【岩爆相关问题研究现状文献综述6200字】

岩爆相关问题研究现状文献综述岩爆形成机制研究现状研究岩爆形成机制是岩爆预测以及防护措施研究的重要前提。经过多年以来的研究论证，国内外不同学者从不同维度提出了一系列理论，其中最具代表性的理论有能量理论、刚度理论、强度理论、失稳理论、断层破坏理论、力偶破坏理论等，但是到目前为止学术界还并未形成对岩爆形成机制的统一认识。下文列出几种典型的岩爆形成机制解释理论：强度理论相关学者从岩石的破坏准则与破坏方式出发，借鉴传统力学有关材料强度的概念提出了岩爆形成机制的强度理论。强度理论是人们对岩爆现象最为朴素的认知。早期观点认为，由于各类地下工程的开挖，导致围岩当中部分区域出现应力的高度集中，由此为岩爆的发生提供了必要条件，即围岩的局部应力超过岩体自身强度REF_Ref6888\r\h[33]；时至今日，后期的强度理论更加注重于研究分析“矿体-围岩”体系的平衡，主要通过提出全新的岩体结构模型，构建全新的力学模型，对这些模型进行量化分析。Hoek对带圆孔的石英板进行二向加载试验，虽未得到岩石破坏的全过程，但他认为剪切破坏是岩爆的主要成因REF_Ref9641\r\h[34]。潭以安REF_Ref9647\r\h[35]认为岩爆是张裂与剪切破坏共同作用的产物且是一个渐进破坏过程，其形成过程大致分为“劈裂成板-剪断成块-块片弹射”三个阶段。单冶刚REF_Ref9650\r\h[36]认为岩爆是脆性岩石的断裂失稳，其具体的破坏形式包括剪切破坏与拉裂破坏。杨淑清REF_Ref9657\r\h[37]以天生桥引水隧洞为背景，进行了岩爆机制物理模型试验，试验结果显示围岩受劈裂破坏与剪切破坏的两种机制共同作用。王青海REF_Ref9664\r\h[38]等按岩爆形成的力学表现形式，将岩爆破坏类型分成劈裂破坏型、剪切破坏型和弯折内鼓型三种破坏形式。能量理论REF_Ref11656\r\h[39]REF_Ref11665\r\h[46]能量理论认为当岩体破裂时其所释放的能量超过岩体破坏过程中所需要的能量时，就会发生岩爆现象REF_Ref10248\r\h[47]REF_Ref10255\r\h[48]。该理论从能量来源变化的角度对岩爆进行了科学解释，其研究基础是能量守恒定律。上世纪60年代，CookN.G.W等人总结南非金矿研究成果并提出了能量理论，并指出产生岩爆的必要条件是矿体围岩系统在其力学平衡状态破坏时所释放的能量大于所消耗的能量。波兰学者KidybinskiREF_Ref12769\r\h[49]提出了弹性能量指数WET并用来预测岩爆。范永慧REF_Ref12779\r\h[50]等通过分析认为岩爆的能量积累与耗散与地应力作用以及晶体结构断裂有很重要的关系。潭以安REF_Ref12782\r\h[51]通过分析认为岩爆有效弹射能与弹性应变能指数、应力下降指数以及岩石脆性指数之间存在一定的联系，并提出了岩爆的弹射性能综合指数Krb判据。能量理论很好解释了岩爆的动力源问题，从能量角度揭示了岩爆的发生机理，但该理论的不足之处在于它不能确定围岩爆裂岩体的具体范围，因而不能具体地说明平衡状态的性质与破坏条件REF_Ref12792\r\h[52]。刚度理论刚度理论认为岩爆发生的必要条件是矿山结构刚度水平高于其负载系统的刚度水平REF_Ref13200\r\h[53]-REF_Ref13203\r\h[54]。该理论简单直观，能够对岩爆发生的原因进行全面解释。但是刚度理论不能给出矿山结构与其负载系统的划分及其刚度的明确概念，并且采用刚度理论对岩爆进行预测，需要获取矿山结构与围岩刚度，以上两个参数难以获取具体的数值，而且也未考虑矿山系统自身的能量积聚与耗散，因此导致刚度理论难以被广泛应用于实践。