深部高應(yīng)力條件下花崗巖巖爆過程實(shí)驗(yàn)研究

深部高應(yīng)力條件下花崗巖巖爆過程實(shí)驗(yàn)研究

1巖爆機(jī)制研究在深部巖石工程中，經(jīng)常發(fā)現(xiàn)具有突發(fā)性動(dòng)力破壞特征的巖爆。所謂深部是指隨著開挖深度增加，工程巖體開始出現(xiàn)非線性力學(xué)現(xiàn)象的深度及其以下的深度區(qū)間。非線性力學(xué)現(xiàn)象指軟巖出現(xiàn)非線性大變形或硬巖出現(xiàn)沖擊地壓(巖爆)。隨著開采深度的增加，深部開采與淺部開采所處的環(huán)境明顯不同，深部開采所處的環(huán)境為高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈的開采擾動(dòng)，而淺部表現(xiàn)為脆性巖體在深部高應(yīng)力條件下轉(zhuǎn)變?yōu)檠有裕陂_采卸載條件下又由延性向脆性轉(zhuǎn)化，易于產(chǎn)生巖爆。發(fā)生巖爆時(shí)，大小不同的巖塊、碎片和顆粒等會(huì)攜帶大量能量向巷道等地下空間彈射或拋擲，常常給生產(chǎn)造成損失，對(duì)人員安全造成威脅。隨著礦山、水利水電、鐵路(公路)交通隧道等工程向深部發(fā)展，巖爆作為一種深部災(zāi)害現(xiàn)象，其發(fā)生越來越頻繁。為了提高巖爆預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，保證深部資源開采的安全性，深入開展巖爆的機(jī)制研究非常必要。過去人們對(duì)巖爆的研究著重于兩個(gè)方面：一方面是巖爆理論分析，基于巖爆的破壞現(xiàn)象，對(duì)巖石進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，獲得巖石的脆性指數(shù)、彈性能指數(shù)或巖爆傾向性指數(shù)等指標(biāo)，對(duì)巖爆進(jìn)行分類與預(yù)測(cè)；另一方面則側(cè)重于巖爆的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與監(jiān)測(cè)研究，在此方面國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究工作。唐禮忠等對(duì)有深部硬巖巖爆災(zāi)害的冬瓜山礦山采用微震法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而預(yù)報(bào)巖爆。劉建輝和李化敏研究了電磁輻射法在巖爆監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。J.?ileny和A.Milev在南非金礦開采現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了巖爆模擬實(shí)驗(yàn)，利用地震波監(jiān)測(cè)原理分析巖爆預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并用高速攝影分析巖爆時(shí)彈射塊體的彈射速度。S.Y.Wang等對(duì)單軸條件的巖爆機(jī)制進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析。楊健和武雄提出了采用系統(tǒng)決策和模糊數(shù)學(xué)相結(jié)合的層次分析–模糊綜合評(píng)價(jià)方法(AHP-FUZZY)。左宇軍等提出了層裂屈曲巖爆的突變模型。邵鵬等提出了巖爆發(fā)生的隨機(jī)共振模型。V.A.Mansurov提出了采用開采引起的地層振動(dòng)數(shù)據(jù)來進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)的方法。由于影響巖爆的因素很多，除受巖性條件和應(yīng)力條件控制外，開采條件(包括地下工程幾何形狀、開采方式、開采順序等)對(duì)巖爆的發(fā)生也有很大影響。目前對(duì)巖爆的發(fā)生和破壞機(jī)制還沒有很清楚的認(rèn)識(shí)，對(duì)巖爆的預(yù)測(cè)還不夠準(zhǔn)確。從巖爆機(jī)制研究著手，才是解決巖爆預(yù)測(cè)與防治的根本，而實(shí)驗(yàn)是巖爆機(jī)制研究的基礎(chǔ)之一。過去有很多關(guān)于單軸壓縮的巖爆室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、單軸及雙軸動(dòng)靜載荷組合的巖爆實(shí)驗(yàn)、真三軸加載的巖爆實(shí)驗(yàn)和常規(guī)三軸卸載的巖爆實(shí)驗(yàn)的研究。