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。蛋岩爆发生医的现象和邀特点宰：却1匙、破坏范厉围大、能制量大氏；莲2两、无明显狱前兆的情税况下，自燥行发生破稍坏，难以征预报戏；究3先、破坏时拨可以有巨引大声响，晶破坏及其栏迅速浅；饶4息、小扰动纳下会引发抱岩爆专；届衔5败、岩爆有转滞后发生袍的现象站；芽6披、岩爆引怒起的岩体还突然破坏家不需要外千界向系统狡进一步输舒入能量，话因此与爆衔破载荷引竟起的岩体脚动力破坏够有实质区蚕别。半岩爆发生话的初步的时定杰义摇(搏从现象正上台)蠢：逃岩爆是岩捧石（体）荣猛烈破坏五并释放大墨量能量的抹现象壳。朴岩爆是岩滋石（体）鼓的一种特涝殊的破坏宝形式，并聪可以得出旺如下结论趣：态1封、岩爆不生能简单地技等同与岩巴石的破坏手；壳2姑、岩爆所瑞表现出的废岩石破坏贼的动力性吼，不同于涨爆破引起侧的岩石动劣力破坏。酿问题与思沈考：岩爆累与普通岩盐石破坏的栽根本区别什是什么？愈“供科学研究眯的区分，筑就是根据燥科学对象域所具有的哗特殊的矛唯盾性。因漂此，对某冷一现象所早特有的某写种矛盾的舒研究，就历构成某一纯门学科的疗对象阳。饰”摘（毛泽东无《矛盾论俯》）式库克认为泡：墓“淹岩体发生齿破坏，引施起矿运体诱—吓围岩力学叶系统平衡疏状态破坏缠时，若其乞释放的能盆量大于消话耗的能量背，将产生享岩爆穗。章”煮岩爆与通葛常岩石破赚坏的本质迹区别在于冈：稠1尤、破坏的榜突然性丈；蛋2耻、破坏过忠程中有多榆余象的帆(裹有时是大蔽量馒的闹)放能量释放宪。毫二、经典霸力学关于厅非稳定平器衡和突然动破坏的研尾究再1忙、压杆失脱稳羡2核、铅笔的炉稳定平衡西与非稳定熔平衡mgmgmg岔3浑、小球的品稳定平衡认、非稳定杯平衡和随矩遇平衡妥4既、薄壁结吐构的失稳敬破坏录稳定平衡麻的定义举：肃当一个平防衡系统在慕任意微小谨扰动作用孤下，偏离疗平衡位置呈一个微小轰距离后，胶立即会产竭生一种作报用，使其现回到原来病的平衡状产态，则称脏该系统处至于稳定平顶衡状态。圈非稳定平筒衡的定义屋：误当一个平闪衡系统在蓝任意微小睁扰动作用晚下，偏离赶平衡位置迁一个微小蹦距离后，胞立即会产胀生一种作手用，使其膨继续偏离垦原来的平恢衡状态，生则称该系衫统处于非贤稳定平衡拼状态。穿随遇平衡得的定义潮：艇当一个平亚衡系统在波小扰动作还用下，偏絮离平衡位杰置一个任珠意微小距肉离，当扰碧动消失后坛停留在新哥的平衡位歼置，则称搅为随遇平孙衡。诱以上四种汤非稳定平构衡现象都付具有以下剖特点：句1户、不需要好外部对系偿统进一步累施加能量叨，在小扰具动下可自托行发生；莲2吹、平衡状唱态的变化酷和破坏是燥突然发生盟的。氏三、岩爆盼发生的机然理疲(坡条件或准俭则交)鬼考察试验皇机与岩石稠组成的力酒学系统：烦加美载胃咸—福绑受载系统达的力学模鹿型（试验筹机挡—渠岩样系统密的力学模宵型）香假设：岩吵样发生破餐坏以前，盯试验机与脉岩样处于橡准静态加安载过程。狱系统的力荐学特性武：仅1突、试验机胁在弹性范盐围内工作衬，因此鸭P咸=促Ku移m猴式中籍K补—鼻试验机刚晕度，灯u赴m炮—潮试验机变浓形（解释磁：面u温m返不是应变雨是位移）探2锅、岩样与僵试验机组盟成串联系某统P=R艘式中凡P辱—弯试验机受殊力；垄R玩—艺岩样受呜力叙试样a试样a—试验机的全位移；u—岩样端面位移au试验机岩样优3闷、岩样具讲有应变弱帆化的本构鹅特性岩石应力岩石应力—应变全过程曲线0亏岩石与金缸属力学性介质的主要男区别在于威岩石有应懂变弱化村。匀按照岩石偿的统计损丈伤理论，睁岩石应翅力钞—国应变关系束为对岩石应力—应变全过程曲线的模拟0菜，惨脊对岩石应力—应变全过程曲线的模拟0拦E丝—疤岩石的弹盯性模量，仪—用岩石的强搅度。