（采矿工程专业论文）坚硬岩石的岩爆孕育过程研究.pdf

a b s t r a c t r o c k b u r s t i n 岛e s p e c i a l l yi t si i m e r 柚d o u t e rf a c t o r si nh a r d r o c km i n e si sl u c u b r a t e d i nt h i st h e s i s f i r s t l y i no r d e rt od om e m r t h e rs t u d y ，ac o m p u t e ra i d e dt e s ts y s t e ml s d e v e l o p e d ；s e c o n d l 弘e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fr o c kb u r s t i n gt e n d e n c ya 1 1 d a c o u s t i c e m i s s i o no fs e v e m lt v p i c a lk i n d so fr o c k s i n d o n g g u a s h a nc o p p e rd e p o s i t o f 。 s h i z i s h a nc o p p e rm i n eo f t b n g i i n gn o n f b r r o u sm e t a lc o r p i sp r o c e s s e d ，t 1 1 r o u 曲g r a y r e l a t i o ns y s t e ma 1 1 df u z z ym a t h e m a t i c sa n a l y s i s ，s y n t h e t i c a le v a l u a t i o ni so b t a i n e d ； t h i r d ly a c c o r d i n gt oc h a o sd ”锄i cm e c h a n i s m ，m e c h a n j s mo f r o c kb u r s t i n gb o o s t e d b ve x t e i n a ll o a d ，s u c ha sb l a s t i n ge t c ，i ss m d i e d l a s t l y ，o nt h eb a s i so fd a m a g e m e c h a n i s mt h e o r y ，s t r e s sa r o u n dc i r c u l a rt u i l i l e l si ss t u d i e d t h ea b o v ew o r k o 丘色r sm e t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o na i l dd e t a i l e dm e a s u r e sf o rt h er o c kb u r s t i n gp r e v e n t i o no f h a r d m c km i n e s b a s e do nt 1 1 e 血e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ，血i sm e s i s f o 珊sas y s t e m a t i cs t u d ym e t h o di n c i u d i n gr o c kb u r s t i n gm e c h a l l i s m ，e v a l u a t i o no f r o c kb u r s t i n gt e n d e n c y ，i n n u e n t i a lf 犯t o r sa 1 1 dp r e v e m i o no f r o c kb u r s t i n g ，e t c a i m i n g a tt 1 1 e1 0 wl e v e lo fa u t o m a t i o no fi n s e m smr o c kl a b s ，u s i n gd e l p h j ，t h e a u t h o rd e v e l o pac a tp r o 鐾t 锄删n go nw i n d o w s 9 5 ，w h i c hc a n1 a b e lc o o r d i n a t e s a u t o m a t i c 觚ly ，a i l dt h r o u 曲l i n e a ri n s e r t ，c a l c u l a t ee l a s t i cm o d u l u sa i l dp o s s i o nr a t i o a u t o m a t i c a i y o rs e i i l i - a u t o m a t i c “i yo ns e i e c t e d c u r v e s t m n s f e r r i n g