深部硬岩长短期岩爆风险评估研究综述

岩爆是国内外深部硬岩工程面临的重大挑战.准确、及时地评估岩爆风险能避免不必要的人员伤亡及财产损失.为了解深部硬岩长期和短期岩爆风险评估方法研究现状,对国内外相关文献进行综述.首先,分别对长期和短期岩爆风险评估方法进行系统总结和分类.然后,分析现有各类评估方法的优势与不足.在此基础上,进一步提出长期及短期岩爆风险评估的未...     

应变型岩爆三要素分析及岩爆势表达

 在已建立的应变型岩爆五因素综合判据基础上,通过现场地质调查、统计分析和运用关系矩阵法,对所涉多个因素和指标进行归类合并,形成包括最大切向应力 ,岩石抗拉强度 和岩体完整性指数 等3个主要独立参数的经验拟合表达式 ,用来表征岩爆趋势和强度(简称岩爆势 )。对岩爆强度的无、弱、中和强等4个级别,提出3个分级界限值(1.7,3.3和9.7)。概算深度H = 1 000和2 000 m(侧压系数 = 1.0)时 结果分别为3.3和6.5,相当于弱岩爆上限值和中岩爆中间值。工程实例检验应用进一步表明该岩爆势指标的科学合理性。     

应变型岩爆模型试验及其力学机制研究

为探讨应变型岩爆孕育机制,采用相似模型试验方法,基于弹性加载边界,开展深地下开挖卸荷诱发应变型岩爆试验研究。试验成功再现应变型岩爆灾害发生过程,开挖过程中测得距洞壁2,8cm测点处环向压力增幅分别为63.3%和42.9%,径向压力降幅分别为79.2%和29.3%,距洞壁2 cm处径向及环向应变最大分别达到-2 443,1 268με,硐室拱顶、左壁和右壁收敛变形分别为0.37,0.53和0.55 mm,洞壁围岩产生了较明显脆性破坏,在拱顶发生岩爆现象,并表现出明显的时滞效应,最后结合试验结果建立应变型岩爆的力学演化机制。研究表明,所提出的试验方法可以较好地模拟应变型岩爆,可为岩爆理论研究、工程实践提供试验依据和数据支撑。     