S.H.Cho等及T.J.A.Wang和H.D.Park提出用單軸循環(huán)加、卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)巖爆發(fā)生的可能性。M.N.Bagde和V.Petor?a則是用單軸動(dòng)循環(huán)加、卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果來評(píng)價(jià)有巖爆傾向性的巖石在開采過程中的穩(wěn)定性問題。谷明成等和徐林生則用常規(guī)三軸加、卸載實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行巖石的室內(nèi)巖爆實(shí)驗(yàn)研究工作，并指出了在不同應(yīng)力狀態(tài)下巖石破壞的形式與巖爆的對(duì)應(yīng)關(guān)系。雖然許多學(xué)者在室內(nèi)進(jìn)行了大量的巖爆實(shí)驗(yàn)工作，但是對(duì)于如何通過模擬現(xiàn)場(chǎng)工程條件，在實(shí)驗(yàn)室條件下再現(xiàn)巖爆整個(gè)過程的研究方面，一直沒有取得突破性的進(jìn)展。作者認(rèn)為，通過對(duì)深部巖體工程開挖過程中發(fā)生的巖爆現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析，建立能夠模擬實(shí)際工程開挖條件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)巖石試樣的形式和尺寸，就可以在實(shí)驗(yàn)室條件下再現(xiàn)巖爆這種災(zāi)害現(xiàn)象，并對(duì)其進(jìn)行深入細(xì)致的研究。巖爆現(xiàn)象多發(fā)生在高應(yīng)力的硬巖巖體中，在我國煤礦煤巖層中，有花崗巖巖體侵入的情況，需要在其中布置硐室；在金礦開采過程中，也需要在花崗巖巖體中進(jìn)行開挖；水電站建設(shè)中也有在花崗巖巖體中進(jìn)行施工的工程實(shí)例，在條件具備的情況下就會(huì)發(fā)生巖爆。進(jìn)行花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室條件下再現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，可以詳細(xì)分析巖爆發(fā)生條件和巖爆發(fā)展進(jìn)程，進(jìn)而為進(jìn)行巖爆的工程預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)提供依據(jù)。2巖爆應(yīng)力演化過程及演化模型巖爆(rockburst)是指采掘?qū)е碌膸r層突然破壞現(xiàn)象，發(fā)生巖爆的過程中往往伴隨著開挖空間的大應(yīng)變、大位移以及巖層碎塊從母巖中的高速脫離，向開采空間拋出，拋出的巖體質(zhì)量從數(shù)噸到數(shù)千噸不等。徐林生等指出：巖爆是高地應(yīng)力條件下隧道開挖后來不及作初期支護(hù)以及加固強(qiáng)度不夠的情況下所發(fā)生的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，一般二次襯砌完成后，較少再有巖爆現(xiàn)象發(fā)生。巖爆就其破壞機(jī)制而言，是一種開挖卸荷條件下高地應(yīng)力區(qū)地下硐室?guī)r體自身積蓄的大量彈性應(yīng)變能突然猛烈釋放所造成的拉張脆性或張剪脆性并存的急劇破裂或爆裂破壞災(zāi)害現(xiàn)象。地下工程中，人工開挖是巖爆發(fā)生的外因條件。它破壞了巖體原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，原來處于三向受力狀態(tài)的圍巖由于單向或雙向卸載形成臨空面，應(yīng)力重新分布后，圍巖局部應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力集聚到一定程度時(shí)，就會(huì)向臨空面釋放出來，對(duì)于脆硬巖體易產(chǎn)生巖爆災(zāi)害。