拋擲型巖爆機(jī)理分析與模擬試驗(yàn)技術(shù)

拋擲型巖爆機(jī)理分析與模擬試驗(yàn)技術(shù)第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

前言

1對拋擲型巖爆機(jī)理的新認(rèn)識(shí)2對拋擲型巖爆機(jī)理模擬試驗(yàn)技術(shù)的分析與建議3對拋擲型巖爆機(jī)理模擬試驗(yàn)裝置的研發(fā)4新裝置巖爆試件模擬試驗(yàn)概況結(jié)語匯報(bào)提綱第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一前言

巖爆是在高地應(yīng)力地區(qū)硬巖隧洞施工中經(jīng)常發(fā)生的一種動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害。因?yàn)閹r爆發(fā)生時(shí)會(huì)有大量巖塊飛出，往往會(huì)給人員、設(shè)備造成重大災(zāi)害（見圖），所以巖爆問題倍受人們關(guān)注。下面是錦屏二級水電站在隧洞施工中的巖爆現(xiàn)象。錦屏二級水電站引水隧洞施工中巖爆破壞景象第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一錦屏二級水電站排水洞施工中巖爆破壞景象盡管國內(nèi)外學(xué)者對巖爆問題進(jìn)行了多方面的研究，也取得了不少成果，但目前仍有不少問題，如巖爆機(jī)理、巖爆定義、巖爆類型等都還沒有統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，尚待研究解決。第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一我們也按目前對巖爆機(jī)理的認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)加工了一套試驗(yàn)裝置。該裝置對巖爆影響因素考慮的比較全，如初始地應(yīng)力場的影響，開挖效應(yīng)、時(shí)空效應(yīng)、巖體特征等影響都做了考慮。但在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)巖爆試件只產(chǎn)生靜力型破壞，未產(chǎn)生拋擲型巖爆。上述現(xiàn)象促使我們對巖爆機(jī)理和模擬試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行了深入思考，認(rèn)識(shí)到目前我們對巖爆機(jī)理的認(rèn)識(shí)上還不夠全面，在試驗(yàn)研究方法上還存在缺陷。第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一我們結(jié)合拋擲型巖爆的特點(diǎn)（因?yàn)閽仈S型巖爆具有巖爆的典型特征：有聲響，有拋擲現(xiàn)象等），對其機(jī)理進(jìn)行了深入分析，有了新的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，研制出新的試驗(yàn)裝置，開展了新的試驗(yàn)。在試驗(yàn)中較好地實(shí)現(xiàn)了拋擲型巖爆現(xiàn)象。為了交流經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)這項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展，我向大家做一簡要匯報(bào)，有不合適的地方，歡迎批評指正！第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一前人對巖爆機(jī)理已經(jīng)做了較多的研究。我們是在前人研究的基礎(chǔ)上，針對拋擲型巖爆的特點(diǎn)，再談點(diǎn)新認(rèn)識(shí)。共有四點(diǎn)：1對拋擲型巖爆機(jī)理的新認(rèn)識(shí)第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（1）在巖爆應(yīng)力判據(jù)中給出的圍巖應(yīng)力σθ/Rc=0.3～0.7的條件下就可發(fā)生巖爆，甚至可發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆，是因?yàn)樵趪鷰r內(nèi)存在軟弱結(jié)構(gòu)區(qū)之故。實(shí)際工程中很少看到整個(gè)圍巖都發(fā)生巖爆的現(xiàn)象，一般都是局部發(fā)生。這是因?yàn)閲鷰r不是均勻的，其內(nèi)有層理、節(jié)理、裂隙、斷層等軟弱結(jié)構(gòu)面形成的軟弱結(jié)構(gòu)區(qū)。因?yàn)檐浫踅Y(jié)構(gòu)區(qū)內(nèi)巖體強(qiáng)度低，在圍巖內(nèi)整體強(qiáng)度還沒有達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，軟弱結(jié)構(gòu)區(qū)就可能已達(dá)到破壞標(biāo)準(zhǔn)，這就造成在σθ/Rc=0.3～0.7條件下，圍巖內(nèi)就可能發(fā)生巖爆，甚至可能發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆的現(xiàn)象。上述觀點(diǎn)啟示我們，在巖爆模擬試驗(yàn)中，應(yīng)該考慮軟弱結(jié)構(gòu)區(qū)的影響。第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（2）單靠巖爆體本身積蓄的能量不足以發(fā)生拋擲型巖爆，要發(fā)生拋擲型巖爆，必須要有外力功對其破壞過程進(jìn)行能量補(bǔ)充。