深埋隧洞围岩板裂化机制与岩爆预测研究

板裂化和岩爆是高应力条件下深埋硬脆性岩体开挖后常见的2种破坏形式,板裂化岩爆是以板裂化破坏为前兆信息的岩爆,是由于板裂面切割围岩形成的岩爆结构发生突发性失稳破坏而形成的,在深埋隧洞中发生频率最高。对深埋隧洞围岩板裂化机制和板裂化岩爆预测开展了相应研究,重点研究了围岩板裂化破坏的形态特征、类型、数值计算的实现及其影响因素。论文主要内容包括以下几个方面:(1)统计和整理了锦屏二级水电站隧洞内的围岩板裂化破坏形态,重点分析了围岩板裂化在隧洞断面不同方位上的三维分布特征,提出了板裂化形态的描述指标,总结了影响板裂化形态的因素和工程尺度板裂化的破坏机制;对现场板裂化岩爆的发生情况进行了统计,得到了板裂化形态描述指标和板裂化岩爆之间的关系,并根据现场板裂化岩爆的特征将其进行细分类,简要阐述了各类板裂化岩爆的发生过程和机制。(2)针对锦屏二级水电站工程现场的硬脆性大理岩,详细分析了其在单轴、常规三轴、真三轴等室内试验条件下的破裂形态,并通过破裂面断口形态特征揭示了试样破裂面的破裂机制,据此将大理岩脆性破坏分为张拉破坏、压剪破坏和张剪混合破坏三类;分析了弹性均质条件下,地下洞室开挖过程围岩内主应力值的变化规律,对照大理岩各破坏类型的应力条件分析了围岩各部位易发生的脆性破坏形式;结合锦屏二级水电站现场板裂化的形态特征,将板裂化破坏分为张拉型、剪切滑移型和张拉–剪切滑移型板裂化破坏三种;通过模型试验验证了剪切型板裂化形态的存在,试验结果与上述板裂化分类具有很好的一致性。(3)开展了大理岩试样的拉剪和压剪试验,分析了拉剪和压剪条件下试样破坏特征,获得了破裂面上剪应力–正应力的全段强度曲线,基于试验结果,对Mohr-Coulomb准则进行了修正,建立了考虑张拉剪切破坏机制和应力状态影响的板裂化力学模型,并将该模型嵌入FLAC3D程序进行数值计算。考虑岩体参数非均质,采用破坏接近度(FAI)表征板裂化破坏,建立了板裂化数值模拟方法,数值算例表明,所建立的数值模拟方法可以确定围岩不同部位的板裂化类型,且受网格尺寸大小影响较小,可适用于工程计算。(4)分别采用室内模型试验和数值模拟确定了不同因素对围岩板裂化破坏的影响规律。通过在模型试件中预制含不同孔径和不同断面形状的隧洞,揭示了洞室断面曲率半径对围岩板裂化的影响机制和规律;采用数值模拟给出了侧压系数、主应力方向、岩体空间变异性(岩体参数非均质和结构面产状)及开挖过程对围岩板裂化的影响规律,研究表明各影响因素均会影响不同类型板裂化的位置和范围。(5)基于可靠度理论中最易实现的蒙特卡洛法提出了板裂化岩爆的预测方法。以锦屏二级水电站试验支洞F的板裂化岩爆作为案例,通过数理统计方法获得岩体力学参数的概率分布,采用蒙特卡洛抽样方法抽取多组力学参数进行岩爆数值试验,数值计算结果与案例相符合,说明该方法可以很好地预测板裂化岩爆的发生。     

金川高应力软岩蠕变特性及破坏形态试验研究

金川矿区岩石具有显著流变性,开采难度极大,故对金川III矿区软弱复杂矿岩蠕变特性进行试验研究。蠕变试验采用RYL–600微机控制岩石剪切流变仪,蠕变加载方式采用分级增量循环加卸载,对试验数据分析时考虑加载历史对岩石试件变形的影响,真实地反映出岩石试件自身的流变力学行为,选取Burgers模型反映岩石的蠕变特性。结果表明:金川III矿区矿岩蠕变试验曲线与理论曲线基本吻合,Burgers蠕变模型能较好地描述岩石的蠕变特性。通过对金川III矿区5种岩样蠕变试验变形和破坏特征及破坏形态进行分析,表明特定条件下软弱复杂矿岩蠕变破坏形态复杂,但也有其规律性:岩样沿对角线方向一般有一个贯穿整个岩样的破坏面;同种岩样的破坏形式具有相似性。岩样破坏形式多样,同种岩样的破坏荷载差异性大。     

考虑梯度应力的深部围岩板裂化模拟初步试验研究

板裂化严重威胁着深埋井隧施工安全。板裂是否与围岩梯度应力有关目前尚不清楚。在理论证实围岩切向应力梯度随埋深增加的基础上,提出改进的岩石梯度应力营造方法,利用d0(试件上下表面长度差)为0.1～0.8 mm的长方体花岗岩试件,开展梯度应力下岩石变形破坏过程应变监测试验,重点验证梯度应力下岩石能否发生板裂,以及所产生的岩板厚度是否均匀。结果表明：(1)改进的岩石梯度应力营造方法,可在试件端部营造出在厚度方向上线性递变的应力,其变化速率可达10³ MPa/m以上。(2)在梯度应力下,在试件端部低应力区域产生了与加载方向一致的拉张应力;该张应力为0.5～1.5 MPa,呈现出“升–降–升–降”的阶段性变化,可通过减小d0予以抑制。(3)在梯度应力下岩石发生了板裂化破坏,所产生的岩板厚度相对均匀;并且板裂化裂纹呈现为拉张的性质,与以往研究结果一致,证实了梯度应力是深部围岩板裂孕育过程不可忽略的重要影响因素。研究结果为进一步研究岩石板裂的发生条件及岩板厚度的影响因素奠定了试验基础。     