岩爆烈度分级研究现状为了更加方便科学研究及指导工程施工，相关学者对岩爆烈度分级的进行了研究。各国学者同样有着不同的认知，主要的烈度分级方案如REF_Ref201\h表STYLEREF1\s1-3所示。表STYLEREF1\s1-SEQ表\*ARABIC\s13国内外岩爆烈度分级方案对比表REF_Ref13634\r\h[55]REF_Ref13638\r\h[60]方案提出者岩爆烈度分级及主要依据G.布霍依诺轻微损害对施工和生产无影响中等损害对施工和生产有较大影响，往往会导致施工和生产中断严重损害可能造成人员伤亡，机械损毁，工程停滞谭以安弱岩爆（Ⅰ）伴随噼啪声响的岩石新鲜面脆性破坏，动力弹射破坏力较小中等岩爆（Ⅱ）有较强烈的动力弹射现象，伴随似子弹射击声，破坏力一般，对施工和生产影响较小，设备鲜有损坏强烈岩爆（Ⅲ）动力弹射现象剧烈发生，并向洞壁深处蔓延，声音似炮击轰鸣，施工和生产基本中断，威胁人员和设备安全极强岩爆（Ⅳ）相比强烈岩爆，持续时间更长，声音似阴雷滚滚，施工和生产停滞，严重威胁人员和设备安全成都铁二院弱岩爆中等岩爆强烈岩爆西安中交一公院微弱岩爆（一级）中等岩爆（二级）剧烈岩爆（三级）王兰生教授等轻微岩爆（Ⅰ）中等岩爆（Ⅱ）强烈岩爆（Ⅲ）剧烈岩爆（Ⅳ）岩爆预测预报研究现状在实际工程建设当中，岩爆的预测是确保施工安全的重要环节，因此准确的预测岩爆灾害，需要一套科学准确的岩爆判别体系。在涉及到岩爆风险的工程项目中，多采用的岩爆预测方法一般分为三种：一是从岩爆发生机理的角度出发，做出一系列理论判断；二是根据现场的检测数据，寻找规律，及时作出岩爆预警；三是通过现代数学理论和相关工程知识，融合多种影响因素，进行判别。强度理论判据强度理论判据主要通过计算应力强度比，对比判据指标，进而得出岩爆等级判别结果。常用的判据分为以下几类：RussenseREF_Ref18389\r\h[61]判据该判据对岩石进行点荷载试验，将点荷载强度转化为单轴抗压强度，结合洞壁最大切向应力建立Russense判据，目前是国内外使用较为广泛的强度理论判据。判据形式为：/Rc＜0.2 （无岩爆发生）0.2≤/Rc＜0.3 （轻微岩爆）0.3≤/Rc＜0.55 （中等岩爆）0.55≤/Rc （强烈岩爆）陶振宇判据我国学者陶振宇REF_Ref18399\r\h[62]通过研究Barton判据和Russense判据发现，虽然以上两个判据在国外岩爆案例中应用较为广泛，且得到了较准确的预测结果，但并不完全适用于我国的岩爆问题，于是他根据我国岩爆问题的研究现状，给出了如下岩爆判据：Rc/＞14.5 （无岩爆发生）Rc/＝14.5~5.5（轻微岩爆）Rc/＝5.5~2.5 （中等岩爆）Rc/＜2.5 （强烈岩爆）我国学者张镜剑REF_Ref18402\r\h[63]认为，陶振宇提出的当Rc/≤14.5时，围岩发生岩爆的情况较为罕见，于是他对陶振宇判据的分界值进行了修正，修正结果如下：/Rc≤0.15（无岩爆活动，无声发射现象）0.15＜/Rc≤0.20（低岩爆活动，有轻微声发射现象）0.20＜/Rc≤0.40（中等岩爆活动，有较强声发射现象）/Rc＞0.40（高岩爆活动，有很强的爆裂声）GB50487判据REF_Ref18409\r\h[64]Rb/=4~7（轻微岩爆）Rb/=2~4（中等岩爆）Rb/=1~2（强烈岩爆）Rb/＜1（极强岩爆）式中：Rb为岩石单轴饱和抗压强度。还有王兰生判据、王元汉判据、关宝树判据等，此处不做赘述，详见3.2小结。能量理论判据岩爆的发生不仅取决于应力强度比，还和岩石自身储存弹性应变能的属性有一定的关系。能量的释放也是岩爆发生的重要特征。