（岩土工程专业论文）金川矿山深部岩石岩爆倾向性研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 岩爆是深井硬岩矿山开采中的重要地质灾害之一。为了不断减少 并从根本上防治岩爆，国内外对其发生机理、预测预报方法及防治技 术进行了广泛的试验研究和理论研究。但由于岩爆的极端复杂性，加 之矿山地质条件的多样性和工程条件的多变性，迄今还远未攻克这一 难题。而对于国内最大的镍生产基地金川矿山深部开采中岩爆倾向 性的预测研究更是寥寥无几，针对这一问题，本论文结合金川集团公 司重大项目“金川矿山深部高强度采掘条件下的岩石力学研究”，提 出“金川矿山深部岩石岩爆倾向性研究 的课题，就岩爆发生机理、 预测预报方法及防治技术进行了深入系统的研究，论文主要研究工作 和研究结论总结如下： 1 分析了岩爆类型及形成机制、岩爆倾向性预测方法。提出岩 爆作用机理的三个主要理论：强度理论、能量理论、冲击倾向性理论； 岩爆预测预报的三种主要方法：基于岩石力学理论的预测、现场预测 以及基于数学方法的预测。 2 从金) l l - - 矿区现场选取了大量典型岩样，对其中四种岩样进 行单轴抗压强度试验、抗拉强度试验、卸荷条件下典型岩石变形试验 和全应力一应变曲线试验，得出各岩样的基本物理力学参数、能量冲 击性指标( 睇f ) 和弹性应变能指数( w e t ) 。并从能量角度出发，通过 能量冲击性指标判据和弹性应变能指数判据来预测岩爆倾向性程度。 同时根据金川深部矿区埋藏深，地应力大的特点，作者在前人对金川 二矿区地应力研究的基础上，分析推导出矿区地下1 0 0 0 米深度处的 地应力值。并从应力角度出发，结合r u s s e n e 判据、b a r t o n 判据和 h o e k 判据三种主要应力判据，预测岩爆倾向性程度。 3 针对岩爆发生的可能性，进一步论述了岩爆特征及其影响因 素，在对岩爆控制进行研究中，提出了岩爆控制原则，较为详细地讨 论了岩爆防治措施。 论文针对金川矿山深部岩石岩爆倾向性研究课题所作的现场调 查与理论预测研究工作，为金川矿山的开采设计提供了参考和决策依 据。论文发展的矿山深部岩石岩爆倾向预测及控制理论与防治措施不 仅具有重要的理论意义，而且对于指导我国深井开采的生产实践，防 治岩爆灾害具有重要的实用价值和指导意义。 硕士学位论文 摘要 关键词：岩爆，岩爆预测，预测判据，岩爆控制 h a b s t r a c t r o c k b u r s ti so n eo fi m p o r t a n tg e o l o g i c a ld i s a s t e r si nd e e ph a r d r o c k m i n i n g e x c a v a t i o n i no r d e r t or e d u c ea n dc o n t r o lr o c k b u r s t f u n d a m e n t a l l y , al o to fs t u d i e so no c c u r r e n c em e c h a n i s m p r e d i c t i o n m e t h o d sa n dc o n t r o lt e c h n i q u e so fr o c k b u r s th a v eb e e nw i d e l yd o n e h o m ea n da b r o a d b u tt h e s ep r o b l e m sa r es t i l lf a ra w a yf r o ms o l u t i o na t p r e s e n t ，f o rt h et h ee x t r e m ec o m p l e x i t yo fr o c k b u r s t ，t h ed i v e r s i t yo f m i n eg e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n d p o l y t r o p yo fe n g i n e e r i n gc o n d i t i o n h o w e v e r , p r e d i c t i o ns t u d yo nr o c k b u r s tp r o n e n e s si nj i n c h u a nm i n e w h i c hi st h el a r g e s tn i c k e lp r o d u c t i o nb a s ei se v e n l e s s a c c o r d i n gt ot h i s p r o b l e m ，t h et o p i co f “s t u d yo nr o c k b u r s tp r o n e n e s sp r e d i c t i o no f d e e p r o c ki nj i n c h u a nm i n e ”i sp u tf o r w a r d c