冲击扰动下滑移型岩爆的模拟试验及机理探讨

由岩体结构面滑移破坏导致的滑移型岩爆对外界扰动敏感、释放能量巨大,一旦发生可能带来灾难性的后果。利用自主研制的试验装置,结合高速摄影技术,模拟了冲击扰动下岩块从开始滑移至发生岩爆全过程,并从内因、外因和诱因3方面探讨了滑移型岩爆机理。冲击扰动应力波在块系岩体中传播造成结构面正应力的减小导致摩擦力下降,即超低摩擦现象。如果结构面摩擦力减小到小于结构面剪切力,岩块开始滑移。如果最终的动摩擦力也仍然小于结构面剪切力,岩块将持续滑移导致块系岩体失稳崩塌,发生滑移型岩爆。冲击扰动诱发的岩块间滑移运动与结构面初始应力状态密切相关。引入一个无量纲能量参数来表征动力扰动诱发滑移型岩爆的临界能量条件,并给出了该能量参数与结构面初始应力状态的定量关系。总结得出滑移型岩爆产生需要满足3个条件:块系岩体中存在软弱结构面(内因),结构面上的应力水平接近临界状态(外因),动力扰动使得结构面抗剪强度降低(诱因)。

断裂滑移型岩爆风险评价和预警方法研究现状

地下工程需要频繁穿越地质构造区域,断裂滑移型岩爆频发,严重威胁地下工程结构的稳定和安全。为了揭示断裂滑移型岩爆诱发致灾机理,本文系统分析了触发断裂滑移型岩爆的地质构造条件、时空孕育特征、扰动触发机理、风险评价指标和预警方法等。研究结果表明:断裂滑移型岩爆多发生于含软弱结构面或层理面的地质构造带附近,岩体硬性结构面可以在一定程度内控制岩爆爆坑边界;断裂滑移型岩爆在临界失稳触发阶段存在典型的时空前兆特征,声发射(微震)监测参数在临界滑移失稳阶段存在“相对平静期”破坏前兆,红外热像温度存在短暂异常后随即迅速消失的破坏前兆;岩体内部天然层理面等缺陷结构为触发断裂滑移型岩爆提供了地质构造条件,巷道开挖和掘进等为触发断裂滑移型岩爆提供了滑移失稳空间,外界动力扰动等为触发断裂滑移型岩爆提供了诱发条件。

微扰动诱发断裂滑移型岩爆的力学机制与条件

研究在微扰动作用下滑移型岩爆的诱发机制问题,采用弱小扰动诱发初应力条件下岩块间接触面滑移的理论模型和能量变分原理推导得到断裂滑移型岩爆发生的3个必要条件:(1)接触面或围岩的破裂面处于高切向地应力水平的准稳定状态;(2)接触面或断裂面的断裂刚度大于围岩的回弹刚度;(3)岩体运动的地冲击能量因子达到一定阈值,或接触面(断裂面)的相对位移在动力扰动作用下达到临界值。微扰动诱发岩爆释放的能量远远超过外部扰动能量,外部扰动仅起到了"扣板机"的作用,岩爆发生临界累积位移的量值和岩块的突出速度不取决于扰动的幅值,临界位移大小取决于施加剪切荷载的水平,而岩块的突出速度则主要取决于围岩压力做功与界面滑动摩擦力做功的关系,断裂滑移型岩爆震级的准确预测需要进行滑移后岩爆动能的计算。

