深部花岗岩试样岩爆过程实验研究

状剥离伴随着颗粒混合弹射及全面崩垮 4 个阶段；将花岗岩岩爆的破坏形式分为颗粒弹射破坏、片状劈裂破坏和
块状崩落破坏；分析发生岩爆后花岗岩试样的微观结构破坏特征；根据卸载后发生岩爆的最大主应力与岩石单轴
抗压强度的比值对岩爆强度进行分类；根据卸载后至发生岩爆现象的时间，将岩爆分为滞后岩爆、标准岩爆和瞬
时岩爆，并对花岗岩岩爆发生机制进行初步探讨。
关键词：岩石力学；岩爆过程；深部；岩爆类型；花岗岩
中图分类号：TU 45
文献标识码：A
文章编号：1000–6915(2007)05–0865–12
EXPERIMENTAL STUDY ON ROCKBURST PROCESSES OF GRANITE SPECIMEN AT GREAT DEPTH
HE Manchao1，2，MIAO Jinli1，2，LI Dejian1，2，WANG Chunguang1，2
Abstract：Rockburst is a nonlinear dynamical phenomenon when large amounts of energies release along free surface during excavation within underground rock masses at great depth. An experimental system has been designed to reproduce such a natural rockburst phenomenon by means of two processes，one is true triaxial stress loading process to simulate in-situ stresses；and the other is surface unloading process with unloading one direction stress fast to produce a free surface. During the process of one direction unloading，the stresses in other two directions are kept original or the loads in one direction increase with the other steady. Ten of granite plate specimens are tested. The relation curves of stress and time in the entire process of granite rockbursts are acquired based on the results of collected data. The experimental results show that the process of granite rockburst includes four stages—calm period，small grains ejection，rock flakes and /or grains ejection and collapse entire fracture. Rockburst intensity is defined by the ratio of maximum principal stress σ1 to uniaxial compression strength σc. According to the time between the unloading and the beginning of the rockburst，three types of rockbursts are classified，instant rockburst，standard rockburst and delayed rockburst. The microcosmic characteristic of the granite after rockburst fracture is analyzed. Three fracture styles of rockburst are classified—local grains ejection failure，flake spalling failure and block collapse failure. The mechanism of rockburst is preliminarily discussed. It is of great importance to study rockburst mechanism and to prevent rockburst in deep coal mine engineering. Key words：rock mechanics；rockburst processes；great depth；rockburst types；granite
(1. School of Mechanics and Civil Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；2. State Key Laboratory of Coal Resources and Mine Safety，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China)
摘要：利用自行设计的深部岩爆过程实验系统，对深部高应力条件下的花岗岩岩爆过程进行实验研究。岩爆实验
过程可模拟实际工程的开挖条件：对加载至三向不同应力状态下的板状花岗岩试样，快速卸载一个方向的水平应
力，保持其他两向应力不变或保持其中一向应力不变增加另外一向应力。实验过程中采集 3 个方向应力随时间的
变化数据，获得花岗岩岩爆全过程应力曲线。根据实验结果，将花岗岩岩爆全过程分为平静期、小颗粒弹射、片
由于影响岩爆的因素很多，除受岩性条件和应 力条件控制外，开采条件(包括地下工程几何形状、 开采方式、开采顺序等)对岩爆的发生也有很大影 响。目前对岩爆的发生和破坏机制还没有很清楚的 认识，对岩爆的预测还不够准确。从岩爆机制研究
