷及应力重分布，从而产生下一个塑性区边界，该边界上的应力峰值使第二层环状断裂出现。

该过程循环进行，便形成了多个破裂区间隔分布的分区破裂现象。

其中，第二层破裂区半径/第一层破裂区半径=第一层破裂区半径/开挖洞室半径。

2.3 煤岩水力裂缝起裂和扩展准则2.3.1 煤岩水力裂缝起裂准则水力压裂技术是通过在地面向井下注入高压液体，迫使地层岩石在高压下破裂形成裂缝，该裂缝在支撑剂支撑下具有较高的导流能力，达到增产作用。

岩石在压力下开裂可以形成三种裂缝形态，它们分别为张性裂缝，剪性裂缝和混合型裂缝，如图2-1。

图2-1 水力压裂裂缝几何形态图普通砂岩地层在水力压力下形成张性裂缝为主的裂缝形态，当地层中存在天然裂缝时，井壁地层的受力状态发生改变，引起不同的起裂裂缝形态。

煤岩属于多裂缝的岩石体，在煤层的压裂中可以形成不同的起裂形态，归结为以下三种：1．水力裂缝在煤岩体的张性起裂；2．水力裂缝沿天然裂缝的剪切起裂；3．水力裂缝在天然裂缝形成的张性起裂。

从压裂过程中井壁力学分析来说，水力压裂通过增大井筒内压裂液体压力m p 来压开地层，当m p 增大时，井壁处切向应力θσ减小，当m p 增大到一定程度，θσ变为负值。

表示井壁岩石周向应力由压缩状态变为拉伸状态，当θσ达到岩石的抗张强度S 时，地层破裂并形成水力裂缝。

此时θσ满足：S -=θσ （2-16）破裂发生在θσ最小处，即在︒=0θ或︒=180θ处，煤层气多数为直井，对于直井则有0==βα，这样式2-5中θσ值表示为：)],(][)1()1(2)21([3221t r p p rR p m m H h -----+--=φνναδσσσθ （2-17）式中：),(t r p 为地层的孔隙压力值，井壁处R r =，其边界条件为： m p t r p ζ=),(ζ被定义为有效膜压力系数[31,32]，表达式为：rock cake m rock cake m c k k p p k k p p ++==0ζ式中：c p 为井壁处孔隙压力；0p 为远处地层孔隙压力。

将式2-17带入式2-16得到岩石张性破裂时的破裂压力f p⎥⎦⎤⎢⎣⎡----+⎥⎦⎤⎢⎣⎡-----==φνναδφνναδσσ)1()21(1)1()21(311S p p p c H h m f （2-18） 如果压裂形成水平裂缝，则要求岩石垂向上拉应力达到岩石垂向抗张强度S v ，此时要满足：v z S t r p -=-),(ασ （2-19）同样可以求得水平裂缝的破裂压力f p 的表达式：),(1)21(1)],([111t r p S t r p p vv f αφνναασ++---+-= （2-20） 如果水力裂缝在井壁处起裂过程中遭遇天然裂缝，则水力压裂能够沿着天然裂缝方向起裂，这时可以形成沿天然裂缝的剪切破裂，可以利用弱面模型[33,3,35]来研究这一问题。