深埋硬岩隧洞岩爆的结构面作用机制分析

 岩爆是深埋硬岩隧洞开挖过程中常遇到的动力地质灾害,从锦屏二级水电站深埋隧洞施工中发现结构面对岩爆具有重要控制作用。本文在总结国内外结构面型岩爆研究现状、列举典型结构面型岩爆案例的基础上,分析了不同结构面类型、产状、不同生产环境、施工方法等条件下结构面对岩爆的作用机制;提出了依据不同作用机制的结构面型岩爆分类方法。分析认为：结构面型岩爆可分为滑移型、剪切破裂型和张拉板裂型;边墙竖直产状的结构面易使围岩压制拉裂而诱发张拉板裂型岩爆,倾斜产状的结构面则会诱发滑移型或剪切破裂型岩爆;未揭露的倾斜产状的结构面诱发的剪切破裂型岩爆强度可能要大于相同条件下揭露出的结构面诱发的滑移型岩爆;采矿工程中容易发生大尺度的滑移型岩爆,而水电交通隧洞更容易发生小尺度的滑移型岩爆,且结构面控制爆坑深度和边界;对剪破坏主导的结构面型岩爆,结构面的力学性质、强度特征因控制所诱发岩爆的能量来源,因而影响岩爆的强度等级。本研究将对深埋硬岩隧洞结构面型岩爆的发生机制、控制方法等具有一定指导意义。     

高应力软岩巷道围岩变形破坏研究

 以某有色金属矿山巷道为例, 给出了高应力软岩的定义, 论述了高应力软岩的特征、形成条件以及高应力软岩巷道围岩的变形破坏特征和类型, 分析了巷道开挖前后地应力状态的变化及其对围岩变形破坏的影响, 并从岩体和工程岩体围压状态变化和强度变化角度探讨高应力软岩围岩的变形破坏机理。     

硬岩应力–应变门槛值特点及产生机制

详细总结岩石应力门槛值(起裂强度ci?、损伤强度cd?和峰值强度f?)的物理意义和计算方法,以花岗岩和大理岩为研究对象进行不同围压的常规三轴试验,计算分析ci?,cd?和f?值,以及各个门槛值对应的轴向应变、侧向应变和体积应变的变化规律,重点讨论轴向应变和侧向应变的特点和产生机制,分析结果发现:花岗岩的cc?/f?,ci?/f?,cd?/f?分别位于0.10~0.19,0.40~0.59,0.77~0.82区间内,大理岩相应的应力比位于0.10~0.25,0.47~0.64,0.82~0.92内,不同岩石或相同岩石门槛值应力比的差异可能由于矿物成分、赋存环境、开挖损伤造成;2种岩石应力门槛值及各自对应的轴向应变随围压近似呈线性递增,并且应力和轴向应变随围压的变化曲线非常相似;侧向应变在达到cd?之前增长缓慢,在达到cd?之后急剧增加,而轴向应变在整个加载过程稳步增加;围压、cd?和对应的损伤体积应变存在内在关联性,相互关系可用线性或二项式拟合。     

