【摘要】：巖爆是一種復(fù)雜的巖石力學(xué)行為,受多種因素共同影響,通常可以歸納影響巖爆發(fā)生的因素為兩類,即內(nèi)因和外因。內(nèi)因主要是針對(duì)巖石本身性質(zhì)及所處的圍巖環(huán)境,例如有高地應(yīng)力、圍巖巖性及巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造等,外因主要針對(duì)巖石自身受自然界或人力等外來(lái)因素,例如有巖石所處的水文地質(zhì)條件、人工開(kāi)挖施工因素、外界傳來(lái)的應(yīng)力波等。研究結(jié)果表明巖爆實(shí)質(zhì)上是一種儲(chǔ)存在巖體內(nèi)部的彈性應(yīng)變能得以突然釋放的過(guò)程,因此影響巖爆發(fā)生的主要因素其實(shí)也就是影響巖體成為巖爆高儲(chǔ)能體的因素。氋儲(chǔ)能的巖體更有可能發(fā)生巖爆,而成為氋儲(chǔ)能巖體的必備條件包括兩個(gè)方面,即巖體有足夠的能力儲(chǔ)存較大的彈性應(yīng)變能和巖體內(nèi)部產(chǎn)生高度的應(yīng)力集中。工程實(shí)例往往能夠表明巖爆發(fā)生傾向性,發(fā)現(xiàn)巖爆災(zāi)害現(xiàn)象更易發(fā)生在巖體內(nèi)部?jī)?chǔ)能較多且應(yīng)力集中程度很高的地方�；谇叭说难芯亢筒蛔阒�,并結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件,本文選取了影響巖爆的眾多因素中較為重要的三個(gè)因素,即卸載速率、巖石尺寸和巖石組合形式,利用深部巖爆模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),開(kāi)展了這三個(gè)方面的系列平行實(shí)驗(yàn)研究。深部巖爆模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括實(shí)驗(yàn)主機(jī),液壓加載系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)高速壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),聲發(fā)射(AE)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及高速攝影系統(tǒng)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三向六面獨(dú)立加載,某一水平方向單面突然卸載,能夠模擬地下巖體開(kāi)挖過(guò)程由三向六面受力的平衡態(tài)到開(kāi)挖引起單面卸荷、五面受力的應(yīng)力轉(zhuǎn)化過(guò)程。依據(jù)巖石巖爆發(fā)生機(jī)理,相對(duì)應(yīng)的提出了模擬三種巖爆類型的對(duì)應(yīng)加載方式,即“加載-卸載-軸向保持”來(lái)模擬瞬時(shí)巖爆,“加載-卸載-軸向加載應(yīng)力集中”來(lái)模擬滯后巖爆和“加載-單面逐級(jí)卸載、軸向逐級(jí)加載-軸向加載應(yīng)力集中”來(lái)模擬巖柱巖爆。基于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)特點(diǎn)和已有的研究成果,進(jìn)行了不同卸載速率、不同巖石尺寸和不同巖石組合形式的室內(nèi)巖爆實(shí)驗(yàn):(1)使用取自同一地點(diǎn)的均質(zhì)性較好的花崗巖樣品,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的開(kāi)挖方式,相對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)突然卸載、0.1MPa/s、0.05MPa/s及0.025MPa/s四種不同速率對(duì)最小主應(yīng)力方向進(jìn)行卸載,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著卸載速率的降低,巖爆臨界軸向最大主應(yīng)力隨之降低,與單軸抗壓強(qiáng)度的比值區(qū)間為1.25~1.77。巖爆破壞宏觀過(guò)程也有很大差異,卸載速率越大,碎屑彈射等動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象越明顯且最后巖石表面留下的爆坑深度大,體積也大。