o fv a r i o u s f u n c t i o nm o d e l sa t l ds h o w i n go fi o 订n 砒i o n a r ec a r r i e db ym e n u smd 1 i n e s e ， o v e r c o m i n gs h o n c o m i n g so fc a t 删n g o nd o s ，s u c ha sn o ts og o o du s e ri n t e r f a c e ， o d d s t ) ，l eo fi n p u tp a r a m e t e r s r e s e a r c ho fa c o u s t i ce m i s s i o no fr o c ku r l d e rl o a di si m p o r t a n tt or o c kb u r s t i n g p r e d i c t i o nt h r o u 曲m i c r o s e i s i i l i c i t y i nt h i st l l e s i s ，d e t a i l e ds t u d yi sm a d et oi n v e s t i g a t e f a c t o r so fa c o u s t i ce m i s s i o nt e s tr e s u l t st h e o r e t i c a l l ya i l de x p e r i m e m a j ly a 1 1 ds e n s i b l e p a r 咖e t e r s a r ec h o s e nt o s t u d ys e v e r “r o c k s o ft y p i c a lf a i l u r e s t y l e s t h m u 曲 a c o u s t i ce m i s s i o nt e s t ，t h er e l a t i o n s b j pb e t w e e nr o c kf 撕l u r es t y l ea 1 1 da c o u s t i c e m i s s i o nw a v ei ss t l l d i e d a n da ni n d e xn 锄e da f t e rs ri sd e f i n e dt od e s c r i b ea c o u s t i c e m i s s i o nw a v e s i m u l a t j o nb y 矗n i t ee l e m 锄tm e 廿1 0 di s 矗n i s h e dt 0s n l d vt h e r e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nm e s o m i c r o c o s m i cs 饥l c t u r ea 1 1 da c o u s t i ce m i s s i o n ，t 1 1 er e s u l ti s q u a l i t a t i v e l yc o n s i s t e mt oe x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h es m d yp r o v i d e san e w 也o u g h t t o p r e d i c tr o c kb u r s t i n gf o ru s b a s e do ne x p e r i m e m s ，血r o u 幽 g r a ys y s t e m a n d 6 】z z ym a t h e m a t i c s ，s o m e m e c h a n j c a jf a c t o r si n f l u e n c i n gr o c kb u r s t i l l gt e n d e n c yi ss t u d i e da n das y n t l l e t i c a | o r d e ro fm c k so f d o n gg u as h a nd e p o s i ti so b t a i n e db yf h z z ys y n t l l e t i c a le v a l u a t i o n ， b a s e do nd e e pr e s e a r c ho fl a wo fe n e r g y 乜a n s f o 珊d 血n g1 0 a d ，a no p t i m i z e dr o c k b u r s t i n gi n d e xi sg a i n e d ，t l e s er e s e a r c hw h i c hi sap r o 伊e s sms t u d y i n gr o c kb u r s t i n g t e n d e n c y i sp r a c t i c a lt od e m a r c a t er o c kb u r