茶岩样载侨荷胃—庭位移曲线往的模拟关夫系，辱式中慨—及岩样的初商始刚度逼试验排机半—侄岩样系统朋的力学模他型个从岩样变主形速率讨竖论试验垄机筹—奔岩样系统紫的不稳定如性守岩样破坏宜以前的准柏静态加载丑过程、加坡载速率亮式中蒜，都，妇—般岩样的准捷静态变形皂速率，乖—游试验系统警的准静态功变形速率两岩样变形盒速率驱若仪，则由于栗有欣总取限值吩，因此缠，这意味源着岩样变驰形失稳。磨对岩样变杏形失稳色（破坏）革条件的讨腹论：讯1习、秃可以取负致值，即搜岩样具有番应变弱化拐特性警(规这是岩石屿自身的性胖质况)眉；灿2夸、系统所家受的载荷冠足够大，壮足以使岩错石进入过拉岩石峰值雾强度以后堵的变形区业，即岩石主应、妈力佛—永应变全过伤程曲线的蛮后半竭段般(样外部条件心)详；消3际、在过岩绍石峰值强怜度以后的炕变形区，阁即觉时，有承(萝系统特性顷)再。北从变形过汽程中试验零机和岩样左受力和能斩量的不平饺衡讨论试役验偏机日—杀岩样系统含破坏的不杠稳定性瓣1扫、当岩样准位于峰值左强度以前泊的变形区辅—波岩样的峰粥值强度，挥—煌岩样峰值尊强度对应检的岩样压随缩，陆—变系统处于她非稳定平意衡时岩样累的临界位忧移，腔—锯系统处于毙非稳定平凤衡时岩样顿的临界载察荷。塞特点：只虏有向系统忘持续输入龟能量或增谢加载荷，定岩样和试刊验机才能纹发生进一友步的变形墙即系统的优平衡是稳完定的。介2吉、当岩样击进入峰值馋强度以后拉的变形区蛾，试验机挑刚度小于转岩样的负认刚度，即吧时系统平愉衡的失稳哄与岩样的沿突然破坏盲。睁(1刷)报、当劫时，靠，试验机亦卸载（弹枯性恢复）旨释放能量武。嫂(2租)挂、岩样继挣续压缩，油消耗能量街，但随压闷缩变形的天增加，强教度同步降棋低。修当狐时假设有益一小扰动鞭使岩样发护生进一步轮变形塞u拜，则有睁(3赠)球、试验机共加于岩样拥上的力超斥过了岩样股的瞬时强助度惜—余即岩样能缝够承受的屡力，直，膛(禽)摩。面(4横)膛、试验机至弹性恢复脑，在这个折过程中，批试验机释鼠放的能量驶大于岩样午继续破坏总所需要的搁能量，芳(先)萝。慌(5洪)阅、膜越大，试稍验机出力偏与岩样受忧力之间的奋不平衡，丑和试验机自释放的能术量与岩样卫变形消耗皮的能量之割间的不平某衡（率和晃）越大，体引起岩样脱变形加速栽，直到洪为止。穷特点：一椅个任意微耳小扰动可状以导致岩翁样的突然动破坏（变归形突然加兔速），并膊引起系统额突然释放倾能量衫。蝇结论：宫当岩样的侄变形达到睬时，如果相试验机刚敢度小于岩发样的负刚环度时时，试验膛机侧—该岩样系统净处于非稳密定平衡状络态蜡。拖系统失稳技和岩样突御然破坏的竿条件：椒(1匠)睛、岩样进泛入峰值强腰度后的变滋形区，技；其(宽综合了岩运样与试验抬机的特性隆，系统的横特性，必奴要条拿件话)栋(2在)孙、在岩样洲过峰值强卫度以后的心某个变形狠区内都有禁，试验机阿刚度小于阁岩样刚度沉，球。姨(鱼充分条拥件洋)摘3妙、当岩样血进入峰值白强度以后效的变形区帽，试验机某刚度大于识岩样的负愚刚度研，系统稳慕定平衡。归特点：进有入过峰值巩强度以后讽的变形区免，只有向吨系统持续丘输入能量短或增加载半荷，岩样过和试验机站才能发生涨进一步的线变形危。朋(蛋例如刚性还试验机和于岩石的应爷力应变全感曲况线半)毫4林、加愉载籍—猴受载系统默的随遇平彼衡详注意：在货实践中，侦无限小扰昏动实际上君是有限小掉扰动靠四、岩爆短的定义葡(董不仅从现户象上而且雨从理论壤上木)育岩爆是矿土山岩体结奇构处于非遥稳定平衡满状态时，云由小扰动朝引起的岩妄体突然破薪坏和系统街瞬间释饲放犁(离大设量淋)御能量的现兵象厅。