這是因?yàn)?，?dāng)應(yīng)力狀態(tài)給定后，對于不全被被封閉或不全被約束的巖爆試件，通過外力做功使其吸收的內(nèi)能總量是有限的，其最大值應(yīng)該等于材料變形達(dá)到極限時(shí)外力所做的有效功。超過這個(gè)數(shù)值再加外力，材料就要用破壞來消耗外力功。這就像用水桶裝水，水裝滿了再加水，水就要流出來一樣。

換句話說，材料吸收的內(nèi)能達(dá)到極限時(shí)，材料并不發(fā)生破壞。材料要破壞，外力必須再做功。第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一對巖爆問題來說，巖爆體也是一種不被全部約束的結(jié)構(gòu)體（因它有自由面)。當(dāng)巖爆體吸收的內(nèi)能達(dá)到極限時(shí)，它并不會(huì)發(fā)生破壞（巖爆）。它要發(fā)生破壞（巖爆），也必須要有外力功對其破壞過程進(jìn)行能量補(bǔ)充，也就是必須讓洞壁圍巖繼續(xù)對它產(chǎn)生擠壓變形。上述觀點(diǎn)啟示我們，在巖爆機(jī)理模擬試驗(yàn)中，必須對巖爆試件進(jìn)行能量補(bǔ)充，以保持試件的破壞過程。第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（3）工程中巖爆發(fā)生時(shí)，洞壁圍巖會(huì)對巖爆體產(chǎn)生能量匯聚，這是拋擲型巖爆發(fā)生的重要前提。

在實(shí)際工程中看到：在高地應(yīng)力地區(qū)開挖隧洞時(shí)，洞壁圍巖往往要產(chǎn)生很大的收斂變形，有時(shí)會(huì)把洞內(nèi)的支護(hù)、襯砌都壓垮（見圖1-1）。圖1-1洞室收斂擠壓變形狀態(tài)第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一另外，從圍巖彈塑性理論分析中也可看出（見圖1-2），在洞室開挖之后，洞壁圍巖要產(chǎn)生徑向位移，要限制這種位移的發(fā)展，需要對洞壁提供較大的支撐力。圖1-2洞壁位移-支護(hù)抗力關(guān)系曲線第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一巖爆是發(fā)生在洞壁圍巖中。圍巖中的應(yīng)力在開洞時(shí)已產(chǎn)生了一次應(yīng)力集中，如果再發(fā)生巖爆，將引起第二次應(yīng)力集中。因而在巖爆發(fā)生時(shí)，洞壁圍巖將會(huì)對巖爆體產(chǎn)生更大的擠壓變形和釋放更多的能量。我們把洞壁圍巖對巖爆體釋放能量的過程稱為能量匯聚。能量匯聚是拋擲型巖爆發(fā)生的重要前提，也是我們在巖爆機(jī)理模擬試驗(yàn)中，對巖爆試件進(jìn)行能量補(bǔ)充的重要依據(jù)。第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（4）在拋擲型巖爆發(fā)生時(shí)，存在由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)化工程，這種轉(zhuǎn)化是由洞壁圍巖對巖爆體釋放的能量有剩余造成的。