s t i n gd a n g e r o u sa r e a r o c kf a i l u r e p m g r e s s i ss e n s i t i v et o d i s t u r b ，m r o u g hi n v e s t 堙a t i o no fl o a d c h a r a c t e r i s t i c so fu s u a lh y 出a u l i cm a c h i n e ，t h ec h a o so fm c kf a i l u r ei ss t u d i e d ，w h i c h i s h e l p m l t om a k ek n o w l e d g eo fm c kb u r s t i n ge v o k e db yd y n a r n i ci o a ds u c ha s b l a s t i n g ，e t c u s i n ga n i s o t r o p i cd 呦a g et h e o r y ，s t r e s sa r o u l l dc i r c u l a rn m e l si ss t u d i e dt 1 1 r o u 譬h t w o d i m e n s i o nd 锄a g ef i n i t ee l e m e n tp m g r 枷e x c a v a t i o np m c e d u r eo f ac h a m b e ri s s u c ha 口r o c e d u r et h a tf o c km a s s e sa r o u n dac h 龇n b e ri su r d o a d e da n da d u s t e d 【i t c 王eb v l i n l e i no r d e rt os t u d yt h i sp r o c e d u r e ，a 1 1i n n e rl o a dm o d e la n dt r u et 1 1 r e ed i m e n s i o n a j l o a dm o d e li sd e s i g n e dt os m d y i t 【p e t i m e n t a l l y c o m b i n e dw i t hs p o ts u r v e y t h el a w o fn m n e lm c kb u r s t i n gi si n v e s t i g a t e di nd e t a i l ，a 出吼a g e p t u r em o d e li sb r o u g h t f o n v a r d ，t h j sw o r k c r e a t e sat h e o r e t i c a lb a s i st om c k b u r s t i n gp r e v e n t i o n a sf 打a sr o c kb u r s t i n gi nd o n gg u as h a nd e p o s i ti sc o n c e m e d ，b ys t u d y i n gl a y o u t o fm i n ec h 锄b e r sw i t hr o c kb u r s t i n gp r o n e n e s s ，m o n i t o r i n ga 1 1 dd e f e n s e ，e t c ，as o m e s e n s j b j es c h e m ej sp r e s 肋t e d ，a n da l s os o m e j d j o g r a p h j cm e t h o d sj sb r o u 曲f o r w a r d k e yw o r d s c o m p u t e r a i d e dt e s tr o c k b u r s t i n gg m y r e l a t i o nd e g r r e e f u z z y s y n t h e t i c a le v 缸u a t i o n a c o u s t i ce m i s s i o nc h a o s d 锄a g e s 订e s sp a t h 第一章绪论 岩爆是发生在地下空间的一种特殊动力现象，主要表现为：岩石的弹射、 抛出，特征为猛烈、突然，主要原因是岩体能量的释放。在煤矿中又称为煤爆、 冲击地压、岩石突出。随着地下空间的开发利用及地下矿山的开采，岩爆( 冲 击地压) 作为一种极其严重的地质灾害越来越引起人们的重视，如何减轻防止 岩爆的危害，成为许多国家关心的问题之一，各国为此投入了大量的人力物力 进行研究、防止岩爆的发生，取得了很大的成就。但是，岩爆的研究还远没达 到实用的水平，为此，针对我国铜陵有色金属公司冬瓜山矿床基建期间出现岩 爆的情况，国家辟专题设立了“岩爆预测预报技术”这一科技攻关项目，研究 冬瓜山岩爆的问题并提出解决方案，本论文正是在这一背景下开展的。 