o m b i n e dw i t ht h em a jo r p r o j e c to fj i n c h u a ng r o u pc o m p a n y ：“s t u d yo nr o c km e c h a n i c si nt h e c o n d i t i o no fh i g h s t r e n g t he x t r a c t i o ni nj i n c h u a nd e e p m i n e ，t h e o c c u r r e n c em e c h a n i s m ，p r e d i c t i o nm e t h o d sa n dc o n t r o lt e c h n i q u e s o f r o c k b u r s ta r es t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l yi nt h i sp a p e r t h em a i n r e s e a r c hw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h er o c k b u r s t t y p e ，f o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dp r o n e n e s s p r e d i c t i o nm e t h o d sa r ea n a l y z e d ；m e a n w i l e ，t h r e em a i nt h e o r i e so f r o c k b u r s ta c t i o nm e c h a n i s ma r ep u tf o r w o r d ：s t r e n g t ht h e o r y , e n e r g y t h e o r ya n dr o c kb u r s tt e n d e n c yt h e o r y ；a n dt h r e em a i nm e t h o d so f r o c k b u r s tp r e d i c t i o n ：p r e d i c t i o nb a s e do nr o c km e c h a n i c st h e o r y , s p o t p r e d i c t i o n ，p r e d i c t i o nb a s e do nm a t h e m a t i c a lm e t h o d 2 l a r g ea m o u n tt y p i c a lr o c ks a m p l e sa r es e l e c t e df r o mj i n c h u a n 2 r dm i n e f o u ro fw h i c ha r et e s t e d ，i n c l u d i n gu n i a x i a lc o m p r e s s i o n s t r e n g t h ，t e n s i l es t r e n g t h ，t y p i c a lr o c kd e f o r m a t i o nu n d e ru n l o a d i n g c o n d i t i o n ；c o m p l e t es t r e s s s t r a i nc u r v ee x p e r i m e n t s t h e nt h eb a s i c p h y s i cm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s ，e n e r g yi m p a c ti n d e x ( w c f ) a n de l a s t i c s t r a i n e n e r g yi n d e x ( 胗e 7 t ) o fe v e r yr o c ka r eo b t a i n e d f u r t h e r m o r e ， a c c o r d i n gt o w c fa n dw e t c r i t e r i o n ，r o c k b u r s tp r o n e n e s si sp r e d i c t e df r o m e n e r g yv i e w a tt h es a m et i m e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r so fd e e p b u r i a la n dh i g hg r o u n ds t r e s si nj i n c h u a nd e e pm i n e ，t h eg r o u n ds t r e s s i l l 硕士学位论文a b s t r a c t v a l u eo fu n