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。己岩爆与通常的牢岩体破坏现象泊的区别政通常的岩体石亲破坏发生时的公主要现象慎：确1移、通常的岩石烟破坏不会有猛榴烈的声响肤和谊(陶大迎量插)拴能量的纪瞬间河释放缩；犁2惩、破坏过程缓我慢奖；欧3地、要进一步施镜加外载或做功御才能发生破坏之；王4谨、比较容易预窑报。邮岩爆发生的现计象和特点挖：群1峰、破坏范围大魄、能量大遭；花2忍、无明显前兆告的情况下，自惰行发生破坏，狸难以预报躬；鹿3移、破坏时可以江有巨大声响，浪破坏及其迅速野；英4毫、小扰动下会凭引发岩爆批；锡纳5爆、岩爆有滞后话发生的现象砖；紧6涂、岩爆引起的候岩体突然破坏再不需要外界向叨系统进一步输艘入能量，因此姨与爆破载荷引捆起的岩体动力防破坏有实质区甘别。呜岩爆发生的初坛步的定绣义台(鲁从现象平上抽)糖：延怕岩爆是岩石（泉体）猛烈破坏喜并释放大量能钳量的现象昏。锯岩爆是岩石（逼体）的一种特傲殊的破坏形式符，并可以得出创如下结论：们1筋、岩爆不能简染单地等同与岩域石的破坏妹；奉2跟、岩爆所表现员出的岩石破坏直的动力性，不膏同于爆破引起愧的岩石动力破罚坏。走问题与思考：毅岩爆与普通岩猾石破坏的根本槐区别是什么？坏“婆科学研究的区筛分，就是根据锄科学对象所具罚有的特殊的矛杆盾性。因此，呈对某一现象所供特有的某种矛美盾的研究，就见构成某一门学节科的对象港。狸”丸（毛泽东《矛窑盾论》）灵库克认为玻：预“躁岩体发生破坏萌，引起矿狡体阶—术围岩力学系统兼平衡状态破坏芳时，若其释放泳的能量大于消捏耗的能量，将珠产生岩爆式。雄”称岩爆与通常岩胜石破坏的本质狗区别在于刃：仪1骄、破坏的突然玩性挪；等2瞎、破坏过程中米有多余眯的衫(奸有时是大量染的趣)混能量释放。醒二、经典力学艺关于非稳定平拘衡和突然破坏端的研究1、压杆失稳蹈2勇、铅笔的稳定财平衡与非稳定译平衡mgmgmg所3拍、小球的稳定驻平衡、非稳定嫩平衡和随遇平它衡精4缎、薄壁结构的什失稳破坏勾稳定平衡的定贺义冤：句当一个平衡系圾统在任意微小窑扰动作用下，自偏离平衡位置峰一个微小距离胞后，立即会产抬生一种作用，透使其回到原来龟的平衡状态，觉则称该系统处钟于稳定平衡状缩态。桨非稳定平衡的寄定义绸：驴当一个平衡系找统在任意微小磨扰动作用下，萍偏离平衡位置挖一个微小距离招后，立即会产泽生一种作用，贤使其继续偏离书原来的平衡状北态，则称该系才统处于非稳定锅平衡状态。建随遇平衡的定傅义贿：蠢当一个平衡系丽统在小扰动作摸用下，偏离平浊衡位置一个任因意微小距离，般当扰动消失后牵停留在新的平油衡位置，则称驶为随遇平衡。咸以上四种非稳权定平衡现象都袄具有以下特点短：陈1拔、不需要外部爹对系统进一步遥施加能量，在费小扰动下可自拣行发生；倚2差、平衡状态的竿变化和破坏是凝突然发生的。液三、岩爆发生已的机理卷(灾条件或准缎则什)恒考察试验机与相岩石组成的力业学系统：加趋载影亲—沿仅受载系统的力狸学模型（试验敏机拍—洁岩样系统的力塌学模型）迹假设：岩样发统生破坏以前，粱试验机与岩样疮处于准静态加覆载过程。参系统的力学特朽性规：扬1盟、试验机在弹绵性范围内工作粮，因此P=Kum性式中块K况—捞试验机刚度，节u辱m紧—缩试验机变形（下解释：适u洒m市不是应变是位薯移）乖2尘、岩样与试验迎机组成串联系尊统P=R弟式中轨P处—洞试验机受力；嘱R帝—花岩样受眉力弱试样a试样a—试验机的全位移；u—岩样端面位移au试验机岩样鄙3钉、岩样具有应盆变弱化的本构联特性岩石应力岩石应力—应变全过程曲线0虽岩石与金属力腔学性质的主要飘区别在于岩石尤有应变弱化蛾。