深部硬岩截割特性及非爆机械化开采研究

深部开采中常见的高地应力条件会影响硬岩矿体的可截割性。高应力条件、刀具作用参数、硬岩自身特性严重影响着非爆机械化开采在深部硬岩矿体中的应用。镐型截齿是非爆机械化开采装备中常见的破岩刀具。利用TRW-3000型岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验系统研究了围压条件(双轴、单轴、无围压)、镐型截齿作用参数(不同截齿加载速率、静态或动静组合载荷类型、单截齿或者具有不同布局间隔的双截齿)以及岩石中的人为诱导缺陷(预切槽、加卸荷诱导损伤、预钻孔)等因素对硬岩可截割性指标(破岩峰值载荷、凿入深度、扰动持时)、岩样破坏模式、破碎岩石块度等镐型截齿破岩特性的影响。试验结果表明:双轴、单轴、无围压条件下,岩石的可截割性依次逐渐增大;双轴围压下,即使施加很高的破岩载荷或者很长的扰动持时也只能使岩样发生表面剥落破坏,截割难度最大;单轴围压下,随着围压增大,岩石的可截割性先降低后升高,破坏模式依次表现为完全劈裂、部分劈裂和岩爆,相应地,破碎岩石块度逐渐降低;高单轴围压下,截齿破岩扰动易诱发岩爆,其发生过程包括截齿凿入引起的初始板裂、由高单轴围压驱动伴随大量岩块弹射的强烈岩爆以及最终的剪切破坏3个步骤,并且截齿诱发岩爆的易发性与岩样材料的强度、脆性、完整性等因素有关。因此,在单轴围压下存在2个关键的围压值,一个是低于该围压值岩样的可截割性会逐渐升高,而另一个是高于此围压值截齿破岩的安全性则会显著降低。在较低或者无围压条件下,镐型截齿破岩能够将岩样安全、高效地完全劈裂,具有最优的破岩效果。动静组合破岩时,增加预静载水平或者增大扰动载荷幅值都能增大镐型截齿破岩效率。岩体中的预切槽、开挖诱发的岩石损伤、预钻孔等人为诱导缺陷,能够改变临空面矿岩体的应力环境并降低受限应力大小,从而能够提高矿岩体的可截割性。此外,多截齿破岩时存在最优的截齿间距以确保同时产生截齿周围的翼形破裂和截齿间的贯通破裂,形成多截齿耦合强化效应,从而提高破岩效率。在开采实践方面,通过开挖深部诱导工程,增加矿体的临空面数量,将双轴受限应力环境改变为单轴,同时伴随松动区的形成受限应力大幅降低,可有效提高硬岩矿体的非爆机械化开采适用性。在试验采场,通过高清钻孔电视监测诱导工程围岩的松动区分布情况,测得半岛型矿柱的松动区厚度为1.84～2.54 m,呈"U"型分布。针对松动区矿体,试验了悬臂式掘进机、挖掘机载铣挖头、挖掘机载高频冲击头和铲运机载高频冲击头4种机械破岩方法。结果表明:基于多截齿旋转切割破岩的悬臂式掘进机采矿平均工效107.7t/h,采矿过程连续性强,具有最高的采矿效率和机械稳定性。基于非爆机械化开采实践,提出了一种预切槽硬岩矿体旋转振动连续截割设备及其施工工艺。     

高应力下大型硬岩地下洞室群稳定性设计优化的裂化–抑制法及其应用

针对高应力下大型硬岩地下洞室群突出的围岩灾害性破坏问题,在多个深部/高应力地下洞室群开挖方案与支护参数优化研究及实践基础上,提出高应力下大型硬岩地下洞室群稳定性优化的裂化–抑制设计方法新理念及其基本原理、关键技术和实施流程。该方法认为高应力下地下洞室硬岩大变形与灾害性破坏本质上是其内部破裂发展和开裂的外在表现形式,为此建立以抑制硬岩内部破裂发展为关键切入点的理念,以硬岩的开裂测试分析、减裂开挖调整、止裂支护控制为三要素,提出:(1)通过系统地开展洞室群开挖方案优化分析,从开挖角度尽量减少和避免围岩开裂的规模、深度和程度技术体系;(2)通过支护参数、支护时机优化,从支护角度抑制围岩进一步裂化并强化松弛/开裂围岩的整体性从而抵抗地层压力,将围岩从被支护对象转换为承载结构,从而实现充分调动围岩自身承载性能来维护和再造围岩承载拱,达到工程安全、高效和经济的目标。拉西瓦水电站地下洞群开挖顺序优化、白鹤滩水电站地下厂房顶拱支护方案优化、中国锦屏深地实验室的围岩支护参数复核等工程实践表明了其合理性和实用性。     