作者認(rèn)為，巖爆是能量巖體沿著開挖臨空面瞬間釋放能量的非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象，能量巖體是指在一定條件下，含有自重、構(gòu)造和地勢(shì)等應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生彈塑性能量的工程巖體，并不是所有能量巖體都能夠發(fā)生巖爆，只有巖體中積蓄的能量滿足巖爆發(fā)生條件時(shí)才會(huì)發(fā)生巖爆。巖爆是復(fù)合能量綜合作用的結(jié)果，將巖爆的發(fā)生歸結(jié)為3條定律：能量積聚定律、地質(zhì)弱面的能量釋放定律和工程釋放定律。能量積聚定律是指巖體中的能量一般是與其上覆巖層的厚度有關(guān)，對(duì)于礦山工程也就是與開采深度有關(guān)，另外還與構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)；對(duì)于隧道工程則與埋深、地形和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)有關(guān)。地質(zhì)弱面的能量釋放定律是指當(dāng)在開采空間附近存在著破碎帶和軟弱帶等地質(zhì)弱面構(gòu)造時(shí)，由于在能量積蓄和釋放的空間分布上存在著明顯的不均勻性，在軟弱面處能量釋放梯度和速率均較大，從而很容易產(chǎn)生突然、猛烈的沖擊失穩(wěn)破壞。工程釋放定律是指由于工程開挖引起的擾動(dòng)而使巖體中的應(yīng)力集中過高引起能量集中釋放導(dǎo)致巖體突然的破壞。巖爆是巖體中的能量在空間上非均勻積蓄，在時(shí)間上非穩(wěn)定轉(zhuǎn)化的過程。深部工程巖體的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，未開挖的地下巖體為三向應(yīng)力狀態(tài)，隨著洞室及巷道的開挖，巷道兩側(cè)表面圍巖為單向壓縮狀態(tài)，巷道表面頂板圍巖處于單向拉伸狀態(tài)，深部為三向應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)三向應(yīng)力狀態(tài)的巖體因開挖而成為單向壓縮或雙向壓縮狀態(tài)過程時(shí)，可能發(fā)生巖爆。圖1給出了巖爆應(yīng)力演化模型。巖爆發(fā)生過程可分為垂直板裂化、垂直板屈曲變形及巖爆破壞(見圖2)。3試驗(yàn)儀器及設(shè)備深部巖爆過程模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由何滿潮教授設(shè)計(jì)構(gòu)思，中國礦業(yè)大學(xué)(北京)等單位開發(fā)研制的。該系統(tǒng)中可突然卸載的裝置、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和巖石聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)等，可以模擬巷道開挖過程中巖體某一方向在短時(shí)間內(nèi)卸載，形成臨空面，進(jìn)而發(fā)生巖爆破壞的工程現(xiàn)象并進(jìn)行有關(guān)物理力學(xué)量的測(cè)試。深部巖爆過程模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由主機(jī)、液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集儀3個(gè)部分組成，如圖3所示。主機(jī)最大加載能力：最大壓力450kN，荷載精度小于0.5%FS(滿量程)。加載系統(tǒng)三向獨(dú)立，通過三向剛性壓頭實(shí)現(xiàn)對(duì)試樣均勻加載，單方向可快速卸載使傳力桿及加載壓頭快速掉落，暴露該方向的試樣表面，圖4給出了傳力桿及壓頭掉落示意圖。數(shù)據(jù)采集儀由力和位移傳感器、應(yīng)變放大器(DSG9803)、數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)采集儀(成都中科動(dòng)態(tài)儀器有限公司USB8516，最高采樣率100kps)、計(jì)算機(jī)及相關(guān)的處理軟件組成，可自動(dòng)、動(dòng)態(tài)地對(duì)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠的采集和編輯處理。實(shí)驗(yàn)過程中，對(duì)加載過程采用靜態(tài)采集，采樣率為1次/(10s)，卸載時(shí)采用高速采集，設(shè)定采樣率為1萬次/s，這樣可以采集巖爆過程中力和位移的突然變化，采集到其峰后變化曲線。