翠按照岩石的统宴计损伤理论，泛岩石应设力址—象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0基E帆验—旱岩石的弹性模屈量，皆—碌岩石的强度。搭岩样载故荷叙—俯位移曲线的模倍拟关系，载式中广—缠岩样的初始刚滨度仪试验合机偶—贤岩样系统的力终学模型耳从岩样变形速牙率讨论试验刊机窝—阴岩样系统的不柜稳定性或岩样破坏以前彻的准静态加载直过程、加载速众率夸式中威，蓝，讯—怎岩样的准静态流变形速率，梁—象试验系统的准假静态变形速率岩样变形速率革若岛，则由于有垂总取限值，因浆此鼠，这意味着岩生样变形失稳。版对岩样变形失烦稳径（破坏）条件牢的讨论：专1兼、庄可以取负值，株即邻岩样具有应变浇弱化特性胁(浪这是岩石自身村的性质桑)垫；港2雀、系统所受的约载荷足够大，申足以使岩石进桐入过岩石峰值解强度以后的变逝形区，即岩石要应、闻力财—舌应变全过程曲手线的后半麻段似(味外部条件没)疯；卸3朗、在过岩石峰艇值强度以后的黎变形区，即帝时，有深(粘系统特性笔)蚕。捕从变形过程中辽试验机和岩样筋受力和能量的掩不平衡讨论试类验抖机执—典岩样系统破坏厉的不稳定性宪1戏、当岩样位于疗峰值强度以前晒的变形区缝—统岩样的峰值强也度，挂—道岩样峰值强度关对应的岩样压哲缩，递—棚系统处于非稳鉴定平衡时岩样摔的临界位移，场—共系统处于非稳死定平衡时岩样波的临界载荷。遇特点：只有向摩系统持续输入呆能量或增加载追荷，岩样和试染验机才能发生择进一步的变形嚷即系统的平衡亩是稳定的。脏2居、当岩样进入钳峰值强度以后怨的变形区，试是验机刚度小于业岩样的负刚度新，即旗时系统平衡的迟失稳与岩样的再突然破坏。槽(1分)庙、当俯时，哨，试验机卸载红（弹性恢复）云释放能量。胖(2棉)灾、岩样继续压名缩，消耗能量促，但随压缩变割形的增加，强罪度同步降低。渔当肚时假设有一小捏扰动使岩样发湾生进一步变形叠u幼，则有智(3泊)耻、试验机加于双岩样上的力超刘过了岩样的瞬距时强膨度凝—馋即岩样能够承耀受的力，枣，挤(译)盛。愧(4臭)皆、试验机弹性法恢复，在这个徒过程中，试验格机释放的能量弃大于岩样继续哨破坏所需要的悄能量，妨(咐)警。嘴(5甘)盐、舰越大，试验机作出力与岩样受隐力之间的不平脸衡，和试验机馒释放的能量与验岩样变形消耗板的能量之间的谱不平衡（病和创）越大，引起散岩样变形加速限，直到亭为止。蚊特点：一婶个任意微小扰弯动可以导致岩篮样的突然破坏简（变形突然加虑速），并引起玻系统突然释放宴能量危。浑结论：妈当岩样的变形除达到纳时，如果试验伏机刚度小于岩停样的负刚度凝时，试验酱机卡—延岩样系统处于糠非稳定平衡状燕态冰。盯系统失稳和岩吉样突然破坏的室条件：扎(1巨)渔、岩样进入峰茧值强度后的变租形区，拒；屯(止综合了岩样与从试验机的特性哨，系统的特性余，必要条嗓件猛)觉(2朝)湾、在岩样过峰摆值强度以后的庭某个变形区内转都有，试验机颠刚度小于岩样威刚度，载。也(誓充分条室件霉)国3现、当岩样进入扛峰值强度以后准的变形区，试裁验机刚度大于度岩样的负刚度佣，系统稳定平残衡。资特点：进入过堤峰值强度以后巡的变形区，只梳有向系统持续聪输入能量或增吃加载荷，岩样航和试验机才能垦发生进一步的惹变形漏。劣(架例如刚性试验乓机和岩石的应串力应变全曲犯线竹)扰4新、加帆载叶—遵受载系统的随关遇平衡逃注意：在实践禽中，无限小扰织动实际上是有云限小扰动笼四、岩爆的定般义傲(窜不仅从现象上检而且从理论揪上捞)屡岩爆是矿山岩港体结构处于非据稳定平衡状态严时，由小扰动薯引起的岩体突捏然破坏和系统瓦瞬间释拔放义(蒸大请量括)跌能量的现象谈。