岩石力学之 岩爆发生的现象机理与防治

第六章地下工程灾害预报与防治第四节、岩爆发生的现象、机理与防治一、岩爆发生的现象岩爆是矿井进入深部开采以后更容易遇到的严重的灾害之一。有记录的岩爆发生的历史我国岩爆发生的基本情况岩爆是岩石动力破坏的一种特殊形式采矿引起岩石破坏的主要形式1、岩块的冒落或坍落原因：采矿导致节理岩体的松动。危害：砸伤作业人员、损坏支护。2、松散岩层变形原因：在强大地应力作用下，松软岩体的明显变形。危害：损坏支护，改变巷道断面和形状。3、凿岩爆破等动载荷下的破坏；4、岩爆、煤与瓦斯突出等动力现象岩爆发生的一些实例岩爆的危害：造成人员设备的巨大损失并引起作业人员的恐慌。岩爆与通常的岩体破坏现象的区别通常的岩体石破坏发生时的主要现象：1、通常的岩石破坏不会有猛烈的声响和(大量)能量的瞬间释放；2、破坏过程缓慢；3、要进一步施加外载或做功才能发生破坏；4、比较容易预报。岩爆发生的现象和特点：1、破坏范围大、能量大；2、无明显前兆的情况下，自行发生破坏，难以预报；3、破坏时可以有巨大声响，破坏及其迅速；4、小扰动下会引发岩爆；5、岩爆有滞后发生的现象；6、岩爆引起的岩体突然破坏不需要外界向系统进一步输入能量，因此与爆破载荷引起的岩体动力破坏有实质区别。岩爆发生的初步的定义(从现象上)：岩爆是岩石（体）猛烈破坏并释放大量能量的现象。岩爆是岩石（体）的一种特殊的破坏形式，并可以得出如下结论：1、岩爆不能简单地等同与岩石的破坏；2、岩爆所表现出的岩石破坏的动力性，不同于爆破引起的岩石动力破坏。问题与思考：岩爆与普通岩石破坏的根本区别是什么？“科学研究的区分，就是根据科学对象所具有的特殊的矛盾性。因此，对某一现象所特有的某种矛盾的研究，就构成某一门学科的对象。”（毛泽东《矛盾论》）库克认为：“岩体发生破坏，引起矿体—围岩力学系统平衡状态破坏时，若其释放的能量大于消耗的能量，将产生岩爆。”岩爆与通常岩石破坏的本质区别在于：1、破坏的突然性；2、破坏过程中有多余的(有时是大量的)能量释放。二、经典力学关于非稳定平衡和突然破坏的研究1、压杆失稳2、铅笔的稳定平衡与非稳定平衡mgmgmg3、小球的稳定平衡、非稳定平衡和随遇平衡4、薄壁结构的失稳破坏稳定平衡的定义：当一个平衡系统在任意微小扰动作用下，偏离平衡位置一个微小距离后，立即会产生一种作用，使其回到原来的平衡状态，则称该系统处于稳定平衡状态。非稳定平衡的定义：当一个平衡系统在任意微小扰动作用下，偏离平衡位置一个微小距离后，立即会产生一种作用，使其继续偏离原来的平衡状态，则称该系统处于非稳定平衡状态。随遇平衡的定义：当一个平衡系统在小扰动作用下，偏离平衡位置一个任意微小距离，当扰动消失后停留在新的平衡位置，则称为随遇平衡。以上四种非稳定平衡现象都具有以下特点：1、不需要外部对系统进一步施加能量，在小扰动下可自行发生；2、平衡状态的变化和破坏是突然发生的。三、岩爆发生的机理(条件或准则)考察试验机与岩石组成的力学系统：加载—受载系统的力学模型（试验机—岩样系统的力学模型）假设：岩样发生破坏以前，试验机与岩样处于准静态加载过程。系统的力学特性：1、试验机在弹性范围内工作，因此P=Kum式中K—试验机刚度，um—试验机变形（解释：um不是应变是位移）2、岩样与试验机组成串联系统P=R式中P—试验机受力；R—岩样受力试样a试样a—试验机的全位移；u—岩样端面位移au试验机岩样3、岩样具有应变弱化的本构特性岩石应力岩石应力—应变全过程曲线0岩石与金属力学性质的主要区别在于岩石有应变弱化。