第一节岩爆的研究现状 1 岩爆的发生情况简介 有记载的岩爆于1 7 3 8 年首次发生英国的南史塔夫煤田，随后相继在许多国 家的煤矿、水电隧洞、铁路隧道、金属矿山发生，岩爆几乎遍布世界各采矿国 家，发生岩爆较多的国家有前苏联、波兰、德国、美国、法国、印度、挪威、 加拿大、南非等国。由于煤矿的大量开采，在煤矿中发生发生的冲击地压比重 较大，研究也较为深入，在这方面前苏联、波兰、德国走在世界的前面，在冲 击地压的机理研究、预报、防治积累了丰富的知识和经验。南非的金矿开采深 度世界闻名，最深达4 k m ，在2 l 世纪计划开采到4 5 0 0 5 0 0 0 m ，由于采深较大， 岩爆时常发生，在金属矿山的岩爆研究与防治方面，走在世界的前面，印度的 科拉尔矿在本世纪初是世界采深最大的矿山( 最深达3 2 k m ) ，是以发生岩爆闻 名的金矿，做了大量的岩爆预报工作。 水电隧道以6 0 年代掘进的挪威赫古拉公路隧道、瑞典的维斯塔引水隧洞为 代表：岩爆呈小块状岩爆弹射，岩爆时隧洞切向应力为岩石抗压强度的0 _ 3 7 倍， 在瑞典的福尔马克( f o h n a l ( ) 核电站的引水隧洞最大主应力a ，仅为岩石抗压强 度的1 1 4 ，也发生了岩爆【”。 我国抚顺胜利煤矿于1 9 3 3 年最先发生冲击地压，此后抚顺矿务局的龙风矿、 老虎台矿，北票矿务局的台吉矿，北京矿务局的门头沟、城子、房山等矿，开 滦矿务局的唐山矿，南桐矿务局的砚石台矿、南桐矿，辽源矿务局的西安矿等 矿山均相继发生了冲击地压。随着水电及铁路建设的进行，水电隧洞及铁路隧 道也发生了程度不同的岩爆，如渔子溪一级引水隧洞，二滩水电站左坝肩2 、3 号支洞岩石炸裂、成昆铁路北段乌斯河等几座隧道在施工过程中发生岩爆、拉 西瓦水电站地下厂房、天生桥水电站、拉西瓦水电站、秦岭隧道、二郎山隧道 等。目前发现岩爆的金属矿山主要有辽宁的红透山铜矿、狮子山铜矿冬瓜山矿 床，但随着采深的进一步加大，岩爆有增加的趋势。 岩爆给矿山的安全生产带来了极大的威胁，以南非金矿为例，虽然近年来采 取了一些有效的措旌来控制岩爆和岩崩，但由岩爆和岩崩引起的受伤和死亡人 数所占矿山总事故比例并没有多大的变化，如图1 1 所示。 我国煤矿冲击地压所造成的损失也相当惊人，据粗略统计，截止到1 9 8 7 年， 冲击地压造成死亡2 3 2 人，重伤5 7 人，轻伤2 8 4 人。水电工程及铁路隧道虽没 第一章绪论 岩爆是发生在地下空间的一种特殊动力现象，主要表现为：岩石的弹射、 抛出，特征为猛烈、突然，主要原因是岩体能量的释放。在煤矿中又称为煤爆、 冲击地压、岩石突出。随着地下空间的开发利用及地下矿山的开采，岩爆( 冲 击地压) 作为一种极其严重的地质灾害越来越引起人们的重视，如何减轻防止 岩爆的危害，成为许多国家关心的问题之一，各国为此投入了大量的人力物力 进行研究、防止岩爆的发生，取得了很大的成就。但是，岩爆的研究还远没达 到实用的水平，为此，针对我国铜陵有色金属公司冬瓜山矿床基建期间出现岩 爆的情况，国家辟专题设立了“岩爆预测预报技术”这一科技攻关项目，研究 冬瓜山岩爆的问题并提出解决方案，本论文正是在这一背景下开展的。 第一节岩爆的研究现状 1 岩爆的发生情况简介 有记载的岩爆于1 7 3 8 年首次发生英国的南史塔夫煤田，随后相继在许多国 家的煤矿、水电隧洞、铁路隧道、金属矿山发生，岩爆几乎遍布世界各采矿国 家，发生岩爆较多的国家有前苏联、波兰、德国、美国、法国、印度、挪威、 加拿大、南非等国。由于煤矿的大量开采，在煤矿中发生发生的冲击地压比重 较大，研究也较为深入，在这方面前苏联、波兰、德国走在世界的前面，在冲 击地压的机理研究、预报、防治积累了丰富的知识和经验。南非的金矿开采深 度世界闻名，最深达4 k m ，在2 l 世纪计划开采到4 5 0 0 5 0 0 0 m ，由于采深较大， 岩爆时常发生，在金属矿山的岩爆研究与防治方面，走在世界的前面，印度的 科拉尔矿在本世纪初是世界采深最大的矿山( 最深达3 2 k m ) ，是以发生岩爆闻 名的金矿，做了大量的岩爆预报工作。 水电隧道以6 0 年代掘进的挪威赫古拉公路隧道、瑞典的维斯塔引水隧洞为 代表：岩爆呈小块状岩爆弹射，岩爆时隧洞切向应力为岩石抗压强度的0 _ 3 7 倍， 在瑞典的福尔马克( f o h n a l ( ) 核电站的引水隧洞最大主应力a ，仅为岩石抗压强 度的1 1 4 ，也发生了岩爆【”。 我国抚顺胜利煤矿于1 9 3 3 年最先发生冲击地压，此后抚顺矿务局的龙风矿、 老虎台矿，北票矿务局的台吉矿，北京矿务局的门头沟、城子、房山等矿，开 滦矿务局的唐山矿，南桐矿务局的砚石台矿、南桐矿，辽源矿务局的西安矿等 矿山均相继发生了冲击地压。随着水电及铁路建设的进行，水电隧洞及铁路隧 道也发生了程度不同的岩爆，如渔子溪一级引水隧洞，二滩水电站左坝肩2 、3 号支洞岩石炸裂、成昆铁路北段乌斯河等几座隧道在施工过程中发生岩爆、拉 西瓦水电站地下厂房、天生桥水电站、拉西瓦水电站、秦岭隧道、二郎山隧道 等。目前发现岩爆的金属矿山主要有辽宁的红透山铜矿、狮子山铜矿冬瓜山矿 床，但随着采深的进一步加大，岩爆有增加的趋势。 岩爆给矿山的安全生产带来了极大的威胁，以南非金矿为例，虽然近年来采 取了一些有效的措旌来控制岩爆和岩崩，但由岩爆和岩崩引起的受伤和死亡人 数所占矿山总事故比例并没有多大的变化，如图1 1 所示。 