硬脆岩石的微观颗粒模型及其卸荷岩爆效应研究

为准确反映硬脆岩石的力学特性并对其卸荷岩爆效应进行合理模拟,从微观层面建立了硬脆岩石的力学模型。首先依据花岗岩岩样的衍射测试确定了模拟岩样的微观结构,其次从能量发展和应力–应变2个角度确定了硬脆特性的评价指标,借助评价指标进行岩样的颗粒效应分析和力学性能调控,进而构建了一种反映岩石硬脆特性的微观颗粒模型"可视构架"(基于现有岩样结构,颗粒与黏结参数需保持的趋势和量值限制)。应用模型并采用颗粒流程序PFC3D对不同围压三轴卸荷下的岩爆效应进行模拟分析,结果表明:岩样的低围压卸荷与高围压卸荷都体现出以张拉性质为主导的黏结断裂,但高围压卸荷比低围压卸荷有更高的张拉断裂比重,体现出更明显的脆性破裂性质,应力跌落曲线表现得更为陡直;低围压卸荷下颗粒动能在破裂过程中均有所发展,岩爆效应体现出"持续型"特点,高围压卸荷下颗粒动能则表现出明显的差异性,岩爆效应体现出"爆发型"特点。

高应力硬岩卸荷岩爆的劈裂判据及因素敏感性分析

针对现有岩爆研究的不足,基于突变理论建立了围岩卸荷岩爆的劈裂突变模型,得到了考虑卸荷影响的劈裂岩爆必要条件和充分条件并在此基础上进行了因素敏感性分析。研究表明,开挖卸荷致拉明显降低了突变特征值及岩爆发生的门槛,使岩爆发生的可能性大为增加,而且当拉应力σx=πσt/4时,必要条件就成为充分条件;卸荷后一段时间围岩发生变形,达到发生岩爆至少所需的卸荷细观拉应力,形成标准或滞后岩爆模式;竖向应力达到一定值,围岩卸荷瞬间其突变特征值Δ≤0,形成瞬时岩爆模式;岩爆劈裂要满足一定的临空面尺寸要求,随竖向应力的增大这种要求明显减弱;发生岩爆时岩爆区释放的能量ΔE,σx,Δ对竖向应力的敏感性很强,Δ对σ3极为敏感。