《抛掷型岩爆机理分析与模拟试验技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《抛掷型岩爆机理分析与模拟试验技术（38页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、总参工程兵科研三所总参工程兵科研三所2013年年8月月 哈尔滨哈尔滨 前前 言言 1 对抛掷型岩爆机理的新认识对抛掷型岩爆机理的新认识 2 对抛掷型岩爆机理模拟试验技术的分析与建议对抛掷型岩爆机理模拟试验技术的分析与建议 3 对抛掷型岩爆机理模拟试验装置的研发对抛掷型岩爆机理模拟试验装置的研发 4 新装置岩爆试件模拟试验概况新装置岩爆试件模拟试验概况 结结 语语汇报提纲汇报提纲前前 言言 岩岩爆爆是是在在高高地地应应力力地地区区硬硬岩岩隧隧洞洞施施工工中中经经常常发发生生的的一一种种动动力力地地质质灾灾害害。因因为为岩岩爆爆发发生生时时会会有有大大量量岩岩块块飞飞出出，往往往往会会给给人人员员
2、、设设备备造造成成重重大大灾灾害害（见见图图），所所以以岩岩爆爆问问题题倍倍受受人人们关注。下面是锦屏二级水电站在隧洞施工中的岩爆现象。们关注。下面是锦屏二级水电站在隧洞施工中的岩爆现象。锦屏二级水电站引水隧洞施工中岩爆破坏景象锦屏二级水电站引水隧洞施工中岩爆破坏景象锦屏二级水电站排水洞施工中岩爆破坏景象锦屏二级水电站排水洞施工中岩爆破坏景象 尽尽管管国国内内外外学学者者对对岩岩爆爆问问题题进进行行了了多多方方面面的的研研究究，也也取取得得了了不不少少成成果果，但但目目前前仍仍有有不不少少问问题题，如如岩岩爆爆机机理理、岩岩爆爆定定义义、岩岩爆爆类类型型等等都都还还没没有有统统一一的的认认识识
3、，尚尚待研究解决。待研究解决。 我我们们也也按按目目前前对对岩岩爆爆机机理理的的认认识识设设计计加加工工了了一一套套试试验验装装置置。该该装装置置对对岩岩爆爆影影响响因因素素考考虑虑的的比比较较全全，如如初初始始地地应应力力场场的的影影响响，开开挖挖效效应应、时时空空效效应应、岩岩体体特特征征等等影影响响都都做做了了考考虑虑。但但在在试试验验中中发发现现岩岩爆爆试试件件只只产产生生静静力力型型破破坏，未产生抛掷型岩爆。坏，未产生抛掷型岩爆。 上上述述现现象象促促使使我我们们对对岩岩爆爆机机理理和和模模拟拟试试验验技技术术进进行行了了深深入入思思考考，认认识识到到目目前前我我们们对对岩岩爆爆机机
4、理理的的认认识识上上还还不不够够全面，在试验研究方法上还存在缺陷。全面，在试验研究方法上还存在缺陷。 我我们们结结合合抛抛掷掷型型岩岩爆爆的的特特点点（因因为为抛抛掷掷型型岩岩爆爆具具有有岩岩爆爆的的典典型型特特征征：有有声声响响，有有抛抛掷掷现现象象等等），对对其其机机理理进进行行了了深深入入分分析析，有有了了新新的的认认识识。在在此此基基础础上上，研研制制出出新新的的试试验验装装置置，开开展展了了新新的的试试验验。在在试试验验中中较较好好地地实实现现了抛掷型岩爆现象。了抛掷型岩爆现象。 为为了了交交流流经经验验，促促进进这这项项事事业业的的发发展展，我我向向大大家家做做一简要汇报，有不合适