聲發(fā)射采用PXWAE聲發(fā)射監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(見圖5)，該系統(tǒng)由主機(jī)(內(nèi)置采集卡，最高采樣速度為20MHz)、恒流源、前置放大器和聲發(fā)射傳感器組成。實(shí)驗(yàn)時(shí)采樣率為1M，采用的聲發(fā)射傳感器探頭靈敏度為150kHzㄢ4聲發(fā)射實(shí)驗(yàn)裝置花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)采用板狀結(jié)構(gòu)試樣。巖爆過程實(shí)驗(yàn)前首先進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，獲得巖石基本力學(xué)參數(shù)。為了與巖爆實(shí)驗(yàn)的加載方式相對(duì)應(yīng)，采用分級(jí)加載方式進(jìn)行單軸壓縮實(shí)驗(yàn)(見圖6)，在試樣的2個(gè)側(cè)表面沿縱橫方向各貼2片應(yīng)變片，并分別放置1個(gè)聲發(fā)射接收探頭，在實(shí)驗(yàn)過程中監(jiān)測(cè)聲發(fā)射信息。巖爆實(shí)驗(yàn)分為加載巖爆和卸載巖爆實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)采用分級(jí)加載方式，根據(jù)設(shè)計(jì)的應(yīng)力水平，先均勻增加三向應(yīng)力至最小主應(yīng)力σ3，保持其不變，增加最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力至中間主應(yīng)力σ2，再保持σ2，σ3不變，增加最大主應(yīng)力至設(shè)計(jì)值，穩(wěn)定0.5h后卸載某一方向的水平應(yīng)力，保持另外一個(gè)方向的水平應(yīng)力不變，當(dāng)卸載后增加垂向最大主應(yīng)力時(shí)為加載巖爆實(shí)驗(yàn)；當(dāng)卸載后保持最大主應(yīng)力時(shí)為卸載巖爆實(shí)驗(yàn)。依據(jù)卸載后發(fā)生的現(xiàn)象確定巖爆實(shí)驗(yàn)過程，沒有破壞現(xiàn)象時(shí)恢復(fù)卸載前應(yīng)力狀態(tài)，并按一定比例增加垂直方向的應(yīng)力值再繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)直至發(fā)生巖爆。5巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)花崗巖進(jìn)行了單軸壓縮、加載巖爆和卸載巖爆實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)室條件下成功地再現(xiàn)了花崗巖的巖爆過程。為了對(duì)巖爆實(shí)驗(yàn)和三軸壓縮實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，又進(jìn)行了花崗巖的真三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。5.1巖爆的瞬時(shí)性巖爆是巖體破壞的形式之一，巖體破壞并不一定都是巖爆。巖爆是在特定條件(能量巖體，開挖卸載)下的巖體破壞，破壞的特點(diǎn)表現(xiàn)為突然性、猛烈性，具有顆粒彈射、片狀劈裂和塊狀崩落的特征，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的巖爆具有瞬時(shí)性及與開挖時(shí)間相比的滯后性。從上述分析可以認(rèn)為巖爆與巖石破壞相比，有如下特征：(1)巖爆是能量巖體在一向或兩向卸載條件下發(fā)生的。能量巖體的應(yīng)力值往往高于強(qiáng)度值，而破壞時(shí)的壓應(yīng)力只能達(dá)到巖石的強(qiáng)度值。(2)巖爆是能量巖體開挖后沿臨空面瞬間釋放能量而破壞的過程，與巖石的單軸或真三軸壓縮破壞時(shí)的能量積聚或能量釋放轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的瞬時(shí)性特征顯著不同。(3)巖爆破壞沒有明顯的破壞面特征，而一般巖石的破壞具有剪切面或張裂面(見圖7)。5.2開挖開挖后出現(xiàn)的巖爆卸載巖爆過程是在三向應(yīng)力狀態(tài)下，快速卸載一個(gè)或兩個(gè)水平方向的應(yīng)力，暴露試樣表面來模擬地下三向應(yīng)力狀態(tài)下積聚能量的巖體在巷道開挖后卸載產(chǎn)生臨空面后發(fā)生巖爆的過程。