d e r g r o u n d10 0 0 md e p t hi nt h em i n ei sd e r i v e db a s e do nt h e g r o u n ds t r e s ss t u d yo fp r e d e c e s s o ro nj i n c h u a n2 r dm i n e t h e n ， c o m b i n e dw i t ht h r e em a i nc r i t e r i o n s ：r u s s e n ec r i t e r i o n ，b a r t o nc r i t e r i o n a n dh o e kc r i t e r i o n ，r o c k b u r s tp r o n e n e s si sp r e d i c t e df r o ms t r e s sv i e w 3 c o n s i d e r i n gt h ep o s s i b i l i t yo fr o c k b u r s t ，r o c k b u r s tc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h e i ri n f l u e n c ef a c t o r sa r ed i s c u s s e df u r t h e r m o r e i nt h es t u d yo f r o c k b u r s tc o n t r o l l i n g ，c o n t r o l p r i n c i p l e s a n dd e t a i lm e a s u r e sa r e p r o p o s e d t h es p o t i n v e s t i g a t i o na n dt h er e s e a r c hw o r ko f t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o nf o rt h er o c k b u r s tp r o n e n e s ss u b j e c to fj i n c h u a nd e e pm i n e p r o v i d e sr e f e r e n c ea n dd e c i s i o nb a s i sf o rt h em i n i n gd e s i g no fj i n c h u a n m i n e t h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yo fr o c k b u r s tp r o n e n e s sp r e d i c t i o na n d c o n t r o lm e a s u r e sd e v e l o p e di nt h i st h e s i sn o to n l yh a sv e r yi m p o r t a n t t h e o r e t i c a lm e a n i n g ，b u ta l s oh a si m p o r t a n tp r a c t i c a lv a l u ea n dg u i d i n g s i g n if i c a n c ef o rg u i d i n gt h ep r a c t i c eo fd e e pl e v e le x c a v a t i o ni no u r c o u n t r y k e yw o r d s ：r o c k b u r s t ，r o c k b u r s tp r e d i c t i o n ，p r e d i c t i o n c r i t e r i o n ， r o c k b l a r s tc o n t r o l i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者虢蠡且吼耳年! 月工日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 嗍耳年兰月工日 硕十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 岩爆是深井矿床开采的重大安全问题。随着我国矿山开采向深部延伸，岩 爆防治已成为我国矿山面临的重大课题。金川有色金属公司是国内最大的镍生 产基地，在国民经济中占有重要地位。随着开采强度的日益加大，目前金川矿 山开采深度已达1 0 0 0 多米。为提高国际竞争力，公司在“十一五”发展计划中，提 出了n 2 0 l o 年，镍、铜、钴、稀贵金属和化工产品年产量将分别达n l o 万t 、2 0 - - - 2 5 万t 、4 0 0 0 t 、3 0 0 0k g 和1 2 0 万t ，年销售收入将超过1 0 0 亿元，利税1 5 亿元以上， 利润8 亿元以上。