誉五、加他载椒—排受载模型密（试验谷机希—压岩样系统缸）浴解释岩爆届的能力芒(1底)毙、可以解农释岩石破衫坏造成大虾量能量释怀放的突然刃性梦；瓶(告根据在只丈需要有任袋意小扰动贤和不需要丝外界向系势统进一步奇输入能怜量坝)唉(2缸)健、可以解搞释无明显独前兆，自糟行破坏险；燥(新同样根据省只要有小舌扰动作用味和不需要征外界进一火步输入能嚷量讨)象(3谋)梁、可以解或释突然破杂坏和破坏扁过程极其群迅速；（枯力与能量溉的不平衡勇）伍(4轧)缎、可以解浩释小扰动妇下发生突席然破坏；份(5辟)霞、无法解浸释破坏的弟滞后性；脸(6柳)烤、该模型企还可以解赢释岩爆终内止；肚特别注意庭：与压杆拿和薄壳的徒几何失稳妖不同，岩涌爆是围辣岩恶—怎矿体系统划的物理失味稳，而试蒙验盟机蛙—底岩样系统惰是模拟岩而爆物理失近稳的理想茶模型。输从上面的疗讨论还可章以看出：下当加腊载喜—拜受载系统竿处于非稳极定平衡状摸态时，不胆需要外部丧向系统输细入能量，赤仅仅一个续任意微小病扰动就可缠以驼诱发器岩爆。岩核爆的发生抓过程是加迫载涛—岩受载系统泼内加载体摇和受载体吵之间应力勾迅速调整平的过程，暑还是加载刃体和受载您体之间能穗量迅速转敬移的过程育，在临近歼岩爆发生腰前的候孕育过程响和催岩爆发生拾过程叨中，每这些过程沃是系统的絮内部过程音，在外部赵很难探测桂到，因此衰岩爆的预妇测十分困报难道，至今仍贵是岩石力贞学中的一旱个难题。扬加练载筐—屠受载模型朱的其他应研用OO别(1崇)月、地震的誓前兆变形鹊率零(罩即临近地席震发生时罚大地变形永速率的增样加林)档；航(2泊)切、地震的虾前兆应力骆降恭(绘即临近地后震发生时拒地壳应力烦下轰降羊)虹；劳(3屡)锦、地震的亦失稳应力贸降界(倦地震发生扮前后地壳织应力的降祸低食)侍；冠(4律)发、地震空控区（声发喝射哪）牢(揉即临近地蒜震发生时狸声发射事途件数的减贤小攻)夫。佛问题与思幕考：虚爆破引起姥的岩石动摇力破坏与王岩爆动力神破坏之间输的区别与料联系召六、岩爆版发生条件鞋1安、岩爆发话生的充分鬼条件：失迟稳破坏过尿程中盖矿体消耗李的能量小妹于系统释械放的能量孤；魄2离、岩爆发惩生的必要赶条件：贞矿对体估—俯围岩系统疑处于非稳醋定平衡状麦态支条乒件摩2钻是岩样突蹄然破坏的陷条件。搁上述结论途是通过对荒试验丰机顺—哄岩样系统险的研究得械到的，袋像校“初弹束性仙”烈、容“桶塑尚性叫”积一样，试肺验皇机渐—引岩样系统轰是模拟岩仿爆物理失驰稳的理想怨模型。是辩通过对实橡际现象和仰过程的抽逆象得到的宏。亩但抽是裕“太抽象化的经方法（有世意弃去它底的次要属引性而仅保撇留主要的相）不仅对鸽于工程实垮际目的是芹完全许可嚷的，而且犬是科研认腥识过程的扶条件之一迎。劣”拌“迅从具体的单东西上升尼到抽象的昂东西，思薪维不是离细开新尖—跃长如果它是妹正确的每话拾谱—爆雅真理而是正接近真例理慧”贫—葛—购先摘自列宁贯《哲学笔聋记》域将加载体多和受载体盛组成的系流统作为研挣究对象，丝与经典力舱学的研究者方法有本逆质区别。崖1孟、航经典力学已仅仅研究武外部作用卫下的受载育体。但是蛙对岩爆发粘生过程的档研究需要聪考察加载走体与受载哪体组成的北变形力学闸系统；墨2清、在围经典力学忙中拿受载体的辛外部作用捎是已知的惕，但是在偷岩爆发生赵过程中，六加载殊体纱(狼围执岩怜)牺作用在受广载辅体孝(狭矿耻体攀)烤之上的载舰荷是变化拘的。躺3销、怎经典力学必所研究的树平衡失稳洽多是由于唉特殊的几削何形状引侨起的，称充之为几何肌失稳。但柴矿体具有啦应变弱化山的本构特循性最是蔽(数围滚岩刮厘—轮矿体的失密稳的重要衰条件。梯七、变形参系统平衡塌失稳观点照在岩爆研社究中的应睡用歇1倘、坚硬顶吧板下，矿卷柱突然破玻坏的岩爆11233P搁1蚀、坚硬顶做板芽；狠2盯、矿柱既；虏3耐、矿体档试验乔机辟—昏坚硬顶板莲；岩巩样盗—从矿柱瑞2忘、圆形巷崖道岩爆11234应变软化区裳1无—符巷道识；衡2药—峰塑性区（贪应变软化外区）峡；币3厅—右弹性区唇；贫4撤—当围岩。旬试验灰机遭—瓦弹性区岩篮体；岩鱼体极—天塑性区岩罗体阀3砌、其他应社用。萝八、关于搏岩爆发生宣的理论猛1趋、强度理潮论O嘱2毅、冲击倾哀向理论O关3贱、刚度理合论胁4宗、失稳理杏论