当前位置:高等教育资讯网  >  中国高校课件下载中心  >  大学文库  >  浏览文档

岩爆结构面强度的弱化特征

资源类别:文库,文档格式:PDF,文档页数:7,文件大小:468.72KB,团购合买
岩爆破坏以其突发性与瞬间破坏性等特点,在工程中很难予以预防.本研究基于动力学与能量作用原理,通过固有振动频率等振动特征指标实现对边界剪切弹性系数的计算.在物理模型试验中,应用多普勒激光测振仪对岩爆体破坏全过程进行远程振动特征监测.试验得出,结构面强度的非协调弱化效应是岩爆发生的必要条件,结构面弱化的时空差异是发生瞬时性岩爆还是迟滞型岩爆的主要因素.当结构面弱化较慢时,则为迟滞型岩爆,反之,则为瞬时性岩爆.基于固有振动频率可识别岩体结构面的弱化速率,岩爆发生全过程中,结构面的总耗散能仅为赋存弹性能的0.06%,使得几乎所有的弹性动能都将转化为冲击动能,表现为岩爆体以高速的形式弹射出来.基于频率下降速率等监测数据分析,可识别岩爆结构面强度的非协调弱化特征.因此,增加固有振动频率等动力特征监测指标,无疑会进一步提高对岩爆孕育演化特征规律的认识,并在地下空间工程岩爆预警监测方面发挥重大作用.
点击下载完整版文档(PDF)

工程科学学报,第40卷,第3期:269-275,2018年3月 Chinese Journal of Engineering,Vol.40,No.3:269-275,March 2018 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.03.002:http://journals.ustb.edu.cn 岩爆结构面强度的弱化特征 杜 岩”,郑孝婷”,谢漠文)四,蒋宇静》,刘秋强》 1)北京科技大学土木与资源工程学院,北京1000832)山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点试验室,青岛266590 3)中国地质环境监测院,北京100081 区通信作者,E-mail:mowenxie(@usth.cdu.cn 摘要岩爆破坏以其突发性与瞬间破坏性等特点,在工程中很难予以预防.本研究基于动力学与能量作用原理,通过固有 振动频率等振动特征指标实现对边界剪切弹性系数的计算.在物理模型试验中,应用多普勒激光测振仪对岩爆体破坏全过程 进行远程振动特征监测.试验得出,结构面强度的非协调弱化效应是岩爆发生的必要条件,结构面弱化的时空差异是发生瞬 时性岩爆还是迟滞型岩爆的主要因素.当结构面弱化较慢时,则为迟滞型岩爆,反之,则为瞬时性岩爆.基于固有振动频率可 识别岩体结构面的弱化速率,岩爆发生全过程中,结构面的总耗散能仅为赋存弹性能的0.06%,使得几乎所有的弹性动能都 将转化为冲击动能,表现为岩爆体以高速的形式弹射出来.基于频率下降速率等监测数据分析,可识别岩爆结构面强度的非 协调弱化特征.因此,增加固有振动频率等动力特征监测指标,无疑会进一步提高对岩爆孕育演化特征规律的认识,并在地下 空间工程岩爆预警监测方面发挥重大作用. 关键词岩爆;结构面:固有振动频率;非协调性弱化特征:损伤 分类号TU458·.4 Strength weakening characteristic of rock burst structural planes DU Yan》,ZHENG Xiao-+ing》,XIE Mo-en》,JIANG Yu-jing?,LIU Qiu--qiang》 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590.China 3)China Institute of Geo-Environment Monitoring,Beijing 100081,China Corresponding author,E-mail:mowenxie@ustb.edu.cn ABSTRACT Prediction and prevention of rock burst in project is difficult because of its paroxysm and sudden destructiveness.Deter- mining how to predict the time,place,and intensity of rock burst is one of the main engineering problems that must be solved via geotechnical engineering.Increasing number of experts from the field of underground mining and construction are applying new monito- ring techniques and methods to study rock burst for its effective prediction.In the model experiment,the entire process of structure- type rock burst was remotely