要达到这一目标，必须有足够的原料供给作保证，金川矿i i 矿 区开发利用项目的建成将解决公司目前自产原料供应远不能满足公司未来发展 需要的难题。 金川铜镍矿( 原甘肃省永昌县白家嘴子硫化铜镍矿) 位于甘肃省河西走廊 中部金昌市区，矿区座落在市区以南的龙首山中东端北麓、阿拉善台地南缘， 与市区连成一片。矿区铁路专线与兰一新铁路金昌站接轨，距省城兰 n 3 7 2 公里。 河( 河西堡镇) 一雅( 雅布赖) 公路从矿区通过，向南4 8 公里于永昌县城与3 1 2 国道相接。同周边市县形成公路网，四通八达，交通十分方便。矿区中心地理 坐标：东径1 0 2 0 1 3 ，北纬3 8 0 3 0 。 通过对金川i i 矿区的现场调查，包括工程地质，水文地质，地应力测试和 深部岩体的构造研究等，结合有关资料的综合评价，可以概括出矿区不良岩层 的特点：岩体单块强度高；岩体结构面十分发育，岩体整体强度低；地 应力大，且水平应力大于自重应力；不良岩层受到地下水和采空区充填水的 软化影响。 针对矿体倾斜、厚大、破碎软弱、高地应力、节理裂隙发育，岩体单块强 度高、整体强度低等地质特征，开采条件极其复杂，开采过程中岩爆问题成为 其主要工程地质问题之一。本文通过室内岩石力学试验研究，和金) l l - 矿区1 0 0 0 米深部地应力与岩爆倾向的分析，来探讨金川深部矿岩可能发生岩爆地质灾害 的条件以及岩爆预测的实验依据。 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 岩爆研究现状综述 1 2 1 岩爆的定义 关于岩爆的定义，目前尚无公认的叙述。比较具有代表性的说法可以列举 如下： 岩爆是地层中高地应力区( 地下) 洞室开挖中应变能突然释放时围岩脆性 破坏形成的一种动力失稳现象【1 1 。 岩爆是具有大量弹性变形能储备的硬质脆性岩体，由于开挖洞室和坑道， 使地应力分异，围岩应力跃升及能量进一步集中，在围岩应力作用下产生张一 剪脆性破坏，并伴随声响和震动而消耗部分弹性应变能的同时，剩余能量转化 为动能，使围岩由静态平衡向动态失稳发展，造成岩块( 片) 隔离母体，获得 有效弹射能量，猛烈向l 临空方向抛( 弹、散) 射，是经历了“劈裂成板一剪断 成块一块片弹射”渐进过程的动力破坏现象【2 】。 高地应力区的岩体内部积聚了很大的弹性应变能，在洞室开挖过程中或开 挖之后一定时间内，岩体内的应力进行重分布并在洞壁附近产生应力集中，当 集中的应力超过岩体的破坏强度时，应变能就会突然释放，岩体发生猛烈的脆 性失稳破坏，破坏后的围岩发生爆裂松脱、剥落，岩块发生猛烈地弹射甚至抛 掷，并常常伴有声响，这种岩体破坏形式就是岩爆f 3 】。轻微岩爆仅剥落岩片而无 弹射现象；严重的岩爆可将巨石猛烈抛出，甚至一次岩爆就能抛出数以吨计的 岩块和岩片，并可以测到一定级别的地震。 岩爆是矿山巷道、交通隧道、水利水电工程地下厂房、引水隧洞等地下工 程中的一大地质灾害。它直接威胁施工人员、设备的安全，影响工程进度，已 成为世界性的地下工程难题之一。 1 2 2 国内研究现状 1 岩爆类型 岩爆类型划分主要是依据岩体弹性应变能的储存与释放特征或应力作用方 式而进行的，目前学术界尚未达成共识。张倬元教授等按岩爆发生部位及所释 放的能量大小，将岩爆分为三大类型，即洞室围岩表部岩石突然破裂引起的岩爆、 矿柱或大范围围岩突然破坏引起的岩爆、断层错动引起的岩爆f 4 】；左文智、张齐 桂( 1 9 9 5 年) 从岩爆形成的内在因素出发，将岩爆类型划分为水平构造应力型、 垂直压力型和综合型三大类；武警水电指挥部天生桥二级水电站岩爆课题组对 岩爆分类有二种标准1 5 j ：一是按破裂程度将岩爆分为破裂松弛型和爆脱型二大 2 硕士学位论文 第一章绪论 类，二是按规模将岩爆划分为零星岩爆( 长0 5 , - 一1 0 m ) 、成片岩爆( 长1 0 2 0 m ) 和连续岩爆( 长 2 0 m ) 三大类；郭志根据岩爆岩体破坏方式，将岩爆划分为爆裂 弹射型、片状剥落型和洞壁垮塌型三大类 6 1 。迄今为止，谭以安博士的岩爆类型 划分方案影响最大：他首先根据岩爆岩体高地应力成因和最大主应力足方向， 将岩爆类型划分为水平应力型、垂直应力型和混合应力型三大类；然后依据具 体应力条件和岩爆特点，再将岩爆划分成六个亚类1 7 】。 2 岩爆烈度分级 迄今为止，国内外对岩爆烈度分级问题尚有不同的见解。德国学者g 布霍 依诺1 9 8 1 年根据岩爆发生时对工程的危害程度，将岩爆烈度划分为轻微损害、 中等损害、严重损害三级；挪威岩爆权威人士拉森斯( b f r u s s e n e s s ) 的岩爆烈 度分级方案在国外很有影响：他在1 9 7 4 年研究挪威陡山坡隧道时，就根据岩 爆发生时的声响特征、围岩爆裂破坏特征等将岩爆烈度划分为0 - 3 四级。我国 谭以安博士1 9 8 8 年率先依据岩爆危害程度及其发生时的力学和声学特征、破坏 方式将岩爆烈度划分为弱、中等、强烈、极强四级；铁道部第二勘探设计院1 9 9 6 年在二郎山隧道高地应力技术咨询报告中，提出按判据。