KidybinskiREF_Ref19248\r\h[65]通过对波兰煤岩的力学试验结果研究，提出了如下判据：Wet＜2.0（无岩爆倾向）2.0≤Wet＜5.0（中等岩爆倾向）Wet≥5.0（强烈岩爆倾向）式中，Wet为卸荷滞留的弹性应变能Ee和耗损的应变能Ep的比值，常被称为岩爆倾向性指数.SinghREF_Ref19251\r\h[66]通过对硬岩的力学试验结果研究，得出了针对硬岩的岩爆倾向性指数判据：Wet＜10（无岩爆倾向）10≤Wet＜15（中等岩爆倾向）Wet≥15（强烈岩爆倾向）上述两种判据指标差别较大，前者主要针对煤岩，后者主要针对硬岩。深度准则深度准则认为，即使不存在构造应力，在在上覆岩体的自重应力的作用下依然会发生岩爆，侯发亮REF_Ref19261\r\h[67]推导出了岩爆临界深度计算公式：（1-2）式中：μ—岩石泊松比；γ—岩石容重。岩爆防治措施研究现状岩爆的控制是世界性难题，目前对于岩爆的控制技术研究主要是基于静力学研究基础，由此提出了软化围岩、加固围岩、应力转移的防治理念。相应地形成了区域防范、局部解危和岩爆支护等“三位一体”的三大类岩爆控制措施REF_Ref14628\r\h[24]REF_Ref15251\r\h[26]。设计阶段，选址应当尽量选择不易发生岩爆地应力较低的地区，但是当无法避免地选址在高地应力区时，设计时应当让地下洞室或隧道的洞轴线与地应力最大主应力方向平行，这样可以有利于防止岩爆发生或是降低岩爆烈度等级REF_Ref20015\r\h[68]。施工阶段，岩爆防治措施在国内外工程实际中的应用主要有以下三大方面REF_Ref20525\r\h[69]REF_Ref20531\r\h[72]：（1）积极改善围岩条件：喷洒冷水，保持岩石表面湿润。（2）改善围岩应力条件：控制光爆效果；全断面开挖，一次成形；采用钻爆法施工时，应当控制进尺，以短进尺掘进。（3）加固围岩：一般采取喷锚加固。如对于岩爆巷道，美国LuckyFriday矿中的支护形式为树脂浆高强度变形筋、链接式网和管缝式锚杆；澳大利亚BigBell矿采用高压充气的摩擦型锚杆，如Swellex锚杆；南非WestDriefovten矿采用锚网加索带形式，并采用高强度的Shepherd’scrook锚杆；加拿大SudburyStrathcona矿进行了各种喷射混凝土支护方面的研究。对于交通隧道的岩爆支护，以瑞士、挪威等国为代表的欧洲国家在交通隧道岩爆段支护中也基本采用喷砼（或钢纤维混凝土）+锚杆的联合支护REF_Ref27941\r\h[73]REF_Ref27947\r\h[74]，如瑞士在15.4km长的Furka隧道（最大埋深1520m）中岩爆段采用了喷射混凝土+系统锚杆的支护体系，有效控制了岩爆发生REF_Ref28042\r\h[75]，挪威在Heggura公路隧道中岩爆灾害段同样采用了锚杆(未加预应力)+钢纤维混凝土的支护型式REF_Ref28192\r\h[76]。我国典型地下岩爆工程中对于岩爆的处治措施与国外类似，基本上也是采用喷混凝土、喷钢纤混凝土、锚杆加密加长、挂钢筋网、增加钢支撑等措施。基于动力学研究的针对岩爆支护的“释能”理念被提出，所谓释能，即支护系统在实现支护的同时，达到释放部分岩体能的目的。如冯夏庭等REF_Ref28176\r\h[77]提出了以微震预警和“减少能量聚集–预释放和转移能量–合理支护吸收能量”防控对策为主要基础的岩爆动态调控理论；刘思妤、徐则民REF_Ref28215\r\h[78]等从岩爆发生过程中动-静力耦合效应分析出发，提出了以动静组合为核心的岩爆支护理论；汪波REF_Ref7889\r\h[79]等通过对现有岩爆支护的研究，总结出目前主要采用被动支护体系，其对低烈度岩爆较为有效，而对剧烈岩爆的防护作用十分有限。