我国煤矿冲击地压所造成的损失也相当惊人，据粗略统计，截止到1 9 8 7 年， 冲击地压造成死亡2 3 2 人，重伤5 7 人，轻伤2 8 4 人。水电工程及铁路隧道虽没 中南人学博l 学位论史 有煤矿严重，但也造成了一定的损失。随着金属矿山逐步向深部开拓，金属矿 山的岩爆也会越来越严重。 。一每千人岩槛车 一士一鼍千 岩壮罩 - 卜岩爆引鼍的花亡辄重伤人靠 中岩引起的死亡私量鱼土敦 2 s 2 0 暑 1 5 0 0 ； 量 l o 三 一o 1 9 9 1 _ 9 8 1 9 聃 1 9 蛐 1 9 9 2 年份 图1 1南非金矿1 9 8 7 1 9 9 5 年间岩爆和岩崩事故率统计【3 1 2 岩爆的理论研究现状 针对岩爆发生的特点，通过室内和现场研究，为揭示岩爆发生的内在规律， 确定岩爆发生的条件，提出了各种各样的岩爆发生机理。 2 1 刚度理论 刚度理论来源于刚性压力机理论。试验发现，有些岩石不能在普通试验机 上做出全应力应变曲线，岩石破坏剧烈，但在刚性试验机上却能做出，且岩石 破坏过程较为平缓，c o o k 认为：关键在于其加载刚度小于试件全应力应变眭 线后半段斜率试验机中积蓄的能量足以使岩石破坏，如图1 2 所示。 过邀 图】2 刚性加载和柔性加载对岩石破坏的影响 由于岩石是一种应变软化材料，当岩样进入加载后区时，岩样的承载能力 降低，此时试验机卸载，当岩样从b 点卸载至c 点，所消耗的能量为四边形a b c e 的面积s a b 。，而试验机卸载所释放的能量为四边形a b c d 的面积s a b c 。，若s a b 。 s 柚c 。，则岩样稳定破坏，反之则失稳破坏。 布莱克将其推广到岩爆的研究中，提出了岩爆发生的刚度理论，该理论认 为： 矿山结构所受载荷达到强度极限； 矿山结构体刚度大于矿山负荷系统( 围岩) 的刚度。 满足这两个条件就会发生岩爆，刚度理论在物理概念上比较明确，但是对于 矿山岩体来说，除少数情况以外，很难直接计算岩体刚度，因此就限制了其实 际应用。 2 2 失稳理论 失稳理论在首先由章梦涛教授【4 l 引入，其观点是：将矿山岩体看作一个变形 系统，变形系统的平衡状态，取决于系统势能泛函的性质，当驻值不为极小值 时，其平衡状态是非稳定态。根据变分原理有，对于所研究的岩体，设其形变 6 5 3 2 1 o 善 ! 堕查兰坚f ：堂竺堡苎 一一 一 势能为u ，则有系统不稳定的条件为： 万2 己，= ij 出n q 矽 如 咖+ l ，占 如 2 d ，眵 出) 咖o ( 1 1 ) 式中：u 系统总势能；v 一弹性区体积；v o - 应变软化区体积；d 。- 弹性矩阵；d 。一 应变软化矩阵， 由于( d 1 为i e 定矩阵，显然，只有当岩体中出现应变软化区时，式( 1 。1 ) 才 可能成立，可以这样认为，失稳理论是刚度理论的一种推广形式，在失稳理论 的基础上，赵阳升等将其迸一步推广，利用单位载荷模式，研究岩体系统形 变势能的二次变分62 u 的响应特性，根据62 u 的相对大小确定岩体失稳程度。 2 3 损伤断裂模型 d y s k i n 等【6 l 认为，岩爆是由于平行于自由表面的裂纹扩展造成的，据此提出 了岩爆的断裂力学模型，缪协兴等【7 】在此基础上进一步发展提出了岩爆的滑移 裂纹模型，并考虑了岩爆发生的时间效应。冯涛等口1 对板的稳定性进行了详细 的研究，层裂模型与现场的洞室型岩爆的观测结果比较吻合，但如何计算层裂 模型中层裂板的厚度，以及岩爆终止的条件还不太清楚。 2 4 非线性科学在岩爆研究中的应用 1 ) 突变理论 该理论是法国数学家t h o m 提出来的f 9 】，最为常用的是尖点突变理论，其中 包括两个控制变量，一个状态变量。其势能函数为： ) = 去x 4 + 圭芦2 + 私 ( 1 2 ) 式中：静状态变量；p ，q 一控制变量 对于一力学系统有，若其处于平衡状态，则其势函数取驻值，由此可得平衡曲 面： u ( x ) = x3 + 口x + g = 0( 1 3 ) 该曲面分为三叶，上下两叶为稳定平衡区，中叶为不稳定平衡区( 不可达区) ， 若系统稳定，势能取极小值，于是有：u ”( x ) = 0 ，可得： u ( x ) = 3 2 2 + p( 1 4 ) 联立式( 1 6 ) 、( 1 7 ) 可得分叉集方程： 4 p3 + 2 7 9 3 = 0( 1 5 ) 如果力学系统在变形过程中，从一个平衡态( 如上叶) 到另个平衡态( 下叶) 经过中叶时，系统会发生状态变量的突跳。 2 ) 分形理论 k s h j v a k u m a 刖q 、谢和平等f 1 1 1 用分形几何的方法研究了微震的时空分布与 分布半径的关系，发现这是一个分形结构，在岩爆发生前，微震集中在一个小 区域内，分形理论从唯象的角度研究了岩爆的定性规律，刻划了岩体破坏过程 中的微震分布规律，对于岩爆的预报工作具有一定的意义。 3 ) 分叉理论和混沌理论 最近有些学者尝试用分岔和混沌”2 1 的观点来研究岩爆的发生机制，在预报 方面取得了一些成功的经验，分叉理论主要是探讨岩石加载过程中外界条件和 岩石本身具有的缺陷对岩石变形破坏的影响，研究岩石不同的变形途径。