口m a 将岩爆烈度 划分为弱、中等、强烈三级；交通部第一公路设计院1 9 9 6 年则依据岩爆发生的 声响、岩体变形破裂状况、心比值及最大水平主应力仃h m a x ，盯h m a x 唧， 将岩爆烈度划分为微弱、中等、剧烈三级。综上所述，国内外岩爆烈度分级主 要是依据与岩爆有关的一个单项或少数几项指标来划分的，考虑因素不够全面； 此外，上述岩爆烈度分级方案中普遍对岩爆现场容易判别的宏观标志重视程度 不够，这样不利于工程设计、施工、监理和科研人员在现场及时取得共识。 为了克服上述岩爆烈度分级方案中的缺乏，以王兰生教授为首的“川藏公 路二郎山隧道高地应力与围岩稳定性课题组 在借鉴前人分级方案的基础上， 依据岩爆危害程度及其发生时的声响特征、运动特征、爆裂岩块形态特征、断 口特征、岩爆发生部位、岩爆时效特征、影响深度和仃口7 比值等，将岩爆烈 度划分为轻微、中等、强烈、剧烈四级。 文献【8 j 【l o 】中总结了岩爆的烈度与三向应力条件下岩石的变形破裂的对照关 系： ( 1 ) 轻微岩爆( i 级) ：o e r c 0 3 0 ，洞壁应力基本上达到或超过岩石 的屈服强度，岩体中即开始出现局部破裂，主要表现为洞壁围岩表面的压致拉 裂型张脆性破坏。 ( 2 ) 中等岩爆( i i 级) ： 疋0 5 o 7 ，表明岩石已明显进入稳定破裂阶 段，表现为浅表部楔形的压致剪切拉裂型张、剪脆性破坏，一般情况下随发展 破裂渐趋稳定。 硕+ 学位论文第一章绪论 ( 3 ) 强烈岩爆( i i i 级) ： o o r c 0 7 0 9 ，岩石进入不稳定破裂阶段，表现 为一定深度的楔形、弧形压致剪切拉裂或弯曲鼓折。承受的压应力己超过岩石( 体) 的长期强度，岩爆有向深处累进发展的趋势。 ( 4 ) 剧烈岩爆( 级) ：r c o 9 1 ，已接近或进入完全破坏阶段。表现 为压致剪切或弯曲鼓折抛掷性破坏，并迅速向深处发展。 1 2 3 岩爆形成机制研究现状 岩爆的机理研究与它本身的定义一样，到目前为止国内外研究学者并未彻 底弄清岩爆产生的机制，也未在认识上达成一致的看法，因为岩爆发生的整个 过程比较复杂，影响因素较多，不仅与地形地貌、地层岩性、岩石岩体的结构 构造、地质构造有关，而且还与地应力大小及其分布规律、作用特征、外界扰 动、工程活动的方式方法、深部复杂地质作用等因素有关。 由于岩爆的严重破坏性，己引起人们的高度重视。我国自新中国成立以来 的半个世纪，唐春安、潘岳、徐曾和、费鸿禄、潘一山、傅鹤林和李玉等学者 对突变理论在岩爆中的应用和发展，做出许多贡献【l l 】。此外，我国岩石力学工 作者还运用分叉理论、耗散结构理论、混沌理论等研究了岩石变形的局部化问 题以及岩石力学系统的稳定性问题，推动了我国岩爆及其岩石失稳理论的发展。 陶振宇等1 1 2 】进行了岩爆的物理过程、形成条件和判别准则的研究；谢和平【1 3 | 贝0 利用分形几何学的方法研究了岩爆发生的机制及其预测预报的手段。谭以安h 4 1 提出了岩爆预测的模糊数学综合评判方法；李悼芬等【1 5 1 【1 7 1 分析了高水平地应力 对岩石工程的影响；为了建立岩爆的力学模型，潘一山等【1 8 】【2 6 】提出了岩爆的稳 定性动力准则、岩爆的突变理论模型；周瑞忠等【2 7 卜【2 9 1 探讨了岩爆的断裂力学机 理，建立了岩爆的损伤断裂模型。这些研究都是把岩爆问题作为无限介质中的 孔洞问题来分析、讨论洞室围岩的整体稳定性，或是基于岩爆的形成是由于高 地应力区的地下洞室工程在开挖过程中( 或开挖完毕后) 发生应力调整而形成的 二次应力场作用于围岩，使裂纹发生、扩展、连接以致失稳扩展，从而导致围 岩发生宏观脆性断裂的结果基础上的。以上研究为揭示岩爆机理奠定了基础。 除理论研究以外，唐春安等研究开发出具有中国自主版权的岩石破裂过程 分析r f p a 数值计算工具，并开发了e s g 微震监测系统，配置了可视化 r f p a v i e w 软件，为岩爆等岩石破裂过程失稳研究提供了新的研究手段。葛德 治和卢基锋【3 0 j 应用不连续变形分析法( d d a ) 进行岩爆行为之不连续数值模拟，对 于脆性岩体隧道开挖，能合理地模拟围岩破裂及岩块飞出行为。近期，在岩爆 预测方面，杨莹春和诸静f 3 l 】提出了可拓评判法；x t f e n g 和l n w a n 9 1 3 2 】提 出了人工神经网络方法；姜彤等【3 3 】提出了灰色系统最优归类模型的应用；冯夏 4 硕十学位论文 第一章绪论 庭和赵洪波1 3 4 1 提出了岩爆分类的支持向量机方法；宫风强和李夕兵1 3 5 提出了距 离判别分析( d i s t a n c ed i s c r i m i n a n ta n a l y s i s ) 方法的应用。这些方法给岩爆预测提供 了新的思路和途径。 文酬3 6 h 4 1 】根据岩爆实例调研，详细地描述了岩爆破坏的几何形态特征，并 通过岩爆岩石断口扫描电镜分析和岩爆岩石力学测试等研究，总结出岩爆形成 的力学机制主要有压致拉裂、压致剪切拉裂、弯曲鼓折( 溃屈) 等3 种基本类型。 文献【4 2 l 根据对二郎山公路隧道岩石( 体) 的试验研究，表明只有在岩爆倾向性 指数日和高地应力这两个内、外因条件均满足要求时才有可能发生岩爆活动； 单轴压缩试验结果则表明发生岩爆的岩石峰值后有明显的应力突降。 