5、的地方，欢迎批评指正！一简要汇报，有不合适的地方，欢迎批评指正！ 前前人人对对岩岩爆爆机机理理已已经经做做了了较较多多的的研研究究。我我们们是是在在前前人人研研究究的的基基础础上上，针针对对抛抛掷掷型型岩岩爆爆的的特特点点，再再谈谈点点新新认认识识。共有四点：共有四点：1 对抛掷型岩爆机理的新认识对抛掷型岩爆机理的新认识（1）在岩爆应力判据中给出的围岩应力）在岩爆应力判据中给出的围岩应力/Rc=0.30.7的条的条 件下件下就可发生岩爆，甚至可发生强烈岩爆，是因为在围就可发生岩爆，甚至可发生强烈岩爆，是因为在围 岩内存在软弱结构区之故。岩内存在软弱结构区之故。 实际工程中很少看到整个围岩都发生
6、岩爆的现象，一般实际工程中很少看到整个围岩都发生岩爆的现象，一般都是局部发生。这是因为围岩不是均匀的，其内有层理、节都是局部发生。这是因为围岩不是均匀的，其内有层理、节理、裂隙、断层等软弱结构面形成的软弱结构区。因为软弱理、裂隙、断层等软弱结构面形成的软弱结构区。因为软弱结构区内岩体强度低，在围岩内整体强度还没有达到破坏标结构区内岩体强度低，在围岩内整体强度还没有达到破坏标准时，软弱结构区就可能已达到破坏标准，这就造成在准时，软弱结构区就可能已达到破坏标准，这就造成在/ Rc=0.30.7条件下，围岩内就可能发生岩爆，甚至可能发生条件下，围岩内就可能发生岩爆，甚至可能发生强烈岩爆的现象。强烈岩
7、爆的现象。 上述观点启示我们，在岩爆模拟试验中，应该考虑软弱上述观点启示我们，在岩爆模拟试验中，应该考虑软弱结构区的影响。结构区的影响。 （2）单靠岩爆体本身积蓄的能量不足以发生抛掷型岩爆，）单靠岩爆体本身积蓄的能量不足以发生抛掷型岩爆， 要要 发生抛掷型岩爆，必须要有外力功对其破坏过程进行能发生抛掷型岩爆，必须要有外力功对其破坏过程进行能 量补充。量补充。 这这是是因因为为，当当应应力力状状态态给给定定后后，对对于于不不全全被被被被封封闭闭或或不不全全被被约约束束的的岩岩爆爆试试件件，通通过过外外力力做做功功使使其其吸吸收收的的内内能能总总量量是是有有限限的的，其其最最大大值值应应该该等等于
8、于材材料料变变形形达达到到极极限限时时外外力力所所做做的的有有效效功功。超超过过这这个个数数值值再再加加外外力力，材材料料就就要要用用破破坏坏来来消消耗耗外外力力功功。这这就就像像用用水水桶桶装装水水，水水装装满满了了再再加加水水，水水就就要要流流出出来来一样。一样。 换句话说，材料吸收的内能达到极限时，材料并不发生换句话说，材料吸收的内能达到极限时，材料并不发生破坏。材料要破坏，外力必须再做功。破坏。材料要破坏，外力必须再做功。 对岩爆问题来说，岩爆体也是一种不被全部约束的结构对岩爆问题来说，岩爆体也是一种不被全部约束的结构体（因它有自由面体（因它有自由面)。当岩爆体吸收的内能达到极限时，它
9、。当岩爆体吸收的内能达到极限时，它并不会发生破坏（岩爆）。它要发生破坏（岩爆），也必须并不会发生破坏（岩爆）。它要发生破坏（岩爆），也必须要有外力功对其破坏过程进行能量补充，也就是必须让洞壁要有外力功对其破坏过程进行能量补充，也就是必须让洞壁围岩继续对它产生挤压变形。围岩继续对它产生挤压变形。 上述观点启示我们，在岩爆机理模拟试验中上述观点启示我们，在岩爆机理模拟试验中 ，必须对岩，必须对岩爆试件进行能量补充，以保持试件的破坏过程。爆试件进行能量补充，以保持试件的破坏过程。（3）工程中岩爆发生时，洞壁围岩会对岩爆体产生能量汇）工程中岩爆发生时，洞壁围岩会对岩爆体产生能量汇 聚聚 ，这是抛掷型岩