高温后深部矽卡岩动力学特性及微观破坏机制研究

以深部700m处矽卡岩为研究对象,采用分离式霍普金森压杆装置开展不同冲击气压（0.8,1.0,1.2MPa）下常温和经历不同温度（200℃,400℃,600℃,800℃）作用后的岩石冲击压缩试验,研究深部岩石的高温动力学行为;借助SEM扫描电镜及XRD物相特征分析技术,探索矽卡岩在高温和动载作用下的微观破坏机制。结果表明：相同冲击气压作用下,随着温度的升高,矽卡岩强度劣化、延性增强;相同温度条件下,随着冲击气压的增大,矽卡岩强度和变形均增大,表现出明显的应变率效应。冲击气压增大或温度升高,矽卡岩破碎程度均越来越剧烈,破碎块度越来越小,800℃时破碎状态以颗粒较小的碎石和粉末状为主。内部组分及结构的变化是造成矽卡岩力学性能变化的主要原因,25℃～400℃矽卡岩主要为穿晶和沿晶断裂的脆性破坏;400℃～600℃为矽卡岩由脆性向塑性转化的阈值温度区间;600℃～800℃时则转变为韧窝和滑移断裂的塑性破坏。     

高应力地下洞室顶拱深部变形及受力特性研究

为探讨高应力条件下顶拱深部围岩出现的收缩受力特征,采用位移分析法讨论上游侧顶拱在开挖过程中产生的收缩变形,根据弹塑性理论定性分析顶拱深部收缩变形产生机制;采用回归分析讨论了收缩变形区无黏结锚索预应力特征及其与围岩变形的关系.研究表明,围岩变形在顶拱呈显著空间分异特征,收缩应变出现在上游侧,沿厂房轴线的分布范围与钻孔深度...     

高原深埋硬岩隧道岩爆特征及施工方法研究

针对巴玉隧道,分析了高原深埋硬岩隧道岩爆灾害类型及时空分布特征和施工特点;构建了结合地质调查法、加深钻孔探测和TSP超前预报的岩爆地质综合分析方法;建立了基于岩爆特征与地质综合分析的隧道施工方法。通过研究发现:高原隧道施工具有显著的高温、缺氧特点,须加强机械化配套,以提供施工效率;发生的岩爆类型主要有即时型和时滞型,岩爆分布于整个隧道断面,即时型岩爆一般容易在爆破后2～6h内的掌子面后5m范围内发生;针对岩爆的时空特征,需采取短进尺、早支护、提高光面爆破效果、打设应力释放孔和喷洒高压水等方式,确保高风险岩爆段施工安全。     

高应力软岩巷道支护失效机制及控制研究

 为明确高应力软岩巷道支护失效机制并验证新型支护形式的有效性,以赵楼煤矿千米深井为工程背景,在围岩变形破坏及支护失效规律现场探测、监测分析基础上,采用数值计算方法,通过对FLAC3D中BEAM单元的修正处理实现了拱架支护体系的精细化模拟,讨论了支护强度等级(拱架形式)、地应力等级、围岩强度等级三个因素对巷道围岩变形量、塑性区范围、支护构件受力状态等的影响规律。在此基础上分析了高应力软岩巷道支护失效机制。对于高应力软岩巷道来说,锚网喷支护具有明显的局限性;具有一定刚度和强度的拱架是一种行之有效的围岩控制途径,是必要的。采用方形钢管约束混凝土拱架支护体系进行现场试验,新型高强拱架支护方式使得巷道围岩稳定性得到有效控制。     