文献【4 3 1 1 4 5 】认为目前国内外许多专家学者将岩爆分成四级是合理且切实可 行的。一级岩爆用格里菲斯准则描述、三级岩爆用库仑一叶维纳准则或修正的 准格里菲斯准则描述与实际情况较为相符。通过试验，发现岩石内部裂纹的扩 展都要经历稳定一非稳定一极限破坏的过程。前者和后者可用上述两准则描述， 非稳定阶段可用“非稳定准则”描述。 文献【4 6 】“【5 1 】研究了岩爆的发生机制，即岩体中储存的能量，通常是以弹性应 变能的形式储聚于围岩内的高应力集中区内，弹性变形愈大，储备的能量就愈 多，因此，岩体内某些地区就形成了高储能体。对于己集聚高弹性应变能的坚 硬、完整岩体，由于开挖等人工作用，使岩体处于径向应力为零的双轴应力状 态和径向应力为最小的真三轴应力状态，同时，也使岩爆具有发生的空间，即 当岩爆的应力条件和空间条件同时具备时，岩体发生岩爆。 文献【5 2 】根据吉尔西( 鼬r c h ) 的研究，在圆形隧道洞壁上的径向应力和剪应力 都为o 时，只有切向应力在断面上不同的位置有不同的大小。洞壁上平行d ，的 部位出现最小切向应力，其值为j 盯，一仉。洞壁上平行吼的部位出现最大切向应 力，其值为j 0 1 一盯3 ，岩爆的形成和发生动力就是这个高度集中的切向应力。最 大切向应力可达到初始应力中最大主应力的两倍以上，在它的作用下，岩体中 原生的微裂隙得以扩展，或沿软弱面产生新的裂隙，使岩体发生变形。当岩体 的变形达到极限或切向应力达到岩体的极限强度时，岩体就会发生岩爆或其他 形式的失稳破坏。 对岩爆作用机理的理论研究，目前主要有岩石破坏的强度理论、能量理论、 冲击倾向性理论等。最常用的理论依据有以下几种【5 3 j f 6 引。 1 强度理论m j 岩爆是重分布应力达到岩石强度时而产生的破坏。用格里菲斯理论解释， 岩爆为拉伸破坏；用摩尔一库仑准则解释，岩爆为剪应力作用产生的剪切破坏。 陈宗基教授提出的扩容理论也可作为解释岩爆发生机制的一种理论。 5 硕士学位论文第一章绪论 近代的强度理论主要考虑“岩体一围岩 系统复杂受力状态的极限平衡条 件，并注重应用实测资料进行定量分析。认为，导致岩体破坏的决定因素应该 是岩体承受的应力盯与其强度仃。的比值。因此，导致岩爆发生的应力条件是： 三1(1-1) 仃 2 能量理论f 6 7 】 从能量的观点来看，岩爆的形成过程是岩体中的能量从储存到释放直至最 终使岩体破坏而脱离母岩的过程。因此，岩爆是否发生及其表现形式主要取决 于岩体中是否储存了足够的能量，是否具有释放能量的条件及能量释放的方式 等。岩石在破坏前积聚的变形能睨与破坏后消耗的塑性变形能p 之比r ( r2 呢) ，是衡量岩石是否在破坏时产生冲击以及冲击程度的重要指标， 岩爆倾向指数盱是波兰a 奇代宾斯基于六十年代最先提出的。 3 冲击倾向理论【6 8 1 6 9 1 针对几乎相同自然地质和开采技术条件下，发生岩爆的大小和强弱程度各 不相同，甚至有的根本就不发生的这一事实，国内外学者提出了矿岩的冲击倾 向这一概念。所谓冲击倾向，是矿岩积聚能量并产生冲击破坏的能力，这种能 力是矿岩介质的固有属性。对此，国内外学者进行了大量的试验研究，以寻求 一种或一组指标来度量矿岩是否发生岩爆及其大小、强弱程度，即冲击倾向度。 据此，给出发生岩爆的判据：矿岩的实际冲击倾向度大于所给定的极限值，这 即是冲击倾向理论。 国内外根据不同的试验方法和条件，提出了不少用来衡量矿岩冲击倾向度 的指标。可以分为能量指标( 包括：弹性变形能指标叵r 、冲击能指标、 有效冲击能指标叩e 、弹性能量指标、极限能比指标甜p 和弯曲能量指标乜b 等) ；时间指标( 如动态破坏时间d t ) ；形变指标( 如弹性变形指标u 和脆性 系数i f , 8 ) 以及刚性指标( 如刚性比指标k c f ) 。该理论的突出优点是采用一组 指标来评价岩体发生岩爆的能力。这些指标的缺点是离散度较大。 4 刚度理论1 6 6 j 岩石的刚度是变数，在强度极限以前的刚度( m ) 为正值，超过强度极限以 后为负值( k ，) ，如果k mqk 。l ，则试样便发生突然而强烈的破坏，提出了刚度 冲击性指标尺汀( k 卯2 k m ik ，1 ) ，当k c p 1 时有冲击的危险存在。刚度理论在 六十年代中期由库克和霍杰姆提出。 5 “三准则”理论 在研究强度理论、能量理论和冲击倾向理论所提出的岩爆判据基础上，我 6 硕士学位论文第一章绪论 国学者李玉生等把强度准则视为矿岩的破坏准则，作为岩爆发生的必要条件； 把能量准则和冲击倾向度准则视为矿岩突然破环准则，作为岩爆发生的充分条 件。认为，当三个准则同时满足，才是判定岩爆发生的充要条件。 该理论没有给出三个准则的具体形式，且需确定的参数太多，使用不方便。 6 失稳理论【7 0 j 失稳理论认为，只有在矿岩破裂时有多余能量释放才可能发生岩爆。这与 能量理论是一致的，但能量理论未涉及能量释放条件，也不能解释发生岩爆的 动力学过程。失稳理论是从矿岩破坏机制出发而提出来的，矿岩变形稳定性问 题存在于矿岩进入极限强度后变形区域内。矿岩变形全过程也是其内部裂纹发 生和扩展的过程。