10、爆发生的重要前提，这是抛掷型岩爆发生的重要前提 。 在在实实际际工工程程中中看看到到：在在高高地地应应力力地地区区开开挖挖隧隧洞洞时时，洞洞壁壁围围岩岩往往往往要要产产生生很很大大的的收收敛敛变变形形，有有时时会会把把洞洞内内的的支支护护、衬砌都压垮（见图衬砌都压垮（见图1-1）。）。图图1-1 洞室收敛挤压变形状态洞室收敛挤压变形状态 另另外外，从从围围岩岩弹弹塑塑性性理理论论分分析析中中也也可可看看出出（见见图图1-2），在在洞洞室室开开挖挖之之后后，洞洞壁壁围围岩岩要要产产生生径径向向位位移移，要要限限制制这这种种位移的发展，需要对洞壁提供较大的支撑力位移的发展，需要对洞壁提供较大的支撑
11、力 。图图1-2 洞壁位移洞壁位移-支护抗力关系曲线支护抗力关系曲线 岩岩爆爆是是发发生生在在洞洞壁壁围围岩岩中中。围围岩岩中中的的应应力力在在开开洞洞时时已已产产生生了了一一次次应应力力集集中中，如如果果再再发发生生岩岩爆爆，将将引引起起第第二二次次应应力力集集中中。因因而而在在岩岩爆爆发发生生时时，洞洞壁壁围围岩岩将将会会对对岩岩爆爆体体产产生生更大的挤压变形和释放更多的能量。更大的挤压变形和释放更多的能量。 我我们们把把洞洞壁壁围围岩岩对对岩岩爆爆体体释释放放能能量量的的过过程程称称为为能能量量汇汇聚。聚。 能能量量汇汇聚聚是是抛抛掷掷型型岩岩爆爆发发生生的的重重要要前前提提，也也是是我
12、我们们在在岩岩爆爆机机理理模模拟拟试试验验中中，对对岩岩爆爆试试件件进进行行能能量量补补充充的的重重要要依依据。据。 （4）在抛掷型岩爆发生时，存在由静态到动态的转化工程，）在抛掷型岩爆发生时，存在由静态到动态的转化工程， 这种转化是由洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成这种转化是由洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成 的。的。 众众所所周周知知，抛抛掷掷型型岩岩爆爆发发生生时时有有一一个个由由静静态态到到动动态态的的转转变变过过程程。这这个个过过程程的的转转化化是是由由于于岩岩爆爆发发生生时时，洞洞壁壁围围岩岩对对岩岩爆爆体体释释放放的的能能量量有有剩剩余余造造成成的的。这这可可从从洞洞壁壁
13、围围岩岩与与岩岩爆体相互作用简图中看出，简图爆体相互作用简图中看出，简图1-3。 图图1-3的的绘绘制制是是根根据据岩岩爆爆应应力力判判据据中中，围围岩岩应应力力在在/Rc=0.30.7的的条条件件下下，即即在在围围岩岩尚尚处处于于弹弹性性条条件件下下就就可可能能发发生生岩岩爆爆，因因此此我我们们可可用用弹弹簧簧代代替替周周围围岩岩体体对对岩岩爆爆体体的的作用。作用。图图1-3 洞壁围岩与岩爆体相互作用原理示意图洞壁围岩与岩爆体相互作用原理示意图 从从图图1-3中中看看出出：在在岩岩爆爆发发生生前前，弹弹簧簧（围围岩岩）与与岩岩爆爆体体是是处处于于应应力力平平衡衡状状态态的的 。在在岩岩爆爆发