眾所周知，拋擲型巖爆發(fā)生時(shí)有一個(gè)由靜態(tài)到動(dòng)態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。這個(gè)過程的轉(zhuǎn)化是由于巖爆發(fā)生時(shí)，洞壁圍巖對巖爆體釋放的能量有剩余造成的。這可從洞壁圍巖與巖爆體相互作用簡圖中看出，簡圖1-3。圖1-3的繪制是根據(jù)巖爆應(yīng)力判據(jù)中，圍巖應(yīng)力在σθ/Rc=0.3～0.7的條件下，即在圍巖尚處于彈性條件下就可能發(fā)生巖爆，因此我們可用彈簧代替周圍巖體對巖爆體的作用。第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一圖1-3洞壁圍巖與巖爆體相互作用原理示意圖從圖1-3中看出：在巖爆發(fā)生前，彈簧（圍巖）與巖爆體是處于應(yīng)力平衡狀態(tài)的。在巖爆發(fā)生時(shí)，因巖爆體材料已進(jìn)入峰值后期階段，其剛度逐漸降低，而彈簧的剛度不變。根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件，彈簧和巖爆體的位移相等，故彈簧釋放的彈性能就大于巖爆體吸收的變形能。多余能量消耗在巖爆體材料的破壞上。第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一隨著巖爆過程的發(fā)展，巖爆體材料的剛度越來越低，彈簧剩余的能量比例也就越來越大。這就為巖爆體破壞過程越來越快創(chuàng)造了條件。最終導(dǎo)致巖爆體從初始靜力破壞狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力破壞狀態(tài)。因巖爆體在動(dòng)力破壞過程中，巖爆體材料自身具有了速度，也就是據(jù)有了動(dòng)能，所以巖爆碎塊可以飛離試件，形成拋擲型巖爆。第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一2、對拋擲型巖爆機(jī)理模擬試驗(yàn)技術(shù)的分析與建議采用普通油壓控制系統(tǒng)加載，無法使巖爆試件或洞室模型產(chǎn)生拋擲型巖爆。這是因?yàn)椋胀ㄓ蛪嚎刂葡到y(tǒng)加載，油路系統(tǒng)供油緩慢，不能滿足巖爆試件迅速破壞的要求。它只能使試件產(chǎn)生緩慢的靜力型破壞，見圖2-1。2.1用普通油壓控制系統(tǒng)加載是無法產(chǎn)生拋擲型巖爆的第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一要使巖爆試件產(chǎn)生拋擲型巖爆，必須解決使巖爆試件產(chǎn)生迅速破壞的技術(shù)問題。圖2-1用普通油壓控制系統(tǒng)加載試件和洞室模型破壞形態(tài)(a)洞室模型(b)巖爆試件第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一<1>試件材料要有硬脆性特征；<2>試件上要有應(yīng)力集中現(xiàn)象；

<3>在加載過程中要有能量補(bǔ)充。（1）巖爆試件應(yīng)滿足如下要求：根據(jù)前面對巖爆機(jī)理與試驗(yàn)技術(shù)的分析，我們對拋擲型巖爆模機(jī)理擬試驗(yàn)技術(shù)提出如下建議：2.2對拋擲型巖爆機(jī)理模擬試驗(yàn)的建議第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

（2）加載裝置與試驗(yàn)方法如圖2-2所示，加載裝置采用彈簧-油缸系統(tǒng)。對彈簧的要求是變形剛度要小于試件的剛度，最大恢復(fù)力要等于材料后期強(qiáng)度某點(diǎn)上的承載力，見圖2-3。圖2-2拋擲型巖爆試件模擬試驗(yàn)方案圖2-3彈簧的最大恢復(fù)力等于材料后期強(qiáng)度某點(diǎn)上的支撐力第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一3、對拋擲型巖爆機(jī)理模擬試驗(yàn)裝置的研制我們自主研發(fā)了如下兩套試驗(yàn)裝置：第一套裝置是彈簧-油缸系統(tǒng)，見圖3-1，油缸最大出力50噸。在油缸壓頭與試件表面之間設(shè)置一個(gè)8噸的蝶形彈簧（噸位大小可靈活確定）。第二套裝置是油-氣復(fù)合系統(tǒng)，見圖3-2，該系統(tǒng)是專門為巖爆機(jī)理模擬試驗(yàn)研制的，其氣體壓力大小及釋放時(shí)間可以控制。使用效果表明，兩套裝置均可使試件產(chǎn)生拋擲型巖爆現(xiàn)象。第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一圖3-1彈簧-油缸系統(tǒng)巖爆模擬試驗(yàn)裝置