卸載速率降低,巖石碎屑大多片狀彎折剝落,相應(yīng)爆坑深度小,體積也小。觀察花崗巖試件巖爆破裂面碎屑電鏡掃描SEM圖像照片,發(fā)現(xiàn)卸載速率越大,試件破裂面微觀張性特性越明顯。對(duì)巖爆實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的碎屑進(jìn)行篩分實(shí)驗(yàn),并對(duì)部分碎屑進(jìn)行尺度量測(cè),發(fā)現(xiàn)卸載速率越大,碎屑?jí)K數(shù)總量越多,且微粒,細(xì)粒和中粒所占比例也越大,證明了快速開(kāi)挖卸載將產(chǎn)生更加劇烈的顆粒彈射等動(dòng)力學(xué)破壞現(xiàn)象。巖爆發(fā)生時(shí),碎屑多是片狀,薄片狀,隨著卸載速率增大,長(zhǎng)厚比小的柱狀,塊狀碎屑所占的比例也增大。聲發(fā)射能量是表征巖石損傷的重要參數(shù),經(jīng)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)卸載速率越大,聲發(fā)射累計(jì)釋放能量值越大。采集巖爆實(shí)驗(yàn)過(guò)程聲發(fā)射信號(hào),繪制時(shí)間-累計(jì)聲發(fā)射能量圖,結(jié)合應(yīng)力加載曲線可以確定實(shí)驗(yàn)演化過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn),發(fā)現(xiàn)90%以上的能量在最后的巖爆時(shí)刻釋放。聲發(fā)射波形分析能夠更深入地認(rèn)識(shí)和分析破裂源特征,對(duì)聲發(fā)射原始文件進(jìn)行短時(shí)傅里葉變換能夠得到3d頻譜圖,隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行,關(guān)鍵點(diǎn)處3d頻譜圖波形由低幅值的、持續(xù)時(shí)間短的單波向高幅值的、持續(xù)時(shí)間布滿2ms的多波轉(zhuǎn)化,預(yù)示著能量釋放量的不斷增大。處理全實(shí)驗(yàn)過(guò)程聲發(fā)射波形,進(jìn)行快速傅里葉變換得到對(duì)應(yīng)幅度最大的頻率值,定義為主頻,繪制全時(shí)域主頻分布圖,發(fā)現(xiàn)四例實(shí)驗(yàn)卸載速率由高到低分別對(duì)應(yīng)的主頻帶分布于60~100khz,60~100khz,100~125khz和140~150khz,即隨著卸載速率的降低,聲發(fā)射波形信號(hào)數(shù)據(jù)點(diǎn)驟減,且主頻帶有上移的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)各頻段范圍內(nèi)主頻值數(shù)量,發(fā)現(xiàn)卸載速率越大,高頻成分越多,張性破壞越明顯。引入反映波形數(shù)和波形幅值之間關(guān)系的gutenberg-richter公式中的b值參量,統(tǒng)計(jì)巖爆過(guò)程中的損傷演化特征,計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)處主頻對(duì)應(yīng)幅度的b值分布,發(fā)現(xiàn)初始加載時(shí)由于巖石內(nèi)部微裂紋不斷形成而b值緩慢增加。隨著載荷進(jìn)一步加大,b值快速下降,預(yù)示巖石內(nèi)部微裂紋貫穿,宏觀裂隙不斷形成,大幅值的波形不斷產(chǎn)生。巖爆階段,b值降到最低值,大量的高幅值聲發(fā)射事件快速產(chǎn)生,巖石進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段。卸載速率越大,最終巖爆時(shí)刻對(duì)應(yīng)b值越小,說(shuō)明大幅值波形信號(hào)越多,震級(jí)能量越大。(2)使用取自同一地點(diǎn)的均質(zhì)性較好的花崗巖樣品,采用同樣的應(yīng)力加載方式,通過(guò)設(shè)計(jì)150mm、120mm、90mm和60mm四種巖石試件高度,來(lái)研究巖爆實(shí)驗(yàn)中的尺寸效應(yīng)問(wèn)題。結(jié)果表明隨著試件高度的降低,巖石峰值強(qiáng)度有增大的趨勢(shì),與單軸抗壓強(qiáng)度的比值區(qū)間為0.93~1.15。