支护体系应具备主动支护及吸能释能两大功能，既要求支护体系能迅速提供径向支护阻力，还具有一定的延伸性，从而达到吸收能量和释放能量的效果；并根据上述两点认为锚杆为唯一可实现主动支护的构件。对比国内外岩爆支护体系可以看出，岩爆支护形式上大体相同，基本以锚网喷支护系统为主，必要时增设格栅钢架。我国《公路隧道设计细则》REF_Ref28225\r\h[80]推荐的岩爆段支护参数设计表（REF_Ref308\h表STYLEREF1\s1-4）便是以这一支护系统为主的典型体现。表STYLEREF1\s1-SEQ表\*ARABIC\s14岩爆地段初期支护参数表岩爆程度锚杆喷射混凝土钢筋网钢支撑轻微岩爆（Ⅰ级）φ22mm砂浆锚杆，加垫板，长2m，间距120cm，梅花形布置C20，厚10cmφ6mm,20cm×20cm中等岩爆（Ⅱ级）φ22mm砂浆锚杆，加垫板，长2～2.5m，间距100cm，梅花形布置C20，厚10~12cmφ8mm,20cm×20cm必要时，增设格栅钢架支撑强烈岩爆（Ⅲ级）φ22mm砂浆锚杆，加垫板，长2.5～3m，间距50～100cm，梅花形布置；掌子面可采用φ40mm超前缝管式锚杆加固，长3.5m，间距1.5～2.0mC20，厚12cmφ8mm,20cm×20cm增设格栅钢架支撑岩爆试验研究现状关于岩爆的力学实验，国内外都进行了大量的研究工作，从单轴压缩试验、双轴加载试验、常规三轴试验到真三轴试验都曾有过尝试，并且基于人为扰动的作用，国内外学者进行了许多动静组合荷载岩爆试验。根据试验的控制方法可分为加载试验与卸载试验。主要的成果简述如下。1.单轴压缩岩爆试验：对岩爆的发生机理，许多学者采用对脆性岩石进行单轴加载的方法近似模拟岩爆的发生REF_Ref30308\r\h[81]。最早进行岩爆实验的是20世纪60年代Cook进行的单轴压缩实验，认为该实验条件可以模拟某种岩爆的应力条件，如矿柱岩爆20世纪70年代Blake以及20世纪80年代佩图霍夫也进行了岩爆的相关实验研究。Salamon（1970）REF_Ref30315\r\h[82]分析了单轴加载系统刚度与岩石实验样品的力变形曲线的关系以及和现场岩柱与围岩的对应关系。SinghREF_Ref30325\r\h[83]（1987）通过单轴压缩实验，提出了用冲击倾向指数预测岩爆的可能性是一个可靠的指标，指出冲击倾向指数与岩石的脆性、压缩和点荷载强度、刚度模量和压缩波速度有很大的关系。Singh（1989）REF_Ref30328\r\h[84]根据单轴实验结果，指出利用下降模量指数和冲击倾向指数用来分析岩爆更好。冲击倾向指数与回弹硬度数和剪切波速有关。双轴压缩岩爆试验张艳博REF_Ref30335\r\h[85]（2002）对花岗岩和大理岩进行了双轴岩爆实验研究。左宇军REF_Ref30344\r\h[86]（2007）研究了岩石双轴等条件下的动静组合岩爆实验特征。Steif,PaulS.REF_Ref30351\r\h[87]（1984）利用双轴实验分析了假设应力强度因子是常数的条件下，翼形裂纹扩展与应力的关系。Barquins&M.Petiti,J.P.REF_Ref30357\r\h[88]（1992）利用双轴和单轴实验研究了在有预裂纹的情况下灾难性裂纹扩展条件与加载速率和局部的内应力场有关。三轴岩爆试验徐林生REF_Ref30361\r\h[89]（2003）进行了卸载状态下岩爆岩石力学试验。采用的是常规三轴卸围压试验，应用美国MTS815Teststar程控伺服岩石力学试验系统，采用位移控制研。