混沌 理论则主要研究力学系统的非线性对稳定性的影响，非线性的本质是：经过某 种线性变换，两个变量之间的依从关系存在多值性，非线性力学中的许多现象 是由多值性导致的。如分叉、突变等。混沌是比分叉更复杂的一种现象，逐次 中南 、学博f 。学位论文 分叉往往是混沌出现的先兆，混沌性的强弱由李亚普若夫指数进行刻划，有学 者利用混沌对于岩爆的预报进行了研究，取得了一定的成果”“。 3 岩爆预测预报方法 岩爆的预测预报包括两个方面：一是岩爆的可能性判断，称之为预测，是 指依据岩石的物理力学参数以及应力状态预测开挖后岩爆发生的可能性大小， 主要目的是圈定岩爆危险区域，岩爆的重点监测地段、确定合理的采矿工艺， 为岩爆的防治提供决策依据：二是岩爆的预报，即依据所监测的结果如微震、 钻孔排粉量、岩体位移、弹性波速度等指标预测岩爆是否会发生，并指明岩爆 发生的大致时间，以便及时撤退工作人员及设备，保证安全生产。 4 岩爆的防治 岩爆的防治工作包括区域性的防治和局部防治。区域性的防治措施包括： 选择合理的开拓系统；合理的回采顺序和采矿工艺；岩层注水；开采保护层等 措施，局部防治措簏包括打卸压孔；松动爆破等措旌。 第二节岩爆研究所面临的问题 黄润秋等【1 3 】在其出版的工程地质广义系统科学分析原理及应用一书中 谈到：“从系统论的角度讲，任何地质体都可以看作一个复杂的开放的体系。在 这个体系中，由于其较强的开放性，使得它与一般的系统( 如热力学中的孤立 系统、封闭系统) 相比，表现出完全不同的特点，最突出的是具有“黑箱”特 性和高度的非线性以及不可逆性”。同样地，虽然对岩爆进行了广泛的研究， 但岩爆的研究还远没达到彻底解决的程度，岩爆的理论研究还很难具体解决实 际问题，岩爆的发生机制还没有完全弄清，岩爆预报的准确率还不能令人满意， 可以这样认为，目前对岩爆的认识还在“灰箱”阶段，尚需要对岩爆进行更深 入的研究。具体来讲，以下几个方面还有待进一步研究： 1 ) 岩石的岩爆倾向性研究 岩石的岩爆倾向性指标对于岩爆预测预报具有重要意义，除了一些比较常 用的指标外，如弹性能指数、冲击能指标、动态破坏时间，许多学者提出了反 映岩爆倾向性的各种指标，但这些指标之间有何关系，岩石的物理力学参数于 岩石岩爆倾向性的关系尚不太清楚。 2 ) 岩石加载过程中的声发射规律 关于岩石加载过程中的声发射方面的研究很多，主要包括两个方面：通 过对岩石类材料进行室内声发射研究，得出其声发射特征，然后向现场推广； 进行现场声发射监测，也称微震监测，进行岩爆预报工作，直接为现场服务， 只有更好地了解岩石类材料的特征，才会为我们现场的微震监测提供确凿的理 论依据，使微震监测的准确性得以提高，反过来，微震监测可以检验提出的理 论f 确与否，促使我们更深入研究岩石加载过程中的声发射性质。 目前室内声发射试验研究工作较多，但工作主要集中在声发射事件统计、 声发射事件能量分析分析上，对声发射波形分析较少。 3 ) 加载路径对岩石破坏的影响 地下空间的形成过程是一个应力调整的过程，即卸荷应力调整应力平衡的 过程，研究岩石在卸荷条件下的破坏规律有助于认识岩爆发生的机制，这方面 做了一定的研究工作，但有待进一步深入。 综上所述，目前关于岩爆的发生过程以及岩石在卸荷条件下的破坏规律尚 中南 、学博f 。学位论文 分叉往往是混沌出现的先兆，混沌性的强弱由李亚普若夫指数进行刻划，有学 者利用混沌对于岩爆的预报进行了研究，取得了一定的成果”“。 3 岩爆预测预报方法 岩爆的预测预报包括两个方面：一是岩爆的可能性判断，称之为预测，是 指依据岩石的物理力学参数以及应力状态预测开挖后岩爆发生的可能性大小， 主要目的是圈定岩爆危险区域，岩爆的重点监测地段、确定合理的采矿工艺， 为岩爆的防治提供决策依据：二是岩爆的预报，即依据所监测的结果如微震、 钻孔排粉量、岩体位移、弹性波速度等指标预测岩爆是否会发生，并指明岩爆 发生的大致时间，以便及时撤退工作人员及设备，保证安全生产。 4 岩爆的防治 岩爆的防治工作包括区域性的防治和局部防治。区域性的防治措施包括： 选择合理的开拓系统；合理的回采顺序和采矿工艺；岩层注水；开采保护层等 措施，局部防治措簏包括打卸压孔；松动爆破等措旌。 第二节岩爆研究所面临的问题 黄润秋等【1 3 】在其出版的工程地质广义系统科学分析原理及应用一书中 谈到：“从系统论的角度讲，任何地质体都可以看作一个复杂的开放的体系。在 这个体系中，由于其较强的开放性，使得它与一般的系统( 如热力学中的孤立 系统、封闭系统) 相比，表现出完全不同的特点，最突出的是具有“黑箱”特 性和高度的非线性以及不可逆性”。同样地，虽然对岩爆进行了广泛的研究， 但岩爆的研究还远没达到彻底解决的程度，岩爆的理论研究还很难具体解决实 际问题，岩爆的发生机制还没有完全弄清，岩爆预报的准确率还不能令人满意， 可以这样认为，目前对岩爆的认识还在“灰箱”阶段，尚需要对岩爆进行更深 入的研究。具体来讲，以下几个方面还有待进一步研究： 1 ) 岩石的岩爆倾向性研究 岩石的岩爆倾向性指标对于岩爆预测预报具有重要意义，除了一些比较常 用的指标外，如弹性能指数、冲击能指标、动态破坏时间，许多学者提出了反 映岩爆倾向性的各种指标，但这些指标之间有何关系，岩石的物理力学参数于 岩石岩爆倾向性的关系尚不太清楚。 