巖石巖爆傾向性表觀特性與發(fā)生機(jī)制研究.pdf

1、我國(guó)西南地區(qū)水電開(kāi)發(fā)、地下交通、深部資源開(kāi)采等工程，均普遍涉及復(fù)雜環(huán)境下地下硐室?guī)r爆的預(yù)測(cè)與控制問(wèn)題，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于巖爆的預(yù)測(cè)尚缺乏系統(tǒng)的理論，對(duì)巖爆的機(jī)理也有待進(jìn)一步探索，因此開(kāi)展巖石巖爆傾向性的試驗(yàn)與理論研究，對(duì)于揭示巖爆的發(fā)生機(jī)制以及巖爆的預(yù)測(cè)，具有重要的理論與實(shí)際意義。本文以四種巖石為研究對(duì)象，運(yùn)用MTS加載系統(tǒng)進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)，同時(shí)采用聲發(fā)射儀和高速攝影機(jī)對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，分析各類巖石的礦巖成分和微觀結(jié)構(gòu)，歸納具有不同巖爆

2、傾向性巖石的特征，建立表征巖石巖爆傾向性的串并聯(lián)計(jì)算模型，探索巖爆傾向性的形成機(jī)理。同時(shí)采用巖石表面分形維數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)變化規(guī)律描述巖石受載過(guò)程表觀特征，達(dá)到準(zhǔn)確、客觀評(píng)判巖石巖爆傾向性的目的。本文取得的研究成果如下：
　　(1)通過(guò)開(kāi)展四種巖石單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程中的聲發(fā)射試驗(yàn)，在持續(xù)加載和加卸載兩種條件下，巖爆傾向性最強(qiáng)的花崗巖聲發(fā)射計(jì)數(shù)平均值、幅值和能量都是四種巖石中最大的；巖爆傾向性最小的大理巖在加載過(guò)程中聲發(fā)射幾乎很少，一般

3、集中發(fā)生在峰后應(yīng)力下降階段，其聲發(fā)射幅值和聲發(fā)射能量在四種巖樣中都是最小的。
　　(2)基于四種巖石的礦物成分及含量，開(kāi)展了巖石巖爆傾向性的定量判別準(zhǔn)則的研究。結(jié)果表明，巖石中含有堅(jiān)硬、儲(chǔ)能能力強(qiáng)的礦物時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的巖爆傾向性。通過(guò)建立巖石加權(quán)莫氏硬度計(jì)算模型，計(jì)算了各類巖石的串聯(lián)加權(quán)莫氏硬度和并聯(lián)加權(quán)莫氏硬度，得出巖石的串聯(lián)加權(quán)莫氏硬度大于6.0時(shí)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的巖爆傾向性，小于4.0時(shí)為弱巖爆傾向性；并聯(lián)加權(quán)莫氏硬度大于0.5時(shí)巖

4、石巖爆傾向性較強(qiáng)，小于0.3時(shí)巖爆傾向性較弱。
　　(3)基于高速攝影和圖像獲取技術(shù)，開(kāi)展了巖石在不同加載條件下表面分形維數(shù)的研究。研究表明，四種巖石在單軸壓縮試驗(yàn)后的表面分形維數(shù)普遍大于其試驗(yàn)前的表面分形維數(shù)，巖爆傾向性越大，其表面分形維數(shù)在試驗(yàn)前后的變化差值越大，當(dāng)分形維數(shù)變化差值超過(guò)0.03時(shí)，巖石表現(xiàn)出較強(qiáng)的巖爆傾向性。持續(xù)加載條件下不同巖石由于結(jié)構(gòu)不同使得破壞的裂紋形態(tài)分布不同，巖爆傾向性大的巖石破壞結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，分形維

5、數(shù)更大，比較四種巖石的裂紋分形維得出當(dāng)其值超過(guò)1.43時(shí)，巖石表現(xiàn)出較強(qiáng)的巖爆傾向性。
　　(4)開(kāi)展了巖石巖爆傾向性聲發(fā)射特征的研究，巖石在峰值強(qiáng)度或是破壞前其聲發(fā)射計(jì)數(shù)關(guān)聯(lián)維數(shù)都出現(xiàn)降維現(xiàn)象，四種巖石的降維幅度排序?yàn)椋夯◢弾r＞矽卡巖＞角巖＞大理巖，巖石的降維幅度與巖爆傾向性大小之間存在正比關(guān)系。當(dāng)聲發(fā)射計(jì)數(shù)關(guān)聯(lián)維數(shù)降維超過(guò)40％時(shí)，巖石表現(xiàn)出強(qiáng)烈的巖爆傾向性。巖石在破壞前出現(xiàn) b值的減小。前期聲發(fā)射 b值較為平穩(wěn)，破壞前出現(xiàn)劇