按照岩石的统计损伤理论，岩石应力—应变关系为对岩石应力—应变全过程曲线的模拟0对岩石应力—应变全过程曲线的模拟0E—岩石的弹性模量，—岩石的强度。岩样载荷—位移曲线的模拟关系，式中—岩样的初始刚度试验机—岩样系统的力学模型从岩样变形速率讨论试验机—岩样系统的不稳定性岩样破坏以前的准静态加载过程、加载速率式中，，—岩样的准静态变形速率，—试验系统的准静态变形速率岩样变形速率若，则由于有总取取限值，因因此，这意意味着岩样样变形失稳稳。对岩样变形失稳稳（破坏）条条件的讨论论：1、可以取负值，即即岩样具有有应变弱化化特性(这是岩石石自身的性性质)；2、系统所受的载载荷足够大大，足以使使岩石进入入过岩石峰峰值强度以以后的变形形区，即岩岩石应、力力—应变全过过程曲线的的后半段(外部条件件)；3、在过岩石峰值值强度以后后的变形区区，即时，有有(系统特性性)。从变形过程中试试验机和岩岩样受力和和能量的不不平衡讨论论试验机—岩样系统统破坏的不不稳定性1、当岩样位于峰峰值强度以以前的变形形区—岩样的峰值强度度，—岩样峰值值强度对应应的岩样压压缩，—系统处于于非稳定平平衡时岩样样的临界位位移，—系统处于于非稳定平平衡时岩样样的临界载载荷。特点：只有向系系统持续输输入能量或或增加载荷荷，岩样和和试验机才才能发生进进一步的变变形即系统统的平衡是是稳定的。2、当岩样进入峰峰值强度以以后的变形形区，试验验机刚度小小于岩样的的负刚度，即即时系统平平衡的失稳稳与岩样的的突然破坏坏。(1)、当时，，试验验机卸载（弹弹性恢复）释释放能量。(2)、岩样继继续压缩，消消耗能量，但但随压缩变变形的增加加，强度同同步降低。当时假设有一小扰扰动使岩样样发生进一一步变形uu，则有(3)、试验机机加于岩样样上的力超超过了岩样样的瞬时强强度—即岩样能能够承受的的力，，()。(4)、试验机机弹性恢复复，在这个个过程中，试试验机释放放的能量大大于岩样继继续破坏所所需要的能能量，()。(5)、越大，试试验机出力力与岩样受受力之间的的不平衡，和和试验机释释放的能量量与岩样变变形消耗的的能量之间间的不平衡衡（和）越大，引引起岩样变变形加速，直直到为止。特点：一个任意意微小扰动动可以导致致岩样的突突然破坏（变变形突然加加速），并并引起系统统突然释放放能量。结论：当岩样的的变形达到到时，如果果试验机刚刚度小于岩岩样的负刚刚度时，试试验机—岩样系统统处于非稳稳定平衡状状态。系统失稳和岩样样突然破坏坏的条件：：(1)、岩样进进入峰值强强度后的变变形区，；；(综合了岩岩样与试验验机的特性性，系统的的特性，必必要条件)(2)、在岩样样过峰值强强度以后的的某个变形形区内都有有，试验机机刚度小于于岩样刚度度，。(充分条件)3、当岩样进入峰峰值强度以以后的变形形区，试验验机刚度大大于岩样的的负刚度，系系统稳定平平衡。特点：进入过峰峰值强度以以后的变形形区，只有有向系统持持续输入能能量或增加加载荷，岩岩样和试验验机才能发发生进一步步的变形。(例如刚性性试验机和和岩石的应应力应变全全曲线)4、加载—受载系系统的随遇遇平衡注意：在实践中中，无限小小扰动实际际上是有限限小扰动四、岩爆的定义义(不仅从现现象上而且且从理论上上)岩爆是矿山岩体体结构处于于非稳定平平衡状态时时，由小扰扰动引起的的岩体突然然破坏和系系统瞬间释释放(大量)能量的现现象。