14、发生生时时，因因岩岩爆爆体体材材料料已已进进入入峰峰值值后后期期阶阶段段，其其刚刚度度逐逐渐渐降降低低，而而弹弹簧簧的的刚刚度度不不变变。根根据据变变形形协协调调条条件件，弹弹簧簧和和岩岩爆爆体体的的位位移移相相等等，故故弹弹簧簧释释放放的的弹弹性性能能就就大大于于岩岩爆爆体吸收的变形能。多余能量消耗在岩爆体材料的破坏上。体吸收的变形能。多余能量消耗在岩爆体材料的破坏上。 随随着着岩岩爆爆过过程程的的发发展展，岩岩爆爆体体材材料料的的刚刚度度越越来来越越低低，弹弹簧簧剩剩余余的的能能量量比比例例也也就就越越来来越越大大。这这就就为为岩岩爆爆体体破破坏坏过过程程越越来来越越快快创创造造了了条条件
15、件。最最终终导导致致岩岩爆爆体体从从初初始始静静力力破破坏坏状状态转变为动力破坏状态。态转变为动力破坏状态。 因因岩岩爆爆体体在在动动力力破破坏坏过过程程中中，岩岩爆爆体体材材料料自自身身具具有有了了速速度度，也也就就是是据据有有了了动动能能，所所以以岩岩爆爆碎碎块块可可以以飞飞离离试试件件，形形成抛掷型岩爆。成抛掷型岩爆。2、对对抛抛掷掷型型岩岩爆爆机机理理模模拟拟试试验验技技术术的的 分析与建议分析与建议 采采用用普普通通油油压压控控制制系系统统加加载载，无无法法使使岩岩爆爆试试件件或或洞洞室室模模型型产产生生抛抛掷掷型型岩岩爆爆。这这是是因因为为，普普通通油油压压控控制制系系统统加加载载
16、，油油路路系系统统供供油油缓缓慢慢，不不能能满满足足岩岩爆爆试试件件迅迅速速破破坏坏的的要要求求。它只能使试件产生缓慢的静力型破坏，它只能使试件产生缓慢的静力型破坏，见图见图2-1。 2.1 用普通油压控制系统加载是无法产生抛掷型岩用普通油压控制系统加载是无法产生抛掷型岩 爆的爆的 要要使使岩岩爆爆试试件件产产生生抛抛掷掷型型岩岩爆爆，必必须须解解决决使使岩岩爆爆试试件件产产生生迅速破坏的技术问题。迅速破坏的技术问题。 图图2-1 用普通油压控制系统加载用普通油压控制系统加载 试件和洞室模型破坏形态试件和洞室模型破坏形态(a) 洞室模型洞室模型(b) 岩爆试件岩爆试件 试件材料要有硬脆性特征；
17、试件材料要有硬脆性特征； 试件上要有应力集中现象；试件上要有应力集中现象； 在加载过程中要有能量补充。在加载过程中要有能量补充。（1）岩爆试件应满足如下要求：）岩爆试件应满足如下要求： 根根据据前前面面对对岩岩爆爆机机理理与与试试验验技技术术的的分分析析，我我们们对对抛抛掷掷型岩爆模机理拟试验技术提出如下建议：型岩爆模机理拟试验技术提出如下建议：2.2 对抛掷型岩爆机理模拟试验的建议对抛掷型岩爆机理模拟试验的建议 （2）加载装置与试验方法）加载装置与试验方法 如如图图2-2所所示示，加加载载装装置置采采用用弹弹簧簧-油油缸缸系系统统。对对弹弹簧簧的的要要求求是是变变形形刚刚度度要要小小于于试试
18、件件的的刚刚度度，最最大大恢恢复复力力要要等等于于材材料料后后期期强强度某点上的承载力，见图度某点上的承载力，见图2-3。图图2-2 抛掷型岩爆试件抛掷型岩爆试件 模拟试验方案模拟试验方案图图2-3 弹簧的最大恢复弹簧的最大恢复力等于材料后期强度某力等于材料后期强度某点上的支撑力点上的支撑力 3、对对抛抛掷掷型型岩岩爆爆机机理理模模拟拟试试验验装装置置的的研制研制 我们自主研发了如下两套试验装置：我们自主研发了如下两套试验装置： 第第一一套套装装置置是是弹弹簧簧-油油缸缸系系统统，见见图图3-1，油油缸缸最最大大出出力力50吨吨。在在油油缸缸压压头头与与试试件件表表面面之之间间设设置置一一个个