深部煤岩单体及组合体的破坏机制与力学特性研究

 采用MTS815试验机对钱家营岩样、煤样和煤岩组合体进行单轴和三轴压缩试验,获得不同应力条件下煤岩单体及组合体的破坏模式和力学行为,并比较异同。单轴条件下钱家营砂岩的破坏以剪切、劈裂及混合破坏模式为主,并且砂岩的峰值强度、弹性模量和波速近似成正比关系;在一定条件下砂岩能产生II类曲线,但需采用环向位移控制加载,且砂岩需具有高强度和低非均质度,但煤和煤岩组合体几乎不发生II类曲线破坏。单轴条件下煤样以劈裂破坏机制为主,但煤样的峰值强度与弹性模量、波速的关系基本不明显。对于不同围压下煤岩组合体的破坏主要发生在煤体内部：单轴条件下煤岩组合体的破坏以劈裂破坏为主,而煤体内部发生的破坏由于裂纹的高速扩展有可能贯通到岩石中去,从而导致岩石的破坏,并且煤岩组合体破坏后几乎完全丧失承载能力;而三轴试验中,煤岩组合体的破坏以剪切破坏为主,但破坏后还有残余强度。随着围压升高煤岩组合体弹性模量总体趋势是初始缓慢增加,当围压超过15 MPa后弹性模量迅速增加;组合体的峰值强度与围压基本成线性关系。     

高应力软岩巷道破坏机理及其支护理论研究

阐述了高应力软岩巷道的破坏机理,论述了其支护理论研究的现状,并对今后深部软岩巷道支护的发展方向进行了展望,给巷道支护的理论研究发展和工程实践提供了一定的指导。     

高应力硬岩隧道开挖施工技术及其数值分析

蒙华铁路桐木隧道为高应力硬岩隧道段,该隧道为单线单洞隧道,埋深深,施工时易产生变形、岩爆等施工风险。基于上述特点,提出全断面施工工法,提前打应力释放孔或做好超前摩擦锚杆支护,用短进尺掘进,减少爆破频率,喷射混凝土,并辅助其他工法进行超前支护和加固,从而在很大强度上降低岩爆频率和岩爆强度,采用弹塑性有限单元法对隧道施工全过程进行了数值模拟。结果显示:高应力硬岩隧道采用全断面开挖法辅以超前支护法可有效地控制隧道变形和隧道岩爆。施工方案是合理可行的,数值模拟计算结果与现场测试结果基本吻合,可为类似隧道工程提供参考。     

锦屏Ⅱ级水电站深部大理岩板裂化破坏试验研究及其对TBM开挖的影响

针对锦屏Ⅱ级水电站TBM引水洞及排水洞深部大理岩发生的剧烈板裂化岩爆与非剧烈板裂化片帮2种板裂化破坏现象,通过采集该工程区深部大理岩岩样,采用真三轴岩爆试验设备,对其在不同高应力作用下的板裂化破坏现象进行室内试验。通过对试验过程中发生的各种现象的全面描述和试验结果的分析表明,试验中岩样发生的板裂化破坏现象与TBM开挖隧道围岩的板裂化破坏具有很好的吻合性,未来围岩的主要破坏方式将以板裂化片帮与岩爆为主。围岩板裂化破坏将影响TBM开挖运行,分别探讨掌子面与洞壁板裂化破坏对TBM开挖的影响。     

深部花岗闪长岩破坏过程声发射及特征应力特性试验研究

以深部花岗闪长岩(564~576 m)为研究对象,采用微机伺服岩石三轴试验机和声发射监测系统,对岩样进行压缩试验和声发射监测试验,获得深部花岗岩破坏过程声发射特性。通过探究深部花岗闪长岩在单轴及三轴压缩破坏过程中应力–应变特征和声发射参数曲线,得出岩石的裂隙初始应力、裂隙贯通应力和峰值应力以及与之对应的声发射特征得到声发射参数与岩石破裂之间的关系。分析试验数据,得到声发射参数与岩石破裂之间的关系,为进一步建立工程岩体的强度准则提供依据。