五、加载—受载载模型（试试验机—岩样系统统）解释岩岩爆的能力力(1)、可以解解释岩石破破坏造成大大量能量释释放的突然然性；(根据在只只需要有任任意小扰动动和不需要要外界向系系统进一步步输入能量量)(2)、可以解解释无明显显前兆，自自行破坏；；(同样根据据只要有小小扰动作用用和不需要要外界进一一步输入能能量)(3)、可以解解释突然破破坏和破坏坏过程极其其迅速；（力力与能量的的不平衡）(4)、可以解解释小扰动动下发生突突然破坏；；(5)、无法解解释破坏的的滞后性；；(6)、该模型型还可以解解释岩爆终终止；特别注意：与压压杆和薄壳壳的几何失失稳不同，岩岩爆是围岩岩—矿体系统统的物理失失稳，而试试验机—岩样系统统是模拟岩岩爆物理失失稳的理想想模型。从上面的讨论还还可以看出出：当加载载—受载系统统处于非稳稳定平衡状状态时，不不需要外部部向系统输输入能量，仅仅仅一个任任意微小扰扰动就可以以诱发岩爆。岩岩爆的发生生过程是加加载—受载系统统内加载体体和受载体体之间应力力迅速调整整的过程，还还是加载体体和受载体体之间能量量迅速转移移的过程，在在临近岩爆爆发生前的的孕育过程程和岩爆发生生过程中，这些过过程是系统统的内部过过程，在外外部很难探探测到，因因此岩爆的的预测十分分困难，至至今仍是岩岩石力学中中的一个难难题。加载—受载模型的其他他应用OO(1)、地震的的前兆变形形率(即临近地地震发生时时大地变形形速率的增增加)；(2)、地震的的前兆应力力降(即临近地地震发生时时地壳应力力下降)；(3)、地震的的失稳应力力降(地震发生生前后地壳壳应力的降降低)；(4)、地震空空区（声发发射）(即临近地地震发生时时声发射事事件数的减减小)。问题与思考：爆爆破引起的的岩石动力力破坏与岩岩爆动力破破坏之间的的区别与联联系六、岩爆发生条条件1、岩爆发生的充充分条件：：失稳破坏坏过程中矿矿体消耗的的能量小于于系统释放放的能量；；2、岩爆发生的必必要条件：：矿体—围岩系统统处于非稳稳定平衡状状态条件2是岩样突然破坏坏的条件。上述结论是通过过对试验机—岩样系统统的研究得得到的，像像“弹性”、“塑性”一样，试试验机—岩样系统统是模拟岩岩爆物理失失稳的理想想模型。是是通过对实实际现象和和过程的抽抽象得到的的。但是“抽象化的方法（有有意弃去它它的次要属属性而仅保保留主要的的）不仅对对于工程实实际目的是是完全许可可的，而且且是科研认认识过程的的条件之一一。”“从具体的东西上上升到抽象象的东西，思思维不是离离开—如果它是是正确的话话—真理而是是接近真理理”——摘自列宁《哲学学笔记》将加载体和受载载体组成的的系统作为为研究对象象，与经典典力学的研研究方法有有本质区别别。1、经典力学仅仅研研究外部作作用下的受受载体。但但是对岩爆爆发生过程程的研究需需要考察加加载体与受受载体组成成的变形力力学系统；；2、在经典力学中中受载体的的外部作用用是已知的的，但是在在岩爆发生生过程中，加加载体(围岩)作用在受受载体(矿体)之上的载载荷是变化化的。3、经典力学所研究究的平衡失失稳多是由由于特殊的的几何形状状引起的，称称之为几何何失稳。但但矿体具有有应变弱化化的本构特特性是(围岩—矿体的失失稳的重要要条件。七、变形系统平平衡失稳观观点在岩爆爆研究中的的应用1、坚硬顶板下，矿矿柱突然破破坏的岩爆爆11233P1、坚硬顶板；22、矿柱；3、矿体试验机—坚硬顶顶板；岩样样—矿柱2、圆形巷道岩爆爆11234应变软化区1—巷道；2—塑性性区（应变变软化区）；3—弹性区；4—围岩。试验机—弹性区区岩体；岩岩体—塑性区岩岩体3、其他应用。八、关于岩爆发发生的理论论1、强度理论O2、冲击倾向理论论O3、刚度理论4、失稳理论岩爆就是当岩石石介质的变变形进入过过峰值强度度后的