19、8吨吨的的蝶蝶形形弹弹簧簧（吨位大小可灵活确定）。（吨位大小可灵活确定）。 第第二二套套装装置置是是油油-气气复复合合系系统统，见见图图3-2，该该系系统统是是专专门门为为岩岩爆爆机机理理模模拟拟试试验验研研制制的的，其其气气体体压压力力大大小小及及释释放放时时间间可可以以控控制制。使使用用效效果果表表明明，两两套套装装置置均均可可使使试试件件产产生生抛抛掷掷型岩爆现象。型岩爆现象。图图3-1 弹簧弹簧-油缸系统岩爆模油缸系统岩爆模拟试验装置拟试验装置 图图3-2 油油-气复合系统气复合系统 岩爆模拟试验装置岩爆模拟试验装置 4 新装置岩爆试件模拟试验概况新装置岩爆试件模拟试验概况 我们用多块
20、水泥砂浆岩爆试件进行了岩爆模拟试验。试我们用多块水泥砂浆岩爆试件进行了岩爆模拟试验。试件尺寸：件尺寸：150mm150mm200mm（长（长宽宽高），材料强度高），材料强度Rc=20MPa左右。加载方法如前面图左右。加载方法如前面图3-1、图、图3-2所示。所示。 共做了三种不同烈度的岩爆试验，结果如下：共做了三种不同烈度的岩爆试验，结果如下： （a）轻度岩爆）轻度岩爆4.1 试件的岩爆景象试件的岩爆景象（b）中等岩爆）中等岩爆（c）剧烈岩爆）剧烈岩爆 从从录录像像片片中中可可以以看看出出，岩岩爆爆发发生生时时，均均有有较较大大声声响响，并并有有大大量量碎碎块块飞飞离离试试件件。岩岩爆爆烈烈度
21、度越越高高，飞飞离离的的碎碎块块越越多多，飞飞离离的的距距离离越越远远，表表现现出出了了典典型型的的抛抛掷掷型型岩岩爆爆特特征征。各各试试件件飞飞离碎块的散布特征见图离碎块的散布特征见图4-1。4.2 试件的宏观破坏现象试件的宏观破坏现象（a）轻度岩爆）轻度岩爆 图图4-1 飞离碎块的散布特征飞离碎块的散布特征（b）中等岩爆）中等岩爆(c) 剧烈岩爆剧烈岩爆 为为了了分分析析岩岩爆爆碎碎块块的的散散落落状状态态，我我们们把把岩岩爆爆碎碎块块飞飞离离距距离离分分成成几几个个区区间间进进行行统统计计，把把每每个个区区间间内内的的碎碎块块质质量量求求和和（用用试试件件质质量量的的百百分分比比表表示示
22、）作作为为该该区区间间内内中中点点的的质质量量 M，用用该该区区间间中中点点至至试试件件表表面面的的距距离离作作为为碎碎块块抛抛掷掷水水平平距距离离 S，用用试试件件的的高高度度中中点点至至地地面面的的距距离离，作作为为碎块降落高度碎块降落高度 H。 根根据据上上述述数数据据就就可可计计算算出出岩岩爆爆碎碎块块质质量量分分布布及及其其平平均动能等数据统计表，见表均动能等数据统计表，见表1。4.3 岩爆碎块飞离状态统计规律岩爆碎块飞离状态统计规律（1）岩爆碎块飞离状态统计表）岩爆碎块飞离状态统计表 从从表表中中看看到到，岩岩爆爆烈烈度度与与试试件件动动的的能能大大小小、碎碎块块质质量量的的多少和