巖石試件高度影響其巖爆模擬實(shí)驗(yàn)中最終破壞模式。隨著試件高度的降低,破壞模式經(jīng)歷了由以劈裂張拉為主向剪切為主的轉(zhuǎn)變,試件高度最大為150mm時(shí),主裂紋近乎與軸向平行,隨著試件高度的降低,主裂紋與軸向夾角逐漸增大,當(dāng)巖石高度降低至60mm時(shí),試件最終被斜向約45o主裂紋斷裂成兩半。依據(jù)碎屑粒徑范圍分類可以看出,四種高度巖石巖爆實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的巖石碎屑在粗粒粒組中所占比重很大,且隨著巖石試件高度的增大,粗粒碎屑質(zhì)量百分比也越大。對(duì)于中粒及細(xì)粒粒組,隨著巖石試件高度的增大,相應(yīng)質(zhì)量百分比呈明顯下降趨勢(shì),而在微粒粒組其分布趨勢(shì)隨巖石高度變化較小。證明巖石試件高度低時(shí),彈射出的中細(xì)顆粒碎屑較多,動(dòng)力破壞現(xiàn)象更加明顯,與巖爆破壞特征相一致。計(jì)算每種高度下花崗巖巖石巖爆產(chǎn)生的碎屑長(zhǎng)厚比平均值,發(fā)現(xiàn)隨著巖石試件高度的降低,碎屑長(zhǎng)厚比有下降的趨勢(shì),說(shuō)明片狀特征在減弱,而塊體形狀特征在增強(qiáng),預(yù)示著動(dòng)力特征加劇。觀察四種不同巖石高度下巖爆實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的碎屑微觀電鏡掃描sem圖像照片,可以發(fā)現(xiàn)巖石巖爆發(fā)生后產(chǎn)生的裂紋既有沿晶裂隙又有穿晶裂隙。采集巖爆實(shí)驗(yàn)過(guò)程聲發(fā)射信號(hào),繪制時(shí)間-累計(jì)聲發(fā)射能量圖,結(jié)合應(yīng)力加載曲線可以確定實(shí)驗(yàn)演化過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn),發(fā)現(xiàn)60%~80%以上的能量在最后的巖爆時(shí)刻釋放。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)處3d頻譜圖波形由低幅值的、持續(xù)時(shí)間短的單波向高幅值的、持續(xù)時(shí)間布滿2ms的多波轉(zhuǎn)化,預(yù)示著能量釋放量的增大。四例不同高度巖石巖爆主頻帶分布情況差異很大,隨著巖石試件高度的降低,聲發(fā)射波形信號(hào)頻帶演化變化范圍大,高頻,中高頻信號(hào)減少且越來(lái)越發(fā)散。統(tǒng)計(jì)各頻段范圍內(nèi)主頻值數(shù)量,試件高度越大頻率越復(fù)雜,中高頻、高頻信號(hào)明顯增多,張性破裂增強(qiáng)。同樣地統(tǒng)計(jì)巖爆過(guò)程中的損傷演化特征,計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)處主頻對(duì)應(yīng)幅度的b值分布,發(fā)現(xiàn)b值在初始加載時(shí)由于巖石內(nèi)部微裂紋不斷形成而緩慢增加。隨著載荷進(jìn)一步加大,b值快速下降,預(yù)示巖石內(nèi)部微裂紋貫穿,宏觀裂隙不斷形成,大幅值的波形不斷產(chǎn)生。巖爆階段,b值降到最低值,大量的高幅值聲發(fā)射事件快速產(chǎn)生,巖石進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段。巖石試件高度越小,最終巖爆時(shí)刻對(duì)應(yīng)b值越小,說(shuō)明大幅值波形信號(hào)越多,震級(jí)能量越大。(3)使用取自同一地點(diǎn)的均質(zhì)性較好的花崗巖、片麻巖,通過(guò)設(shè)計(jì)完整花崗巖、完整片麻巖及組合花崗-片麻巖三類巖爆實(shí)驗(yàn)來(lái)研究巖石組合形式對(duì)巖爆實(shí)驗(yàn)的影響。發(fā)現(xiàn)完整花崗巖能夠儲(chǔ)存更多的彈性應(yīng)變能,具有最高的臨界破壞應(yīng)力值,是其單軸抗壓強(qiáng)度的2.08倍。完整片麻巖相對(duì)破壞應(yīng)力值降低,是其單軸抗壓強(qiáng)度的1.65倍。組合花崗-片麻巖試件破壞應(yīng)力值與片麻巖較為接近,是花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度的1.10倍,是片麻巖單軸抗壓強(qiáng)度的1.63倍。