monitored via the laser Doppler vibrometer.Based on the dynamic theory and energy conservation law:the natural vibration frequency was used to analyze the elastic coefficient of the shear plane.The experimental results show that the incom- patible weakness of structural plane is a necessary condition for the occurrence of rock burst,and the spatiotemporal difference of the structural plane strength is the main factor that determines the immediate or the time-delayed rock burst.Slow weakening of the struc- ture causes time-delayed rock burst,whereas rapid weakening causes immediate rock burst.During the whole process of rock burst,the weakening rate of rock mass structure is determined using the natural vibration frequency,and the dissipated energy of the structure oc- cupies merely 0.06%of the rock elastic energy.Thus,most of the elastic energy is released in the form of kinetic energy,and the rock is ejected with high velocity.Furthermore,the incompatible weakening characteristics of rock burst structural planes can be analyzed 收稿日期:2017-06-22 基金项目:国家自然科学基金资助项目(41572274,41372370,41702371):中国博士后科学基金资助项目(2016M591078):浙江省山体地质灾害 防治协同创新中心开放基金资助项目(P℃MGH-2016-Y02)

工程科学学报,第 40 卷,第 3 期: 269--275,2018 年 3 月 Chinese Journal of Engineering,Vol. 40,No. 3: 269--275,March 2018 DOI: 10. 13374 /j. issn2095--9389. 2018. 03. 002; http: / /journals. ustb. edu. cn 岩爆结构面强度的弱化特征 杜 岩1) ,郑孝婷1) ,谢谟文1) ,蒋宇静2) ,刘秋强3) 1) 北京科技大学土木与资源工程学院,北京 100083 2) 山东科技大学矿山灾害预防控制国家重点试验室,青岛 266590 3) 中国地质环境监测院,北京 100081 通信作者,E-mail: mowenxie@ ustb. edu. cn 摘 要 岩爆破坏以其突发性与瞬间破坏性等特点,在工程中很难予以预防. 本研究基于动力学与能量作用原理,通过固有 振动频率等振动特征指标实现对边界剪切弹性系数的计算. 在物理模型试验中,应用多普勒激光测振仪对岩爆体破坏全过程 进行远程振动特征监测. 试验得出,结构面强度的非协调弱化效应是岩爆发生的必要条件,结构面弱化的时空差异是发生瞬 时性岩爆还是迟滞型岩爆的主要因素. 当结构面弱化较慢时,则为迟滞型岩爆,反之,则为瞬时性岩爆. 基于固有振动频率可 识别岩体结构面的弱化速率,岩爆发生全过程中,结构面的总耗散能仅为赋存弹性能的 0. 06% ,使得几乎所有的弹性动能都 将转化为冲击动能,表现为岩爆体以高速的形式弹射出来. 基于频率下降速率等监测数据分析,可识别岩爆结构面强度的非 协调弱化特征. 因此,增加固有振动频率等动力特征监测指标,无疑会进一步提高对岩爆孕育演化特征规律的认识,并在地下 空间工程岩爆预警监测方面发挥重大作用. 关键词 岩爆; 结构面; 固有振动频率; 非协调性弱化特征; 损伤 分类号 TU458 + . 