23、飞离距离的远近均成正比关系。多少和飞离距离的远近均成正比关系。试验试验序号序号岩爆岩爆烈度烈度评价评价试件总试件总质量质量岩爆岩爆质量质量百分比百分比岩爆碎块在不同区间的质量分布岩爆碎块在不同区间的质量分布 /g/g岩爆岩爆动能动能/J/J0.3-1.0m0.3-1.0m1.0-2.0m1.0-2.0m2.0-4.0m2.0-4.0m4.0-6.0m4.0-6.0m1 1轻度轻度岩爆岩爆8920892040.1%40.1%2055.04 2055.04 1345.16 1345.16 137.00 137.00 39.00 39.00 38.9238.922 2中等中等岩爆岩爆85908590
24、44%44%1355.6 1355.6 502.5 502.5 1574.4 1574.4 337.0 337.0 154.96154.963 3剧烈剧烈岩爆岩爆8400840063.5%63.5%2395.9 2395.9 1043.6 1043.6 874.8 874.8 1018.0 1018.0 268.04268.04表表1 岩爆碎块飞离状态统计表岩爆碎块飞离状态统计表（2） 岩爆碎块质量分布柱状图，见图岩爆碎块质量分布柱状图，见图4-2。图图4-2 碎块质量分布柱状图碎块质量分布柱状图（b）中等岩爆）中等岩爆（c）剧烈岩爆）剧烈岩爆（a）轻度岩爆）轻度岩爆 从从图图中中看看到到，一
25、一般般情情况况下下，大大部部分分碎碎块块质质量量都都落落在在试试件件附附近近，0.31m范范围围内内。但但也也有有例例外外，如如图图4-2b,中中，大大部部分分质质量量分分布布在在24m 范范围围内内。产产生生这这种种现现象象的的原原因因尚待分析。尚待分析。图图4-3 岩爆碎块质量大小比例柱状图岩爆碎块质量大小比例柱状图 （3）岩爆碎块质量大小比例柱状图，见图）岩爆碎块质量大小比例柱状图，见图4-3。 （c）剧烈岩爆）剧烈岩爆（a）轻度岩爆）轻度岩爆 （b）中等岩爆）中等岩爆 从从图图中中看看到到，岩岩爆爆烈烈度度低低的的，大大质质量量岩岩爆爆碎碎块块所所占占比比例例高高，如如图图4-3a中中
26、300g以以上上的的占占70%多多。岩岩爆爆烈烈度度高高的的，小小质质量量的的岩岩爆爆碎碎块块所所占占比比例例高高，如如图图4-3c中中，50g以以下下的的占占56%以以上上。而而中中等等岩岩爆爆烈烈度度的的，小小质质量量的的岩岩块块占占45%，大大质质量量的的岩块占岩块占33%，中等质量的岩块占，中等质量的岩块占22%。结结 语语 本本文文对对抛抛掷掷型型岩岩爆爆机机理理在在前前人人分分析析的的基基础础上上，又又提提出出了了四四点点新新认认识识。对对岩岩爆爆机机理理模模拟拟试试验验技技术术做做了了分分析析，并并提提出出了了新新的的试试验验方方法法，研研发发了了两两套套新新的的试试验验装装置置，开开展展了了相相应应的的试试验验工工作作。从从试试验验结结果果来来看看，我我们们研研制制的的试试验验装装置置和和试试验技术都能较好地满足抛掷型岩爆模拟试验要求。验技术都能较好地满足抛掷型岩爆模拟试验要求。 但但由由于于岩岩爆爆问问题题本本身身的的复复杂杂性性，以以及及我我们们自自身身的的能能力力、经经验验、水水平平所所限限，文文中中不不妥妥、不不当当之之处处在在所所难难免免，欢欢迎迎批批评指正。评指正。