當(dāng)開采到達(dá)不同深度后，由于原巖應(yīng)力大小不同，會(huì)出現(xiàn)工程開挖卸載后不同時(shí)間發(fā)生巖爆的現(xiàn)象。依據(jù)開挖卸載到發(fā)生巖爆的時(shí)間不同，有以下3種情況：(1)開挖后經(jīng)過一段時(shí)間發(fā)生巖爆，巖爆的發(fā)生具有滯后特征；(2)開挖后立即出現(xiàn)巖爆現(xiàn)象，巖爆表現(xiàn)為瞬時(shí)性特征；(3)發(fā)生巖爆的時(shí)間界于兩者之間，具有標(biāo)準(zhǔn)性特征。5.3垂直方向主應(yīng)力模擬加載巖爆是指在三向應(yīng)力狀態(tài)下，迅速卸載一個(gè)方向的水平應(yīng)力，暴露該側(cè)試樣表面，再增加垂直方向最大主應(yīng)力來模擬深部巖體開挖后的切向應(yīng)力集中，而使巖體產(chǎn)生巖爆的過程。依據(jù)加載后發(fā)生巖爆的時(shí)間不同，加載巖爆也可以表現(xiàn)為瞬時(shí)性、標(biāo)準(zhǔn)性與滯后性。5.4變形破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)花崗巖進(jìn)行了單軸壓縮、真三軸壓縮、加載巖爆實(shí)驗(yàn)及卸載巖爆實(shí)驗(yàn)，所采用的花崗巖容重為27kN/m3ㄢ為了取得花崗巖試樣的基本力學(xué)參數(shù)，利用全自動(dòng)液壓控制材料實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)18#試樣進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，加載速率為0.25MPa/s，每級(jí)應(yīng)力差為10MPa，每級(jí)荷載間隔2min，實(shí)驗(yàn)過程中采集壓力與變形數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1ㄢ真三軸壓縮實(shí)驗(yàn)是為了與巖爆實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比而進(jìn)行的。在最小主應(yīng)力σ3=10MPa，中間主應(yīng)力σ2=20MPa，最大主應(yīng)力σ1=237MPa時(shí)破壞，破壞形式為單面剪切(見表2)。對(duì)3個(gè)試樣進(jìn)行加載巖爆實(shí)驗(yàn)，加載巖爆破壞時(shí)的最大主應(yīng)力較高，應(yīng)力差的比值也較大，主要為張裂折斷與剪切的混合破壞形式，巖爆時(shí)間短，應(yīng)力降速率高，加載巖爆實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見表3ㄢ對(duì)10個(gè)試樣進(jìn)行了卸載巖爆實(shí)驗(yàn)，巖爆特征有所不同，依據(jù)卸載到發(fā)生巖爆的時(shí)間可以將巖爆分為瞬時(shí)巖爆、標(biāo)準(zhǔn)巖爆及滯后巖爆。卸載巖爆實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果見表4。其中幾種典型的應(yīng)力路徑(應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線)見圖8ㄢ5.5巖爆破壞過程花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)生巖爆時(shí)應(yīng)力要達(dá)到一定的水平，且不同的應(yīng)力狀態(tài)卸載后發(fā)生巖爆的破壞形式有一定的區(qū)別。(1)巖石材料具有顯著的不均勻特性，且存在原始缺陷。通過剛性傳壓板對(duì)試樣進(jìn)行均勻加載時(shí)，試樣表面有相同的變形，這會(huì)在試樣內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布。微裂紋的產(chǎn)生在裂尖產(chǎn)生應(yīng)力集中的裂尖應(yīng)力場(chǎng)。裂紋從穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)擴(kuò)展需要一個(gè)過程，該過程對(duì)應(yīng)著卸載后至發(fā)生巖爆的時(shí)間，所需時(shí)間的長短與卸載前的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)；穩(wěn)態(tài)開裂所需能量大于動(dòng)態(tài)開裂所需的能量。