给出了围压为零及一定压力下增加围压岩样破坏的特征，得出在低围压下卸围压对应弱岩爆现象，在高围压下卸围压对应强岩爆特征。但位移控制对岩爆试验的适用性有待研究。尤明庆REF_Ref30367\r\h[90]（2000）在《岩石试样的强度及变形破坏过程》一书中，汇总了大量的岩石室内试验成果，结合自己的研究课题，描述了岩样三轴应力状态下的卸围压过程，并与常规加载试验进行了对比。指出岩石在卸围压过程中，其强度未降低，但脆性增加。看来试验现象的理论分析显得更重要。Nemat-Nasser，S.&Horii,H.REF_Ref30371\r\h[91]（1984）通过单轴和三轴压缩实验分析了轴向片皮和剪切破坏分别是由单轴和三轴压缩条件引起的，并分析了裂纹的非稳定扩展和岩石的脆-延转化特征。丁向东REF_Ref30380\r\h[92]（2003）。等对南盘江天生桥水电站埋深400-800m的引水隧洞中的Ⅰ及Ⅲ类岩石，以10-3~10-7/s的不同应变速率进行了岩爆岩石力学模拟试验，得出了岩石脆性指数，岩石应力下降指数及有效动能指数。Ⅰ类岩石大部分发生了岩爆。本实验证明了比较完整的岩石容易发生岩爆。侯发亮REF_Ref30387\r\h[93]（1994）利用真三轴试验机进行了岩石真三轴实验，在模型材料中开挖孔洞模拟巷道破坏，并且进行了单向卸载实验，记录了岩石的应力与声发射特征。该实验是非常少见的岩石真三轴卸载实验的研究，并且是针对具体工程进行,结合了地应力资料，根据岩石材料内钻孔后在应力作用下的实验，获得了发生岩爆的临界应力，具有一定的指导意义。参考文献吴德兴,杨健.苍岭特长公路隧道岩爆预测和工程对策[J].岩石力学与工程学报,2005(21):167-173.徐林生.二郎山公路隧道岩爆特征与防治措施的研究[J].土木工程学报,2004(01):61-64.王兰生,李天斌,徐进,徐林生,靳晓光,李永林,姜云,牟力.二郎山公路隧道岩爆及岩爆烈度分级[J].公路,1999(02):41-45.郭志强.秦岭终南山特长公路隧道岩爆特征与施工对策[J].现代隧道技术,2003,40(6)：58-62.宋章,袁传保,杜宇本,等.成兰铁路某长大深埋隧道岩爆特征及成因机制[J].铁道工程学报,2016,（10）:66-72王庆武,巨能攀,杜玲丽,等.深埋长大隧道岩爆预测与工程防治研究[J].水文地质工程地质，2016，43（6）：88-94，100张弘.下坂地水利枢纽工程引水发电洞施工中岩爆特点及现场处理方案[J].水利水电技术,2012,43(10):60-62.张文东,马天辉,唐春安等.锦屏二级水电站引水隧洞岩爆特征及微震监测规律研究[J].岩石力学与工程学报,2014,33(2):339-348.吴勇.福堂水电站引水隧洞岩爆防治施工技术[J].四川水力发电,2003(02):91-94.SenfauteG,ChambonC,BigarreP,etal.Spatialdistributionofminingtremorsandtherelationshiptorockbursthazard[J].PureandAppliedGeophysics,1997,150:451-4591Driad-LebeauL,LahaieF,AlheibM.SeismicandgeotechnicalinvestigationsfollowingarockburstinacomplexFrenchminingdistrict[J].InternationalJournalofCoalGe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