圖3-2油-氣復(fù)合系統(tǒng)巖爆模擬試驗(yàn)裝置第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一4新裝置巖爆試件模擬試驗(yàn)概況

我們用多塊水泥砂漿巖爆試件進(jìn)行了巖爆模擬試驗(yàn)。試件尺寸：150mm×150mm×200mm（長×寬×高），材料強(qiáng)度Rc=20MPa左右。加載方法如前面圖3-1、圖3-2所示。共做了三種不同烈度的巖爆試驗(yàn)，結(jié)果如下：

第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（a）輕度巖爆4.1試件的巖爆景象第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（b）中等巖爆第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（c）劇烈?guī)r爆第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

從錄像片中可以看出，巖爆發(fā)生時(shí)，均有較大聲響，并有大量碎塊飛離試件。巖爆烈度越高，飛離的碎塊越多，飛離的距離越遠(yuǎn)，表現(xiàn)出了典型的拋擲型巖爆特征。各試件飛離碎塊的散布特征見圖4-1。4.2試件的宏觀破壞現(xiàn)象第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（a）輕度巖爆圖4-1飛離碎塊的散布特征第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（b）中等巖爆第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一(c)劇烈?guī)r爆第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一為了分析巖爆碎塊的散落狀態(tài)，我們把巖爆碎塊飛離距離分成幾個(gè)區(qū)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，把每個(gè)區(qū)間內(nèi)的碎塊質(zhì)量求和（用試件質(zhì)量的百分比表示）作為該區(qū)間內(nèi)中點(diǎn)的質(zhì)量M，用該區(qū)間中點(diǎn)至試件表面的距離作為碎塊拋擲水平距離S，用試件的高度中點(diǎn)至地面的距離，作為碎塊降落高度H。根據(jù)上述數(shù)據(jù)就可計(jì)算出巖爆碎塊質(zhì)量分布及其平均動(dòng)能等數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表，見表1。4.3巖爆碎塊飛離狀態(tài)統(tǒng)計(jì)規(guī)律（1）巖爆碎塊飛離狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一從表中看到，巖爆烈度與試件動(dòng)的能大小、碎塊質(zhì)量的多少和飛離距離的遠(yuǎn)近均成正比關(guān)系。試驗(yàn)序號巖爆烈度評價(jià)試件總質(zhì)量巖爆質(zhì)量百分比巖爆碎塊在不同區(qū)間的質(zhì)量分布/g巖爆動(dòng)能/J0.3-1.0m1.0-2.0m2.0-4.0m4.0-6.0m1輕度巖爆892040.1%2055.041345.16137.0039.0038.922中等巖爆859044%1355.6502.51574.4337.0154.963劇烈?guī)r爆840063.5%2395.91043.6874.81018.0268.04表1巖爆碎塊飛離狀態(tài)統(tǒng)計(jì)表第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一（2）巖爆碎塊質(zhì)量分布柱狀圖，見圖4-2。圖4-2碎塊質(zhì)量分布柱狀圖（b）中等巖爆（c）劇烈?guī)r爆（a）輕度巖爆第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期一

從圖中看到，一般情況下，大部分碎塊質(zhì)量都落在試件附近，0.3～1m范圍內(nèi)。但也有例外，