4 收稿日期: 2017--06--22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 41572274,41372370,41702371) ; 中国博士后科学基金资助项目( 2016M591078) ; 浙江省山体地质灾害 防治协同创新中心开放基金资助项目( PCMGH--2016--Y--02) Strength weakening characteristic of rock burst structural planes DU Yan1) ,ZHENG Xiao-ting1) ,XIE Mo-wen1)  ,JIANG Yu-jing2) ,LIU Qiu-qiang3) 1) School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2) State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control,Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266590,China 3) China Institute of Geo-Environment Monitoring,Beijing 100081,China Corresponding author,E-mail: mowenxie@ ustb. edu. cn ABSTRACT Prediction and prevention of rock burst in project is difficult because of its paroxysm and sudden destructiveness. Deter￾mining how to predict the time,place,and intensity of rock burst is one of the main engineering problems that must be solved via geotechnical engineering. Increasing number of experts from the field of underground mining and construction are applying new monito￾ring techniques and methods to study rock burst for its effective prediction. In the model experiment,the entire process of structure￾type rock burst was remotely monitored via the laser Doppler vibrometer. Based on the dynamic theory and energy conservation law; the natural vibration frequency was used to analyze the elastic coefficient of the shear plane. The experimental results show that the incom￾patible weakness of structural plane is a necessary condition for the occurrence of rock burst,and the spatiotemporal difference of the structural plane strength is the main factor that determines the immediate or the time-delayed rock burst. Slow weakening of the struc￾ture causes time-delayed rock burst,whereas rapid weakening causes immediate rock burst. During the whole process of rock burst,the weakening rate of rock mass structure is determined using the natural vibration frequency,and the dissipated energy of the structure oc￾cupies merely 0. 06% of the rock elastic energy. Thus,most of the elastic energy is released in the form of kinetic energy,and the rock is ejected with high velocity. Furthermore,the incompatible weakening characteristics of rock burst structural planes can be analyzed