2 ) 岩石加载过程中的声发射规律 关于岩石加载过程中的声发射方面的研究很多，主要包括两个方面：通 过对岩石类材料进行室内声发射研究，得出其声发射特征，然后向现场推广； 进行现场声发射监测，也称微震监测，进行岩爆预报工作，直接为现场服务， 只有更好地了解岩石类材料的特征，才会为我们现场的微震监测提供确凿的理 论依据，使微震监测的准确性得以提高，反过来，微震监测可以检验提出的理 论f 确与否，促使我们更深入研究岩石加载过程中的声发射性质。 目前室内声发射试验研究工作较多，但工作主要集中在声发射事件统计、 声发射事件能量分析分析上，对声发射波形分析较少。 3 ) 加载路径对岩石破坏的影响 地下空间的形成过程是一个应力调整的过程，即卸荷应力调整应力平衡的 过程，研究岩石在卸荷条件下的破坏规律有助于认识岩爆发生的机制，这方面 做了一定的研究工作，但有待进一步深入。 综上所述，目前关于岩爆的发生过程以及岩石在卸荷条件下的破坏规律尚 ! 查叁堂堕! ：兰些堕兰 一一一一一一 待进一步深入研究，而且有必要进一步研究岩石的岩爆倾向性指标。 4 ) 地震波和爆破对岩爆的影响 易小平等1 研究了地震波与岩爆的关系，地震波的动力效应可以用下式表 示： 盯。= 俨，v ： ( 1 6 ) 卜铲等 第三节本文完成的主要工作 从已有的岩爆研究来看，岩爆的研究主要走两条技术路线：一是以现场大量 的岩爆监测数据为基础，如微震监测、岩爆的破坏形式、位移及应力监测，对 数据进行分析整理，得出岩爆发生的规律并直接指导生产：二是以室内模拟试 验、理论分析和现场监测相结合的方法。本文结合国家九五科技攻关项目“千 米深井3 0 0 万吨级矿山强化开采综合技术研究”中的子专题“岩爆预测预报技 术研究”课题，对第二节所提到的4 个方面进行研究，针对铜陵有色金属( 集 团) 公司所属狮子山铜矿冬瓜山铜矿床在基建期间所出现的岩爆现象进行研究， 探讨冬瓜山岩爆发生的机制，并选择岩爆的孕育过程作为论文的立足点，详细 探讨岩爆的发生过程，以及岩爆所伴随的现象，深入研究岩爆这一复杂性的地 压动力现象，为冬瓜山的岩爆预测预报及控制提出建议。 在前人工作的基础上，本文研究内容主要有： 1 ) 为论文研究的需要，开发一套计算机辅助测试系统，既能满足常规的岩石 力学实验要求如单轴压缩、拉伸试验等，也适合于其它类型的试验，并能 实现常规的力学参数的自动计算； 2 ) 利用所研制的测试系统，深入研究具有岩石破坏过程中的声发射波形特征， ! 查叁堂堕! ：兰些堕兰 一一一一一一 待进一步深入研究，而且有必要进一步研究岩石的岩爆倾向性指标。 4 ) 地震波和爆破对岩爆的影响 易小平等1 研究了地震波与岩爆的关系，地震波的动力效应可以用下式表 示： 盯。= 俨，v ： ( 1 6 ) 卜铲等 第三节本文完成的主要工作 从已有的岩爆研究来看，岩爆的研究主要走两条技术路线：一是以现场大量 的岩爆监测数据为基础，如微震监测、岩爆的破坏形式、位移及应力监测，对 数据进行分析整理，得出岩爆发生的规律并直接指导生产：二是以室内模拟试 验、理论分析和现场监测相结合的方法。本文结合国家九五科技攻关项目“千 米深井3 0 0 万吨级矿山强化开采综合技术研究”中的子专题“岩爆预测预报技 术研究”课题，对第二节所提到的4 个方面进行研究，针对铜陵有色金属( 集 团) 公司所属狮子山铜矿冬瓜山铜矿床在基建期间所出现的岩爆现象进行研究， 探讨冬瓜山岩爆发生的机制，并选择岩爆的孕育过程作为论文的立足点，详细 探讨岩爆的发生过程，以及岩爆所伴随的现象，深入研究岩爆这一复杂性的地 压动力现象，为冬瓜山的岩爆预测预报及控制提出建议。 在前人工作的基础上，本文研究内容主要有： 1 ) 为论文研究的需要，开发一套计算机辅助测试系统，既能满足常规的岩石 力学实验要求如单轴压缩、拉伸试验等，也适合于其它类型的试验，并能 实现常规的力学参数的自动计算； 2 ) 利用所研制的测试系统，深入研究具有岩石破坏过程中的声发射波形特征， 中南人学博i + 学位论文 并利用声发射波形的规律研究岩石的破坏过程，丰富并完善岩石性质的研 究，并为冬瓜山的岩爆预报工作提供理论上的指导性意见： 3 1 研究冬瓜山铜矿床几种典型矿岩的岩爆倾向性，研究岩石的岩爆倾向性与 岩石力学性质之间的关系，目前关于岩石的岩爆倾向性指标多种多样，公 认的指标有两个，即弹性能指数和冲击能指标，但是冲击能指标没有考虑 岩石加载前区的能量耗散，本文在研究岩石加载过程中的能量转换关系的 基础上，提出一个考虑加载前区的能量耗散的新的岩爆倾向性指标； 4 1 岩石的脆性、抗压强度等因素对岩石的岩爆倾向性具有一定的影响，但是 目前关于这些的影响大小还处在定性研究阶段，缺乏定量的评价，本文利 用灰色关联度理论及模糊数学的方法来对此进行深入的研究； 5 ) 岩石的破坏过程与岩石的加载条件有关，并且表现出混沌的性质，利用混 沌动力学原理研究外界扰动( 如爆破、地震) 对岩石破坏过程的影响； 6 1 洞室围岩的应力与所处的位置有关，利用损伤力学理论研究圆形洞室围岩 应力分布的特征，为岩爆的防治提供理论上的依据； 7 1 岩石的力学响应与应力路径有关，为研究其影响，在前人工作的基础上， 设计了模拟洞室开挖的加载装置，研究了洞室开挖过程中的力学响应，在 真三轴加载条件下，研究岩石在卸荷条件下的的破坏特征，以室内实验和 现场岩爆调查为基础，深入探讨冬瓜山岩爆的发生机制： 8 1 提出冬瓜山岩爆预测预报与控制方法，以及冬瓜山岩爆防护所采用的措施， 为冬瓜山控制岩爆的措施提出一些合理的建议。 