随外载荷增加，裂隙经历压密、扩展、产生新裂隙这样一个 过程，当接近极限强度时，裂隙进一步密集、合并、出现宏观裂隙，开始形成 应变集中区，犹如矿( 岩) 体中包含了一个低弹性模量的包体，力学状态发生 了变化，成为由矿岩和包体组成的二元平衡系统，分析矿岩失稳，就成为分析 包体与围岩组成的平衡系统的失稳。 7 突变理论1 7 i j 7 0 年代末，林天键将t h o m g i 立的突变论引入岩石力学中，其后，费鸿禄、 潘一山、尹光志等学者分别建立了岩体结构失稳的突变模型，对围岩压力、刚 度和矿岩的损伤扩展耗散能量进行分析，定性地解释发生岩爆的机理。目前， 大都采用尖角突变模型，建立岩体的势函数，分析分叉集，得出突变判据。突 变理论发展了刚度理论和强度理论。这一理论的研究刚刚起步，在实际中的应 用尚待时日。 8 分形理论 该理论用分形几何学的方法研究岩爆发展的机理和预测预报手段。国内的 主要研究者以谢和平、李玉生等人为代表。这一理论的主要成果是使用分形的 数目一半径关系考察微震事件的位置分布，发现微震时间具有集聚分形结构。 当岩爆发生前，微震活动的集聚程度明显增加，并相应地出现分形维数值的减 小。最低的分形维数值通常出现在一个主岩爆临近发生时。 分形理论对岩爆发生更多地是从现象学的角度给予定性描述，在定量说明 岩爆发生的原因和破坏过程方面还需做大量的工作。该理论在岩爆预测预报中 的作用值得重视。 9 “三因素”理论 “三因素”理论是齐庆新等人在研究冲击地压的发生与煤岩体摩擦滑动破 坏的关系时提出来的。该理论将岩体内在因素( 冲击倾向) 、力源因素( 集中的 应力、高变形能及外部扰动) 和结构因素( 结构面等) 作为导致岩爆发生的最 7 硕士学位论文第一章绪论 主要因素。该理论认为岩体破坏是滑动破坏，其滑动形式分为稳定滑动和粘性 滑动两种。岩层受力过程中的瞬时粘滑过程，是岩层满足剪切强度准则的突然 滑动并在滑动过程中伴有变形能释放的动力过程。 上述这些理论，从不同的角度阐述岩爆发生的机理，有的还能在一定程度 上定量地给出发生岩爆的判据。我们看到，这些理论从本质上说是相互联系的。 “三准则”理论是对强度理论、刚度理论及能量理论的组合；失稳理论是对强 度理论、刚度理论和能量理论的发展；突变理论也是对强度理论、刚度理论和 能量理论的进一步发展；“三因素 理论是冲击倾向理论和能量理论的综合。可 以看出，目前岩爆机理研究中强度理论、能量理论和冲击倾向理论仍占主导地 位。 1 3 岩爆倾向性研究方法 一般认为，岩爆的产生有内外两方面的原因。外因在于：岩爆通常发生在 高地应力的地下岩体中。在岩体中开挖硐室，改变岩体的空间结构，必然引起 硐室周围岩体应力重新分布和新的应力集中。内因在于：岩爆一般发生在硬岩 中，其岩石矿物结构致密度、坚硬度较高。在高地应力作用下，岩体在变形破 坏过程中储存了弹性变形能，如果它大于岩体变形和破坏所消耗的能量，则多 余的能量就转化为动能，使破裂的岩块弹射出去，从而形成岩爆。 近几十年来，国内外学者在各个方面对岩爆形成的机理进行了研究分析， 提出了多种假设和判据。其中主要可分为以下几类1 1 7 2 卜【7 6 】： 1 3 1 基于岩石力学理论的岩爆预测方法 1 最大主应力判据 应变型岩爆是地下硬岩矿山采准巷道和大型地下峒室以及土木工程隧道中 最常见的一种岩爆。国内外应变型岩爆实例表明，岩爆始终呈中心对称在巷道 两侧或顶底板两处同时发生，两岩爆处连线与巷道周围原岩应力场的最大主应 力轴线垂直，即岩爆一般发生在巷道开挖后最大切向应力( 最大主应力) 处。根据 岩爆发生机理的强度理论假说，有的岩爆研究者通过统计学方法直接找出工程 岩体未开挖前的原岩最大主应力仃i m a x ，原与完整岩石单轴抗压强度仃c 之间的关 系式来判断岩爆的倾向性，其中有代表性的是南非学者o r t l e p p ( 1 9 9 4 年) 提出的 岩爆倾向性判据，见式( 1 2 ) 所示。 仃l 。戤( 0 2 5 o 5 ) 仃。( 1 - 2 ) 为了便于工程实际应用，又有学者提出用弹性力学理论计算出的工程围岩 8 硕十学位论文 第一章绪论 周边最大主应力仃l m a x 与盯c 的比值作为岩爆倾向性的判据。 根据现场测出的地应力和室内测得的岩石单轴抗压强度尺c ，由主应力判 据法，主要有四种： 鱼 0 2 00 2 尘 5 时，无岩爆发生；2 5 口 5 时，有轻微，中等 岩爆发生；口 2 5 时，严重岩爆发生。吒为岩石单轴抗压强度，o i 为地应力。 尘：0 4 2o r ! ：0 5 6 ( 3 ) h 0 e k 判据：薏_ o 3 4 少量片帮；疋 严重片帮；疋需重型支 旦：0 7 0 护；r 。有严重岩爆。 ( 4 ) t u r c h a n i n o v 判据【7 7 】 前苏联的t u r c h a n i n o v 根据科拉半岛希宾地块的矿井建设经验，提出了岩爆 活动性由硐室切向应力和轴向应力吼的和与单轴抗压强度吼之比确定： + o r l o r c o 3 无岩爆； 0 3 + o r l u c 0 5 有岩爆可能； o 5 o 8 有严重岩爆 2 最大剪应力判据 剪切破裂型岩爆和断层滑移型岩爆发生的频率虽然较低，但其破坏性却较 大。