石五、加凳载砖—行受载模型长（试验谅机逗—遣岩样系统）种解释岩爆的能作力势(1膨)拉、可以解释岩沿石破坏造成大厅量能量释放的杏突然性阀；程(蛇根据在只需要叮有任意小扰动合和不需要外界换向系统进一步勿输入能杯量堡)岗(2奥)状、可以解释无驱明显前兆，自容行破坏骤；液(喇同样根据只要时有小扰动作用拥和不需要外界矛进一步输入能绿量瞒)絮(3季)摇、可以解释突弄然破坏和破坏既过程极其迅速核；（力与能量团的不平衡）矩(4感)添、可以解释小膛扰动下发生突叛然破坏；眠(5自)视、无法解释破住坏的滞后性；皂(6溪)杀、该模型还可摸以解释岩爆终傍止；漫特别注意：与诸压杆和薄壳的枯几何失稳不同位，岩爆是围腿岩谷—股矿体系统的物奇理失稳，而试术验亩机辆—迈岩样系统是模欠拟岩爆物理失状稳的理想模型符。喜从上面的讨论找还可以看出：灵当加籍载蔑—花受载系统处于谜非稳定平衡状锈态时，不需要芹外部向系统输器入能量，仅仅星一个任意微小壶扰动就可以决诱发散岩爆。岩爆的他发生过程是加舌载扒—俭受载系统内加纯载体和受载体组之间应力迅速糟调整的过程，磁还是加载体和记受载体之间能柄量迅速转移的屡过程，在临近备岩爆发生前的真孕育过程欣和糕岩爆发生过程渣中，别这些过程是系丰统的内部过程糠，在外部很难蛙探测到，因此再岩爆的预测十踢分困难娃，至今仍是岩循石力学中的一教个难题。鸡加跑载私—脱受载模型的其牵他应用OO灯(1胸)极、地震的前兆皆变形奇率森(筐即临近地震发客生时大地变形霉速率的增看加溪)偏；息(2旨)贼、地震的前兆况应力降神(泽即临近地震发倘生时地壳应力果下楼降放)窑；虚(3凤)眯、地震的失稳阁应力降屿(慈地震发生前后乓地壳应力的降隙低界)果；紧(4帝)或、地震空区（矮声发射论）朗(止即临近地震发芳生时声发射事汽件数的减农小绍)绩。嫂问题与思考：宝爆破引起的岩叔石动力破坏与溪岩爆动力破坏旷之间的区别与猛联系圈六、岩爆发生责条件副1畏、岩爆发生的匠充分条件：失状稳破坏过程中说矿体消耗的能常量小于系统释姿放的能量；熟2警、岩爆发生的炭必要条件：挨矿炮体撕—导围岩系统处于毁非稳定平衡状浮态锯条征件鱼2扔是岩样突然破展坏的条件。吨上述结论是通丰过对翻试验夜机据—忍岩样系统的研个究得到的，松像窑“刚弹模性鼠”尺、充“事塑胁性预”康一样，试验误机兵—蚊岩样系统是模渗拟岩爆物理失随稳的理想模型市。是通过对实滑际现象和过程船的抽象得到的叨。底但印是够“往抽象化的方法色（有意弃去它梨的次要属性而糖仅保留主要的经）不仅对于工普程实际目的是漂完全许可的，查而且是科研认顷识过程的条件捧之一精。别”鬼“竟从具体的东西讯上升到抽象的项东西，思维不贝是离朝开暖化—病歌如果它是正确敢的且话熄际—丽毕真理而是接近含真研理枕”均—朋—碌拥摘自列宁《哲非学笔记》粗将加载体和受旬载体组成的系帅统作为研究对渗象，与经典力狠学的研究方法荒有本质区别。表1缩、棉经典力学填仅仅研究外部共作用下的受载却体。但是对岩潮爆发生过程的秩研究需要考察旱加载体与受载扎体组成的变形搅力学系统；蓝2架、在彩经典力学中著受载体的外部欠作用是已知的平，但是在岩爆是发生过程中，龙加载淡体花(部围扑岩迎)慧作用在受载流体踪(数矿循体练)锻之上的载荷是摊变化的。架3勇、放经典力学所研踪究的平衡失稳缩多是由于特殊轻的几何形状引少起的，称之为绑几何失稳。但醉矿体具有应变每弱化的本构特纽性程是筐(伸围喘岩秧当—已矿体的失稳的嫌重要条件。陷七、变形系统源平衡失稳观点而在岩爆研究中斥的应用恨1竿、坚硬顶板下跑，矿柱突然破协坏的岩爆11233P樱1柳、坚硬顶板肥；孔2伙、矿柱占；岂3贷、矿体存试验谢机救—令坚硬顶板；岩麦样沃—静矿柱萝2剩、圆形巷道岩篇爆11234应变软化区偏1妨—筋巷道亡；码2山—鸽塑性区（应变厚软化区）爷；压3涝—幼弹性区炼；铁4铲—谅围岩。亭试验挽机伞—廉弹性区岩体；乎岩豆体宽—责塑性区岩体剥3冈、其他应用。厘八、关于岩爆论发生的理论1、强度理论O三2吩、冲击倾向理幕论O3、刚度理论4、失