着手，才是解决岩爆预测与防治的根本，而实验是 岩爆机制研究的基础之一。
过去有很多关于单轴压缩的岩爆室内实验、单 轴及双轴动静载荷组合的岩爆实验、真三轴加载的 岩爆实验和常规三轴卸载的岩爆实验的研究[12～15]。S. H. Cho 等[16]及 T. J. A. Wang 和 H. D. Park[17]提出用 单轴循环加、卸载实验结果预测岩爆发生的可能性。 M. N. Bagde 和 V. Petorša[18]则是用单轴动循环加、 卸载实验结果来评价有岩爆倾向性的岩石在开采过 程中的稳定性问题。谷明成等[19]和徐林生[20]则用常 规三轴加、卸载实验的方法进行岩石的室内岩爆实 验研究工作，并指出了在不同应力状态下岩石破坏 的形式与岩爆的对应关系。虽然许多学者在室内进 行了大量的岩爆实验工作，但是对于如何通过模拟 现场工程条件，在实验室条件下再现岩爆整个过程 的研究方面，一直没有取得突破性的进展。作者 认为，通过对深部岩体工程开挖过程中发生的岩爆 现象进行详细分析，建立能够模拟实际工程开挖条 件的实验系统，设计岩石试样的形式和尺寸，就可 以在实验室条件下再现岩爆这种灾害现象，并对其 进行深入细致的研究。
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岩石力学与工程学报
2007 年
1引言
在深部岩体工程中，经常会遇到具有突发性动 力破坏特征的岩爆现象。所谓深部是指随着开挖深 度增加，工程岩体开始出现非线性力学现象的深度 及其以下的深度区间[1]。非线性力学现象指软岩出 现非线性大变形或硬岩出现冲击地压(岩爆)。随着 开采深度的增加，深部开采与浅部开采所处的环境 明显不同，深部开采所处的环境为高地应力、高地 温、高岩溶水压和强烈的开采扰动，而浅部表现为 脆性岩体在深部高应力条件下转变为延性，在开采 卸载条件下又由延性向脆性转化，易于产生岩爆[2]。 发生岩爆时，大小不同的岩块、碎片和颗粒等会携 带大量能量向巷道等地下空间弹射或抛掷，常常给 生产造成损失，对人员安全造成威胁。
收稿日期：2006–12–18；修回日期：2007–01–20 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2006CB202200)；国家自然科学基金重大项目(50490270)；国家基金委创新群体基金资助项目(50221402) 作者简介：何满潮(1956–)，男，博士，1981 年毕业于长春地质学院工程地质专业，现任教授、博士生导师，主要从事软岩、边坡及工程地质、地热 工程等方面的教学与研究工作。E-mail：hemanchao@
2 岩爆概念及岩爆发生机制分析
岩爆(rockburst)是指采掘导致的岩层突然破坏 现象，发生岩爆的过程中往往伴随着开挖空间的大 应变、大位移以及岩层碎块从母岩中的高速脱离， 向开采空间抛出，抛出的岩体质量从数吨到数千吨 不等[21]。徐林生等[22]指出：岩爆是高地应力条件下 隧道开挖后来不及作初期支护以及加固强度不够的 情况下所发生的围岩失稳现象，一般二次衬砌完成 后，较少再有岩爆现象发生。岩爆就其破坏机制而 言，是一种开挖卸荷条件下高地应力区地下硐室岩 体自身积蓄的大量弹性应变能突然猛烈释放所造成 的拉张脆性或张剪脆性并存的急剧破裂或爆裂破坏
第 26 卷 第 5 期 2007 年 5 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.26 No.5 May，2007
深部花岗岩试样岩爆过程实验研究
何满潮 1，2，苗金丽 1，2，李德建 1，2，王春光 1，2
(1. 中国矿业大学 力学与建筑工程学院，北京 100083；2. 中国矿业大学 “煤炭资源与安全开采”国家重点实验室，北京 100083)
岩爆现象多发生在高应力的硬岩岩体中，在我 国煤矿煤岩层中，有花岗岩岩体侵入的情况，需要 在其中布置硐室；在金矿开采过程中，也需要在花 岗岩岩体中进行开挖；水电站建设中也有在花岗岩 岩体中进行施工的工程实例，在条件具备的情况下 就会发生岩爆。进行花岗岩岩爆实验，在实验室条 件下再现岩爆现象，可以详细分析岩爆发生条件和 岩爆发展进程，进而为进行岩爆的工程预测预报提 供依据。
该系统中可突然卸载的装置高速数据采集系统和岩石声发射测试系统等可以模拟巷道开挖过程中图1岩爆应力演化模型fig1stressevolutionarymodelsofrockbursta垂直板裂化b垂直板屈曲变形c岩爆破坏图2岩爆板状结构演化模型fig2platestructureevolutionarymodelsofro进行有关物理力学量的测试
随着矿山、水利水电、铁路(公路)交通隧道等 工程向深部发展，岩爆作为一种深部灾害现象，其 发生越来越频繁。为了提高岩爆预测、预报的准确性， 保证深部资源开采的安全性，深入开展岩爆的机制研 究非常必要。过去人们对岩爆的研究着重于两个方 面：一方面是岩爆理论分析，基于岩爆的破坏现象， 对岩石进行室内实验，获得岩石的脆性指数、弹性能 指数或岩爆倾向性指数等指标，对岩爆进行分类与预 测[3]；另一方面则侧重于岩爆的现场实验与监测研 究，在此方面国内外学者进行了大量的研究工作。 唐礼忠等[4]对有深部硬岩岩爆灾害的冬瓜山矿山采 用微震法进行监测，从而预报岩爆。刘建辉和李化 敏 [5] 研 究 了 电 磁 辐 射 法 在 岩 爆 监 测 中 的 应 用 。 J. Šilený 和 A. Milev[6]在南非金矿开采现场进行了岩 爆模拟实验，利用地震波监测原理分析岩爆预测的 准确性，并用高速摄影分析岩爆时弹射块体的弹射 速度。S. Y. Wang 等[7]对单轴条件的岩爆机制进行了 数值模拟和分析。杨 健和武 雄[8]提出了采用系统 决策和模糊数学相结合的层次分析–模糊综合评 价方法(AHP-FUZZY)。左宇军等[9]提出了层裂屈曲 岩爆的突变模型。邵 鹏等[10]提出了岩爆发生的随 机共振模型。V. A. Mansurov[11]提出了采用开采引起 的地层振动数据来进行岩爆预测的方法。