巖石巖爆傾向性表觀特性與發(fā)生機制研究.pdf

1、我國西南地區(qū)水電開發(fā)、地下交通、深部資源開采等工程，均普遍涉及復雜環(huán)境下地下硐室?guī)r爆的預(yù)測與控制問題，但目前國內(nèi)外對于巖爆的預(yù)測尚缺乏系統(tǒng)的理論，對巖爆的機理也有待進一步探索，因此開展巖石巖爆傾向性的試驗與理論研究，對于揭示巖爆的發(fā)生機制以及巖爆的預(yù)測，具有重要的理論與實際意義。本文以四種巖石為研究對象，運用MTS加載系統(tǒng)進行單軸壓縮試驗，同時采用聲發(fā)射儀和高速攝影機對整個過程進行監(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)計算模型，探索巖爆傾向性的形成機理。同時采用巖石表面分形維數(shù)和聲發(fā)射參數(shù)變化規(guī)律描述巖石受載過程表觀特征，達到準確、客觀評判巖石巖爆傾向性的目的。本文取得的研究成果如下：
　　(1)通過開展四種巖石單軸壓縮試驗過程中的聲發(fā)射試驗，在持續(xù)加載和加卸載兩種條件下，巖爆傾向性最強的花崗巖聲發(fā)射計數(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，開展了巖石巖爆傾向性的定量判別準則的研究。結(jié)果表明，巖石中含有堅硬、儲能能力強的礦物時表現(xiàn)出強烈的巖爆傾向性。通過建立巖石加權(quán)莫氏硬度計算模型，計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時表現(xiàn)出強烈的巖爆傾向性，小于4.0時為弱巖爆傾向性；并聯(lián)加權(quán)莫氏硬度大于0.5時巖

4、石巖爆傾向性較強，小于0.3時巖爆傾向性較弱。
　　(3)基于高速攝影和圖像獲取技術(shù)，開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后的表面分形維數(shù)普遍大于其試驗前的表面分形維數(shù)，巖爆傾向性越大，其表面分形維數(shù)在試驗前后的變化差值越大，當分形維數(shù)變化差值超過0.03時，巖石表現(xiàn)出較強的巖爆傾向性。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)更為復雜，分形維

5、數(shù)更大，比較四種巖石的裂紋分形維得出當其值超過1.43時，巖石表現(xiàn)出較強的巖爆傾向性。
　　(4)開展了巖石巖爆傾向性聲發(fā)射特征的研究，巖石在峰值強度或是破壞前其聲發(fā)射計數(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為：花崗巖＞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。當聲發(fā)射計數(shù)關(guān)聯(lián)維數(shù)降維超過40％時，巖石表現(xiàn)出強烈的巖爆傾向性。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