·270· 工程科学学报,第40卷,第3期 using the analysis of the frequency decline rate.Therefore,the new monitoring index of dynamic characteristics such as natural vibra- tion frequency improves the understanding of evolution characteristics of rock burst and plays a significant role in the early warning of rock burst in underground engineering. KEY WORDS rock burst:structural planes;natural vibration frequency:incompatible weakening characteristics:damage 岩爆是地下工程开挖过程中,因岩体的弹性应 防灾减灾领域发挥重要作用图,激光测振技术在岩 变能突然释放,从而产生岩石松脱,弹射甚至抛掷的 爆的监测和预警受到广泛的关注.因此,本研究通 动力失稳的地质灾害。这种动力灾害现象发生时一 过岩爆全过程模型试验,应用多普勒激光测振仪对 般没有明显的宏观预兆,且具有突发性、瞬时性,所 岩爆体进行远程振动特征监测,基于动力学与能量 以很难用传统应力应变监测来进行有效预防:同时 作用原理,通过分析岩爆发生前后固有振动频率等 其巨大的破坏作用一旦发生,将造成严重的财产损 振动特征指标,获取岩爆破坏全过程振动特性规律, 伤和人员伤亡四.因此,如何能科学的预警岩爆发 从而为工程安全监测提供新的判识指标. 生的时间、地点和强度,实现对岩爆孕育演化规律的 1原理 认识识别,是岩土工程亟待解决的主要工程问题之 一.目前,在我国地下空间开采和施工领域,越来越 1.1试验模型 多专家学者开始引入新的监测技术和方法来对岩爆 结构面型岩爆是指岩爆发生时受附近紧密闭合 进行研究,进而实现对其判据识别和预防的目 的硬性结构面影响的岩爆,相关试验研究也表明 的回.冯涛等向通过扫描电镜,揭示了岩爆断裂的 存在着破碎带和软弱带等地质弱面构造时,多会产 微观机制,认为弹射型岩爆破坏机制多为张拉脆性 生猛烈的岩爆失稳破坏o 断裂;He等0用声发射器成功监测在岩爆爆发前后 钱院士提出,岩爆的发生往往是因开挖卸荷或 的波形状况,通过傅里叶变换得出在临界破坏时频 动力作用诱发围岩中应力场的变化,或直接导致围 率降低和振幅增高的变化情况,为工程实际提供科 岩的破坏碎化和弹射,或通过围岩中的己有断层和 学参考;Xu等因运用频谱分析微震信号,得出岩爆 结构面滑移或新结构面滑移引起围岩破坏和弹 破坏时的幅频特征,并得出动态扰动是岩爆发生的 射0.基于此,本试验模型通过提前设置潜在结构 一个必要条件:孔令海等因用微震技术来监测采空 面并赋存较大弹性能,随着岩体边界强度的逐渐丧 区见方期工作面的异常矿压,并得出该技术可以为 失,在弹性能作用下使得岩爆体瞬间被弹射出去,如 动力灾害防治提供指导:冯夏庭等可通过应用微 图1(a)所示. 震、声发射、三维激光扫描仪等原位监测技术,有效 图1(b)为其简化动力学模型,随着岩爆边界强 捕捉灾害破坏前兆信息,为岩爆预警和治理提供了 度的降低,S,和S2的结构面强度逐渐降低并在达到 科学有效的技术思路 某极值时发生破坏,使得岩爆体无法达到应力平衡, 随着测振技术的优化和计算机技术的发展,以 在S弹性能作用下发生岩爆.该试验模型可模拟岩 远程多普勒激光测振仪为代表的光学测振系统正在 爆由稳定到冲击破坏的全过程:即受到地下空间工 W a 岩爆边界 稳定 稳定 岩爆体 岩爆体 岩体 岩体 岩爆边界 图1结构面型岩爆(a)及其动力学模型(b) Fig.I Structure-type rock burst (a)and its model (b)

工程科学学报,第 40 卷,第 3 期 using the analysis of the frequency decline rate. Therefore,the new monitoring index of dynamic characteristics such as natural vibra￾tion frequency improves the understanding of evolution characteristics of rock burst and plays a significant role in the early warning of rock burst in underground engineering. KEY WORDS rock burst; structural planes; natural vibration frequency; incompatible weakening characteristics; damage 岩爆是地下工程开挖过程中,因岩体的弹性应 变能突然释放,从而产生岩石松脱,弹射甚至抛掷的 动力失稳的地质灾害. 这种动力灾害现象发生时一 般没有明显的宏观预兆,且具有突发性、瞬时性,所 以很难用传统应力应变监测来进行有效预防; 同时 其巨大的破坏作用一旦发生,将造成严重的财产损 伤和人员伤亡[1]. 因此,如何能科学的预警岩爆发 生的时间、地点和强度,实现对岩爆孕育演化规律的 认识识别,是岩土工程亟待解决的主要工程问题之 一. 