(2)實(shí)驗(yàn)加載初期聽不到試樣發(fā)出的聲響。卸載后至發(fā)生巖爆前試樣發(fā)出較大清脆聲音，表明試樣在卸載后一面臨空的情況下內(nèi)部裂紋開裂、擴(kuò)展。當(dāng)局部裂紋貫通后就會(huì)由穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展發(fā)展成非穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，最后突然發(fā)生巖爆，巖片、塊或顆粒攜帶一定的能量飛出。(3)卸載巖爆實(shí)驗(yàn)中，處于三向應(yīng)力狀態(tài)的花崗巖試樣，當(dāng)快速卸載水平一向的應(yīng)力，其他兩向應(yīng)力保持不變時(shí)，有的卸載后立即發(fā)生巖爆，有的在卸載一定時(shí)間(20min內(nèi))發(fā)生巖爆，發(fā)生巖爆的時(shí)間表現(xiàn)為明顯的瞬時(shí)性、滯后性及介于兩者之間的標(biāo)準(zhǔn)性。從實(shí)驗(yàn)發(fā)生的現(xiàn)象看，巖爆過程可分為平靜期、小顆粒彈射、片狀剝離伴隨著顆?；旌蠌椛浼叭姹揽?個(gè)階段，該過程歷時(shí)時(shí)間長短不等，最快為0.1s，最慢為105s。從圖8中可以看出：2#試樣卸載后的應(yīng)力差較高，卸載后0.5s立即發(fā)生巖爆破壞，表現(xiàn)為巖爆瞬時(shí)性特征，19#，16#和13#試樣卸載后也都很快發(fā)生巖爆破壞，分別在1次卸載后24s、2次循環(huán)卸載后10s及多次循環(huán)卸載(6次)后15s時(shí)間時(shí)發(fā)生巖爆；5#試樣在2次循環(huán)卸載后33s發(fā)生了巖爆，其進(jìn)程可明顯地分為開始的平靜期、之后的顆粒狀的彈射、片狀剝離伴隨著顆粒混合彈射及全面崩垮；17#試樣在單次卸載后20min時(shí)發(fā)生巖爆，表現(xiàn)為滯后性，在卸載至發(fā)生巖爆前，巖石損傷不斷加劇，伴隨著應(yīng)力的降低。(4)巖爆破壞時(shí)水平應(yīng)力降并不明顯，但有明顯的垂直應(yīng)力降(σ1方向)，且應(yīng)力降時(shí)間短暫，應(yīng)力降最快時(shí)間為0.7ms，應(yīng)力降速率最大的為25.0×104MPa/s。高應(yīng)力降對(duì)應(yīng)著較高的變形及快速破壞。(5)根據(jù)卸載后發(fā)生巖爆的應(yīng)力比值(σ1-σ2)/σc由大到小，可將花崗巖卸載巖爆破壞形式分為3種：塊狀崩落破壞、片狀劈裂破壞、顆粒彈射破壞，見圖9及表5。(σ1-σ2)/σc>0.5時(shí)，以塊狀崩落破壞形式為主，與巖爆現(xiàn)場(chǎng)的階梯狀陡坎破壞形態(tài)接近，對(duì)應(yīng)著較強(qiáng)烈的巖爆，按發(fā)生巖爆的時(shí)間進(jìn)程大部分為瞬時(shí)巖爆，對(duì)應(yīng)著瞬間較大的能量釋放；(σ1-σ2)/σc=0.4～0.5時(shí)，以片狀劈裂破壞形式為主，一般為中等程度的巖爆，瞬間釋放能量比前者??；(σ1-σ2)/σc<0.4時(shí)，以顆粒彈射破壞形式為主，瞬間釋放的能量比前兩者低，對(duì)應(yīng)著相對(duì)弱的巖爆，一般為標(biāo)準(zhǔn)巖爆或滯后巖爆。5.6破壞結(jié)構(gòu)分析對(duì)破壞后的花崗巖碎塊進(jìn)行電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，石英與長石晶體呈緊密線接觸，從破裂面上可見石英及長石晶體斷裂，晶體間云母片折斷，晶體斷裂的斷口呈不平整的階梯狀。圖10為破壞后5#試樣碎片電鏡掃描圖片。圖10(a)為放大100倍的電鏡掃描圖片全貌，致密，表面凸凹不平，不同礦物晶體緊密接觸。圖10(b)為局部放大534倍后的石英與長石晶體緊密線接觸情況，并可見石英與長石斷裂的階梯形端口，晶體表面有小碎屑分布。圖10(c)為局部放大2710倍時(shí)石英表面的斷口及長石晶體的參差不齊破壞狀態(tài)。圖10(d)為放大5140倍之后更清晰的長石晶體斷裂形態(tài)。圖10(e)為放大5300倍的粒間云母片及交錯(cuò)不齊的斷裂形態(tài)。5.7巖爆類型及特征花崗巖巖爆完整的破壞進(jìn)程可以分為平靜期、小顆粒彈射、片狀剝離伴隨著顆粒狀混合彈射及全面崩垮4個(gè)階段。雖然從卸載到開始巖爆時(shí)間不同，有較大差異，但其破壞進(jìn)程一般都比較短暫。發(fā)生巖爆試樣的σ1/σc值與其巖爆類型有一定的相關(guān)性。