目前国内煤炭、水电等行业岩爆的研究较多也较为深入，而关于硬岩矿山的 岩爆的研究较少，随着我国的经济建设的进行，对于矿产资源的需求包括金属 也会越来越大，因此研究硬岩矿山的岩爆不仅有理论上深入探讨的必要，而且 具有重大的现实意义。 中南人学博 学位论义 第二章计算机辅助测试系统的开发 相对来说，对于普通的测试，如在普通材料试验机的抗压抗拉试验，阻及 其它一些试验，目前还经常是手工记录和半自动化记录，这远远不适合于试验 数据的保存和处理，一方面的原因是由于通常采用的记录系统为光线示波器或 记忆示波器，x y 函数记录仪，能同时记录的数据少，且仪器保养困难：二是 获得的数据处理困难，需要人工判读，费时费力；三是象x y 函数记录仪，响 应频率低。基于论文研究的需要，研制了w i n d o w s 9 5 下的计算机辅助测试系 统。 第一节概述 目前国内进口的材料试验机多为电液伺服刚性试验机，如我校测试中心的 英国i n s t r o n 试验机，美国的m t s 试验机，一般均配有相应的软件进行控制 和采集，并且在此基础上进行了二次开发，大大提高了试验控制和数据处理的 自动化程度。 1 1c a t 系统的特点 计算机辅助测试技术就是用计算机记录代替原有的手工记录和机械记录， 具有自动化程度高、数据分析处理方便，按计算机采集与控制的方式，可以将 其分为两种：一是计算机测试与控制系统，目前广泛应用在许多电液伺服刚性 试验机上，既起数据采集作用，又通过伺服阀起控制作用；二是数据采集系统， 单纯的进行数据采集、处理。 现代测控系统一般由计算机，接口及配套的软件组成，对于司服控制试验 机，还包括程控设备，相对来说，c a t 系统具有自动、快速、高效、方便灵活 的特点，而且数据处理功能相当丰富，具体来说，具有如下特点： a ) 随着计算机软件的发展，系统可以升级，组成更高效、功能更强大的系统。 b ) 可以进行高速数据采集。 c ) 可以任意组合绘图、实时信号滤波。 d ) 测试数据可以任意处理绘图打印。 1 2c a t 系统的开发策略 评价一个好的c a t 系统主要看以下几点：1 ) 系统的性能，即系统的频率 响应，数据的处理能力；2 ) 系统功能，这一点与选用的开发平台及开发工具有 关。系统的频率响应随着电子工业的发展而增加，目前a d 转换速率可达到 1 m h z ，可以满足岩石从静态测试到超动态测试的要求。国内学者开发了多种多 样的c a t 系统【1 6 “”，但是目前的数据采集与处理系统普遍在d o s 环境下开发， 相对来说，有人机界面不太友好，数据处理能力不太强的缺点，虽然作了较大 努力，但由于d o s 环境的限制，比较难做大的改进。目前大多数科技工作者已 比较熟悉并习惯于w i n d o w s 操作平台，w i n d o w s 界面的直观性及操作性 相对较好，开发w n d 0 w s 环境下的c a t 系统就具有现实的意义。 目前w i n d o w s 下的编程语言主要有v c 、v b 、d e l p l l i 、c hb u i l d e r 、p b 、 v f p 等语言，其中d e l p l l i 具有庞大的组件库呻“9 j ，相对来说编写的代码少，代 码效率高，因此从推出开始就受到广大编程的喜爱，本文开发的数据采集系统 采用d e l p h i 5 o 在w i n d o w s 9 5 下开发。 ! 堕叁兰堡! ：兰垡堡兰 第二节测试系统简介 2 1p c - 6 3 l o d 性能 p c 一6 3 1 0 d 模入接口卡适用于具有i s a 总线的p c 系列微机，具有很好的兼 容性，c p u 从目前广泛使用的6 4 位处理器直到早期的1 6 位处理器均可适用， 操作系统可选用经典的m s d o s ，目前流行的w i n d o w s 系列，高稳定性的 u n i x 等多种操作系统以及专业数据采集分析系统l a b v i e w 等软件环境，安 装简单，插入任一个i s a 总线插槽固定即可，可以容许3 2 路单端输入或1 6 位 双端，可以测量单极性信号或双极性信号。其主要技术参数为： 1 ) 输入信号范围：o 1 0 v ：- 5 v 5 v 2 ) 放大器增益：硬件设置：l ：2 ；5 ；1 0 。 3 ) a d 转换速率：1 0 “s 4 ) a 他转换分辨率：1 2 位 5 ) a d 转换非线性误差：1 l s b 2 2d e l p h i 对数据端口的读写方式 d e l p h i 与端口通信的方式相当灵活，既可以直接采用内置汇编器，在o b j e c t d a s c a l 中编写汇编代码，对端口读写，也可以采用动态链接库方式，调用函数 对端口读写，可以编制设备驱动程序v x d ，在w i n d 0 w s 环境下，采用动态 链接库方式较为灵活，是一种较为理想的采集方式。动态链接库既可自行编制， 也