岩石裂纹扩展-破断规律及流变特征曹平;曹日红;赵延林;张科;蒲成志;范文臣【摘要】讨论岩石断裂力学研究近年来的若干进展,主要内容包括扩展机理、断裂准则、实验加载方式与裂纹定位方法、数值计算方法在岩石断裂力学研究中的应用.基于室内实验研究单轴加载下预制裂纹间的贯通模式与多裂纹试样的破坏模式、压剪复合作用下混合裂纹间的贯通类型与破碎规律.与此同时,针对岩石亚临界裂纹扩展问题进行相关讨论并给与实例分析.结果表明:处于同一应力水平时,水岩化学作用能加速亚临界裂纹扩展;水化学腐蚀后岩石的断裂韧度均小于其在空气中的断裂韧度.此外,还对岩石流变断裂模式及考虑原生裂隙的非线性流变模型进行分析:结合岩石断裂力学与流变力学推导出压剪应力环境下裂纹流变断裂判据与理论模型;引入损伤因子和裂隙塑性体构建了能描述原生节理影响的岩体非线性蠕变模型.最后,展望岩石断裂力学未来的发展前景,并就岩石裂纹萌生与扩展的研究阐述几点认识.【期刊名称】《中国有色金属学报》【年(卷),期】2016(026)008【总页数】26页(P1737-1762)【关键词】裂纹扩展;贯通模式;亚临界扩展;流变断裂;理论模型【作者】曹平;曹日红;赵延林;张科;蒲成志;范文臣【作者单位】中南大学资源与安全工程学院,长沙410083;中南大学资源与安全工程学院,长沙410083;中南大学资源与安全工程学院,长沙410083;中南大学资源与安全工程学院,长沙410083;中南大学资源与安全工程学院,长沙410083;中南大学资源与安全工程学院,长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TU52在经历了亿万年的地质作用后，自然岩体中广泛存在着不同尺度、不同赋存状态的原生不连续面，它们包括裂隙、节理、弱面以及断层等，这些不连续面对岩体的稳定性造成了显著的影响[1−2]。

岩体节理的变形和破坏规律研究也是深入研究重大岩石工程破坏和稳定性的基础，具有重大的工程应用背景，很多大型岩体工程中的重大地压灾害都是由于岩体中的节理扩展和相互连通诱发的。

第六章爆破基础知识第一节爆破原理一、炸药及爆炸的一般特征1、炸药及其主要特征炸药是在外界能量作用下，自身进行高速的化学反应，同时产生大量的高温高压气体和热量。

炸药的主要特征是：（1）具有相对稳定性和化学爆炸性。

（2）在微小的体积中蕴藏有大量能量。

（3）能够依靠自身的氧化实现爆炸反应。

2、炸药爆炸及其三要素（1）反应过程中能放出大量的热。

放出大量的热是化学爆炸进行所必须具备的首要条件。

（2）炸药反应速度快。

反应速度快是是形成爆炸的必须条件，也是爆炸反应的特点之一。

（3）能生成大量的气体立物。

炸药爆炸后生成大量的气体，如二氧化碳、氧气和水蒸气，还产生一些有毒气体如一氧化碳和氮的氧化物。

这些气体在膨胀过程中，能对周围介质发生破坏，把炸药的能量转换为机械能。

总之，炸药爆炸必须同时具备三个要素，三者又是相互相系的。

所以，高温、高压高速是炸药爆炸的重要特点。

二、炸药爆轰理论基础知识（一）炸药的起爆和感度1、炸药的起爆炸药在未受外界能量作用时，处于相对稳定状态。

利用炸药进行爆破作业时，必须由外界给予足够的能量，使炸药的局部活化，失去平衡，发生爆炸反应，使炸药局部失去相对稳定状态到开始发生爆炸反应的过程称为起爆。

井下爆破工程常用的起爆能有爆炸能和热能。

2、炸药的感度炸药材料在在外界能量作用下，引起炸药爆炸的难易程度称为感应度。

炸药的感应的必须适中，以6号和8号雷管能够起爆为宜。

（二）炸药的殉爆炸药（主爆药）爆轰时引起与相隔一定距离的另一炸药（受爆药）爆轰的现象称为殉爆。

主爆药与受爆药之间发生殉爆的概率为100%的最大距离，称为殉爆距离。

对一定量的炸药来说，殉爆距离越大，表明爆感度越高。

产生殉爆现象的原因，主要是由于受爆药接受了主爆药卷的爆炸气流和冲击波形式传来的足够的激发能量。

（三）炸药爆炸的稳定性传播（1）传爆，炸药由起爆到爆炸结束的过程中，爆炸反应在炸药中自行传播的过程称为传爆。

（2）冲击波和爆轰波。

炸药起爆后，产生大量的热能和气体，形成了高温、高压、瞬间膨胀并高速运行的气浪，这种气浪具有极大的冲击作用，即冲击波。