完整的巖石能夠積聚更多的彈性應(yīng)變能,而組合巖石積聚能量的能力較少,組合層面的存在降低了巖石試件的儲(chǔ)存能量的能力。完整花崗巖產(chǎn)生猛烈的巖爆破壞現(xiàn)象,裂紋擴(kuò)展和塊體碎屑彈射現(xiàn)象明顯,完整片麻巖破壞則較為緩和,有少量碎屑彈射,但更多的是薄片狀碎屑剝離脫落,組合花崗-片麻巖破壞過(guò)程中沒(méi)有明顯的碎屑彈射這種動(dòng)態(tài)破壞現(xiàn)象出現(xiàn),以劈裂和片狀碎屑緩慢掉落為主。不同巖石組合下巖爆實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的碎屑主要以粗粒和中粒為主,在粗粒粒組中所占比重是接近的,標(biāo)準(zhǔn)花崗巖gr的碎屑在微粒、細(xì)粒和中粒粒組中所占比重都是最大的,這預(yù)示著巖石產(chǎn)生的碎屑增多,破碎更為劇烈,動(dòng)力破壞特征更加明顯。計(jì)算不同巖石組合形式下巖爆產(chǎn)生的碎屑長(zhǎng)厚比平均值,發(fā)現(xiàn)完整花崗巖具有最小的平均長(zhǎng)厚比,完整片麻巖和組合巖石則具有相對(duì)高的平均長(zhǎng)厚比,預(yù)示著完整花崗巖巖石試件片狀特征減弱,塊體形狀特征增強(qiáng),動(dòng)力特征加劇。觀察巖爆實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的碎屑微觀電鏡掃描SEM圖像結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn)巖石巖爆發(fā)生后產(chǎn)生的裂紋既有沿晶裂隙又有穿晶裂隙。采集巖爆實(shí)驗(yàn)過(guò)程聲發(fā)射信號(hào),繪制時(shí)間-累計(jì)聲發(fā)射能量圖,結(jié)合應(yīng)力加載曲線可以確定實(shí)驗(yàn)演化過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn),發(fā)現(xiàn)完整花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)釋放的聲發(fā)射累計(jì)能量值最高,是其他兩例實(shí)驗(yàn)累計(jì)釋放量的10倍以上。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)處3D頻譜圖波形由低幅值的、持續(xù)時(shí)間短的單波向高幅值的、持續(xù)時(shí)間布滿2ms的多波轉(zhuǎn)化,預(yù)示著能量釋放量的增大。提取主頻值發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)花崗巖主頻主要集中于中高頻成分,而標(biāo)準(zhǔn)片麻巖則有較多的高頻成分,組合花崗-片麻巖主頻帶介于二者之間。同樣統(tǒng)計(jì)巖爆過(guò)程中的損傷演化特征,計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)處主頻對(duì)應(yīng)幅度的b值分布,發(fā)現(xiàn)b值在初始加載時(shí)由于巖石內(nèi)部微裂紋不斷形成而緩慢增加。隨著載荷進(jìn)一步加大,b值快速下降,預(yù)示巖石內(nèi)部微裂紋貫穿,宏觀裂隙不斷形成,大幅值的波形不斷產(chǎn)生。巖爆階段,b值降到最低值,大量的高幅值聲發(fā)射事件快速產(chǎn)生,巖石進(jìn)入失穩(wěn)破壞階段。巖爆時(shí)刻標(biāo)準(zhǔn)花崗巖試件具有最小的b值,說(shuō)明大幅值波形信號(hào)最多,震級(jí)能量越大。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TU45

【引證文獻(xiàn)】

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1 楊淑清;張忠亭;陸家佑;杜麗惠;;隧洞巖爆機(jī)制物理模型試驗(yàn)研究[A];巖土力學(xué)數(shù)值方法的工程應(yīng)用——第二屆全國(guó)巖石力學(xué)數(shù)值計(jì)算與模型實(shí)驗(yàn)學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C];1990年

本文編號(hào)：2764867