库伦破坏准则己经直观地给出了这种岩体破坏的标准，如式( 1 3 ) 所示。 f c + 仃。t a n # ( 1 3 ) 式中：r 一剪切或滑移面上绝对剪应力； c 一剪切或滑移面上的固有剪切强度，即内聚力； 矿一静摩擦角； 盯一一滑动面上的正应力 9 硕士学位论文 第一章绪论 显然，当破坏一旦发生，滑动面上固有的剪切强度降为零，摩擦阻力由静 摩擦阻力降为动摩擦阻力。剪切或滑动破坏发生前后滑移面上的剪切应力差 p 船= r 一仃一伽矽( 矽为动摩擦角) 称为超量剪应力，r y d e r ( 1 9 8 7 年，1 9 8 8 年) 等人 据此给出了岩爆倾向性的判别指标，见式( 1 4 ) 所示。 跚15 m p a ( 断层或节理) 极可能发生破坏性岩爆 e s s 2 0 m p a ( 完整岩石) 5 m p a e s $ 15 m p a ( 或2 0 m p a ) e s s 5 m p c i e s s 0 m p q 极可能发生破坏性岩爆 可能发生破坏性较小岩爆 ( 1 4 ) 一般不会发生岩爆 结构面稳定 3 能量判据【删1 6 9 用爆破方法开挖采矿巷道时，开挖面上爆破前的牵引力突然降为零，开挖 面外部围岩对面内逐渐降低的支护力所作的功表现为开挖面上的多余能量，这 部分能量称为释放能r 。开挖面上形成的释放能，以p 波和s 波通过周围岩石 介质向外传播，释放能，的大小直接影响开挖面与围岩的应力场。鉴于岩石工 程一般是逐步形成的，研究逐步开采时的能量释放率e r r 更有实际意义。e r r 的 计算表达式见式( 1 5 ) 所示。 e r r ：d w t d v ( 1 5 ) 式中，毗一开挖单元释放的能量； 由一开挖单元的体积。 c o o k 较早采用能量判据对南非深部金矿开采的岩爆倾向性进行预测，经过 多年的实践，能量释放率被证明为预测南非硬岩矿山岩爆倾向性的有效手段之 一。图表明的是1 0 0 0 朋2 开挖面积毁坏性岩爆与e r r 关系曲线。在过去，e r r 超 过_ 4 0 m j m 2 便认为岩爆的发生是一个严重的问题。但是对于一定的能量释放率， 在断裂、岩株及地质不连续面附近开采会使岩爆发生的可能性增加。现在认为， 深部开采可以利用的e r r 为3 0 6 0 m j m 2 。 4 强度脆性系数( 尺) 法。 该方法是根据岩石的单轴抗压强度尺。和抗拉强度足之比，来评价岩石的岩 爆倾向性，其表达式为 r = r c 置 ( 1 6 ) l o 硕士学位论文 第一章绪论 一般来说，r 越大说明岩石的脆性越大，则岩爆发生的倾向性越大，r 的 判别准则为： r 1 0无岩爆 1 0 r 1 8 中等程度岩爆 1 8 r 强烈岩爆 5 弹性应变能指数( 形盯) 判据法【6 7 】 该方法是指在单轴压缩加卸载条件下，岩石弹性应变能与耗损应变能之比， 为较常用的一种评价岩爆倾向性的方法。 口 戤 嘎。 图1 - 1 岩石试样能量计算示意图 如图1 - 1 所示，岩石在加载至( 本次 研究取峰值强度r 。的8 0 左右) 卸载， 。是由于岩石产生塑性变形和内部产 生微破裂而消耗的能量；。为卸载后 仍然储存在岩石中的应变能。据此， 波兰学者k i d y b i n s k i 提出如下定义： 彩 = 孚 纵 ( 1 - 7 ) 式中：r 为弹性能量指数。 根据国内外现场试验与研究成果1 6 1 【1 1 1 ， 睨r 值越大，围岩破坏时释放的冲击能量就越大。因此，其可较好地反映岩爆的 可能性。波兰国家标准建议岩爆预测的能量判据如下： 7 2 0 无岩爆 2 0 7 5 0 中、低烈度岩爆 5 0 严重岩爆 6 岩爆能量冲击性指标( f ) 判据法【1 7 】“【2 4 1 冲击倾向性是指矿岩能够聚集弹性应变能并在超过其本身的强度后会突然 释放的各种物理力学性质的总和。冲击倾向性是产生岩爆的矿岩体的固有属性， 决定了其产生动态破坏的能力，是发生岩爆的内因，也是必要条件。冲击倾向 性判据是国内目前最广泛采用的岩爆倾向性的预测方法。国内外学者根据岩石 在刚性压力机上得到的应力一应变全过程曲线，来求取岩爆能量冲击性指标 ： 硕士学位论文 第一章绪论 2 罢 ( 1 - 8 ) 式中：4 一为峰值强度前全应力一应变曲线 与横坐标围成的面积 4 一峰值强度后的全应力一应变曲线与横坐 标围成的面积 当w c r 1 v ，无岩爆倾向，1 o 2 v ，有 严重岩爆倾向。 1 3 2 岩爆的现场预测方法 应用于工程实践的现场预测预报方法有很多种，目前常用的有以下几种： 1 微震( a e ) 法 群l a c o u s t i c e m i s s i o n 方法，又称为亚声频探测法或声发射法。该法能探测 到岩石变形时发生的亚声频噪音( 即微震) ，地音探测器( 拾音器) 能将那些人耳 听不到的声波转化为电信号，根据地音探测器检测到的微细破裂，确定异常高 应力区的位置，再将各台地音探测器收到噪音信号的时间进行比较，从而确定 该应力的传播方向，当岩石临近破坏之际，a e ( 微震) 噪音读数迅速增加，如果 地音探测器平均噪音读数大于预定的目标，就意味着有