不同类型岩爆孕育过程中震源体积自相似分布的分形特征分析

岩爆严重威胁着深部岩体隧洞的施工安全,并造成大量的人员伤亡及财产损失。在深部岩体隧洞岩爆灾害的孕育及发生过程经常伴随一系列的微震事件;通过针对微震事件发生的时间、空间位置、数量多少、能量大小及震源体积分布等特征参数进行分析,有助于认识岩体的破裂机制,进而为岩爆等动力地质灾害的研究与防治提供理论基础。采用理论分析与微震监测相结合的研究手段,基于锦屏Ⅱ级水电站深埋引水隧洞施工过程中大量不同类型(即时性应变–结构面滑移型岩爆、即时性应变型岩爆)、不同等级即时性岩爆的典型案例,针对岩爆孕育及发生的动态过程展开震源体积分布的自相似特征及分形行为研究。结果表明:深部岩体隧洞开挖即时性岩爆孕育过程中的微震源体积分布表现出良好的自相似性,其自相似系数均大于0.97;对于不同类型的即时性岩爆,其微震信息震源体积分形维数均随着岩爆孕育过程不断增加,岩爆发生时达到最大值的特征;应变–结构面滑移型岩爆过程中每天的震源体积分形维数分布在0.1～0.8范围内,应变型岩爆过程中每天的震源体积分形维数分布在0.4～1.3范围内,岩爆发生当天的分形维数均大于1.0。研究成果对高地应力条件下岩爆灾害动态预警体系的建立具有重要的指导意义,同时可为中国深部岩体隧洞开挖过程的安全设计提供必要的科学依据和支撑。

扰动作用下矿柱滑移失稳的理论分析

动力扰动作用下,处于高静载状态的岩石极易沿已有裂缝产生滑移,造成滑移型岩爆等动力灾害。通过能量分析和变分原理对动力扰动诱发高应力矿柱断裂滑移失稳(滑移型岩爆)的力学机理进行分析,得出了动力扰动条件下矿柱失稳的充要条件。通过开展动静组合荷载作用下的矿柱滑移失稳试验,验证了理论分析的正确性。研究表明:矿柱的动力滑移失稳只会发生在峰后阶段,对于处在峰前稳定平衡状态的矿柱,若要发生动力滑移失稳,需要爆破振动、巷道断裂等人工或者自然活动所产生的动力扰动达到一定量值,同时还需满足加载刚度k1小于峰后的滑移刚度k2。因此,对矿柱断裂滑移型岩爆量级的预测则须准确地确定过剪应力的量值。

冲击荷载作用下红砂岩块体滑移特征试验研究

岩爆是深埋工程开挖过程中常遇到的动力灾害。为了进一步理解滑移型岩爆的触发机理,本文利用块系岩体动态特性试验系统,进行冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验,获得了冲击扰动诱发岩块不可逆位移、滑移失稳的规律、影响因素及临界能量阈值。试验结果表明:冲击扰动诱发岩块间不可逆位移只需冲击能量达到一定阈值,而冲击扰动诱发岩块间滑移失稳(滑移型岩爆)则必须同时满足接触面(断裂面)处于高切向地应力水平的准稳定状态和岩体运动的冲击能量达到一定阈值。重复冲击荷载试验进一步说明:水平静力及冲击力幅值越大,诱发岩块滑移失稳所需要的扰动次数越少。

基于微震信息的硬岩新生破裂面方位特征矩张量分析

为了更清晰直观地了解高应力下硬岩破坏(岩爆、片帮、应力型塌方等)孕育过程中岩石破裂演化过程,根据岩石破裂面的特点,依据微震监测数据的矩张量结果,推导并得到了岩体破裂面空间方位计算方法,在此基础上给出了根据运动夹角来判断岩石破裂类型的确定方法。借助此方法,在实例研究中进一步证明了深埋隧洞矩张量分解判断破裂类型分析方法的可靠性。依托锦屏二级水电站深埋引水隧洞这一典型工程,依据破裂面的方位角、倾角特征和岩爆宏观破坏情况,初步探究了即时性应变-结构面滑移型岩爆的孕育过程:在岩爆孕育初期,以张拉破裂为主,由于硬性结构面的存在,在开挖扰动应力调整初期,破裂面由岩体浅层往岩体较深层硬性结构面扩展,张拉破裂面尖端接近硬性结构面时,硬性结构面上发生剪切滑移,若较深层岩体内部还有其他硬性结构面存在,则在该硬性结构面尖端,除随着岩体浅层切向应力的持续增大,往开挖面扩展外,继续以张拉破裂面型式往深层扩展,至较深层硬性结构面上剪切破裂产生,最终以剪切滑移面为破坏面边界往开挖面发展,并最终将岩体抛掷而出。