在所采用的花崗巖試樣中，σ1/σc≥0.73時(shí)發(fā)生了不同類型的巖爆，如滯后巖爆、標(biāo)準(zhǔn)巖爆或瞬時(shí)巖爆。表6給出了按σ1/σc進(jìn)行的巖爆分類。最大主應(yīng)力值對(duì)應(yīng)著巖爆發(fā)生的深度(在不考慮構(gòu)造應(yīng)力或其他因素的影響下)。在淺部應(yīng)力較低的(σ1/σc<0.7)條件下，不發(fā)生巖爆；到達(dá)一定深度后，開挖引起的切向應(yīng)力與巖石長期強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)，σ1/σc=0.7～0.8時(shí)發(fā)生較弱巖爆；隨著應(yīng)力的增加，當(dāng)σ1/σc=0.8～0.9時(shí)，發(fā)生中等強(qiáng)度巖爆；σ1/σc>0.9時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。目前1km深度范圍內(nèi)巷道等地下工程開挖后，受巖性結(jié)構(gòu)、應(yīng)力狀態(tài)及工程擾動(dòng)等因素的作用影響，并不一定立即發(fā)生巖爆。根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)卸載后至發(fā)生巖爆的時(shí)間?t1不同，可以將巖爆類型分為瞬時(shí)巖爆、標(biāo)準(zhǔn)巖爆及滯后巖爆(見表7)。(1)瞬時(shí)巖爆，是指發(fā)生巖爆的進(jìn)程快，在巷道開挖后會(huì)立即發(fā)生巖爆，很難進(jìn)行各個(gè)階段的明顯區(qū)分。圖11為2#試樣瞬時(shí)巖爆過程。卸載時(shí)垂直最大主應(yīng)力高于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，σ1/σc=1.24，卸載0.5s瞬間發(fā)生巖爆。瞬時(shí)巖爆一般對(duì)應(yīng)著工程進(jìn)入深部之后，原巖應(yīng)力或開挖后引起的切向集中應(yīng)力與巖石的單軸抗壓強(qiáng)度比值較高的條件下發(fā)生的。(2)標(biāo)準(zhǔn)巖爆，一般是在卸載后一段時(shí)間后發(fā)生的巖爆。受巖石的不均勻性與初始損傷的影響，卸載后應(yīng)力重新調(diào)整達(dá)到新的平衡需要一定的時(shí)間。典型的標(biāo)準(zhǔn)巖爆能夠明顯地區(qū)分為4個(gè)階段：(1)卸載后的平靜期；(2)小顆粒彈射；(3)片狀剝離伴隨著顆?；旌蠌椛洌?4)全面崩垮。圖12為5#試樣標(biāo)準(zhǔn)巖爆過程的4個(gè)階段。卸載后33s開始巖爆，巖爆過程時(shí)間為105s，該試樣卸載時(shí)σ1/σc=0.79，巖爆過程發(fā)展較慢。0～33s為第1階段卸載后的平靜期，聽不到聲音，試樣表面完好。33～85s為第2階段的小顆粒彈射，發(fā)生在試樣的局部部位。85～135s為第3階段的片狀剝離伴隨著顆?；旌蠌椛?，可以看到彈射的顆粒攜帶較大的能量。135～138s為第4階段的全面崩垮破壞，巖爆結(jié)束。5#試樣巖爆破壞后大部分呈片狀，且有大量大小不等的顆粒(見圖13)。標(biāo)準(zhǔn)巖爆一般是在最大主應(yīng)力小于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的。(3)滯后巖爆，是指卸載后發(fā)生巖爆時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)巖爆更長。發(fā)生滯后巖爆有兩種情況：一是巖體所承受的載荷達(dá)到其長期強(qiáng)度時(shí)，隨著時(shí)間的增加而發(fā)生的巖爆；二是地下巖體卸載后應(yīng)力重分布達(dá)到新的平衡狀態(tài)過程中，發(fā)生的巖爆破壞。滯后巖爆的室內(nèi)實(shí)現(xiàn)可以在三向應(yīng)力狀態(tài)下，最大主應(yīng)力小于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)進(jìn)行卸載巖爆實(shí)驗(yàn)或加載巖爆實(shí)驗(yàn)，一般卸載后需要較長時(shí)間才發(fā)生巖爆，即滯后巖爆。大量蠕變實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，巖體的長期強(qiáng)度低于單軸抗壓強(qiáng)度，并且隨著時(shí)間的增加，巖體強(qiáng)度降低。圖14為17#試樣