目前,在我国地下空间开采和施工领域,越来越 多专家学者开始引入新的监测技术和方法来对岩爆 进行 研 究,进而实现对其判据识别和预防的目 图 1 结构面型岩爆( a) 及其动力学模型( b) Fig. 1 Structure-type rock burst ( a) and its model ( b) 的[2]. 冯涛等[3]通过扫描电镜,揭示了岩爆断裂的 微观机制,认为弹射型岩爆破坏机制多为张拉脆性 断裂; He 等[4]用声发射器成功监测在岩爆爆发前后 的波形状况,通过傅里叶变换得出在临界破坏时频 率降低和振幅增高的变化情况,为工程实际提供科 学参考; Xu 等[5]运用频谱分析微震信号,得出岩爆 破坏时的幅频特征,并得出动态扰动是岩爆发生的 一个必要条件; 孔令海等[6]用微震技术来监测采空 区见方期工作面的异常矿压,并得出该技术可以为 动力灾害防治提供指导; 冯夏庭等[7] 通过应用微 震、声发射、三维激光扫描仪等原位监测技术,有效 捕捉灾害破坏前兆信息,为岩爆预警和治理提供了 科学有效的技术思路. 随着测振技术的优化和计算机技术的发展,以 远程多普勒激光测振仪为代表的光学测振系统正在 防灾减灾领域发挥重要作用[8],激光测振技术在岩 爆的监测和预警受到广泛的关注. 因此,本研究通 过岩爆全过程模型试验,应用多普勒激光测振仪对 岩爆体进行远程振动特征监测,基于动力学与能量 作用原理,通过分析岩爆发生前后固有振动频率等 振动特征指标,获取岩爆破坏全过程振动特性规律, 从而为工程安全监测提供新的判识指标. 1 原理 1. 1 试验模型 结构面型岩爆是指岩爆发生时受附近紧密闭合 的硬性结构面影响的岩爆[9],相关试验研究也表明 存在着破碎带和软弱带等地质弱面构造时,多会产 生猛烈的岩爆失稳破坏[10]. 钱院士提出,岩爆的发生往往是因开挖卸荷或 动力作用诱发围岩中应力场的变化,或直接导致围 岩的破坏碎化和弹射,或通过围岩中的已有断层和 结构面滑移或新结构面滑移引起围岩破坏和弹 射[11]. 基于此,本试验模型通过提前设置潜在结构 面并赋存较大弹性能,随着岩体边界强度的逐渐丧 失,在弹性能作用下使得岩爆体瞬间被弹射出去,如 图 1( a) 所示. 图 1( b) 为其简化动力学模型,随着岩爆边界强 度的降低,S1和 S2的结构面强度逐渐降低并在达到 某极值时发生破坏,使得岩爆体无法达到应力平衡, 在 SC弹性能作用下发生岩爆. 该试验模型可模拟岩 爆由稳定到冲击破坏的全过程: 即受到地下空间工 · 072 ·

杜岩等:岩爆结构面强度的弱化特征 ·271· 程扰动时,应力场发生变化,之前平衡的岩爆体边界 K 开始受剪,承受开挖等造成向内的应力损失.当强 i=六 (6) 度指标突然丧失后,岩爆体在弹性能作用下瞬间弹 式中,∫为i时的固有振动频率,M为块体质量 出,发生破坏 由式(6)可推知,当质量不变的情况下,上下边 假设稳定岩体对岩爆体的作用形式为线弹性 界等效剪切弹性系数为: 能,则岩爆体存储的能量可表示为: Km=4π2Mf (7) E=人2 (1) 将式(7)代入式(4)可求岩爆边界的耗散能指 标,同时结合式(5),岩爆破坏时所获得的最大动能 式中:E,为赋存的弹性能,J:K。为岩体的弹性系数, 也可被计算求得. Nm1;xc为Sc相对于中性点的位移,m 1.3试验设备 当压应力可知时,基于岩体应力应变关系,其弹 本试验采用的设备是基于多普勒效应的光学测 性能还可表示为: 振仪器.该类型激光测振仪的激光源为氦一氖激光 E1二2Kc (2) 束,可测得目标表面的瞬时速度和位移.图2为U 型多普勒激光测振仪.与传统的振动传感器相比, 式中:。为岩体所受压应力,N.由式(2)可知,在其 远程监测测量距离最大可为300,且其在测试精 他条件一致的情况下,当岩体处在深层或是应力集 度性能上具有明显优势,其位移精度己达到微 中处时,其赋存的弹性能将呈2次方倍增加.这也 米级回 是岩爆往往发生在深层岩体或是向斜构造等压应力 较大的部位的原因之一 发生岩爆时,边界消耗的弹性能为: E,=3∑KAE+∑KA (3) 式中:E2为边界耗散的总弹性能,J:K:和K2:分别为i 时岩体岩爆上下边界剪切弹性系数,N·m1;△x,为i 时边界消耗弹性能的变形位移,m.假设上下边界 强度与变形变化趋势一致,则将上下边界剪切弹性 系数合并,式(3)可简化为: 图2激光测振仪 E,=7∑KrAd (4) Fig.2 Laser Doppler vibrometer (LDV) 式中:K为i时上下边界等效剪切弹性系数,Nm1. 通过式(1)和式(3)可知,岩爆体发生破坏时的 2试验过程与结果 最大动能为: 岩爆是一种特殊的地质灾害,其发生一般具备 E=E,-E,=K元-3∑KA (5) 两个条件,一是岩石需具备储存大量弹性能的能力, 二是存在高应变能积聚的应力环境四.基于此,本 岩爆一般发生于高强度的脆性岩体中,这意味 试验模型采用单向弹簧来模拟在临空面方向上岩体 着Kc值很大,由式(5)可知,即使xc很小,岩体也会 作用于岩爆体的能量,另设置潜在闭合的结构面来 赋存极大的弹性能,这是岩爆的必要条件之一☒. 模拟高应变能积聚的应力环境,从而实现对结构面 脆性岩体表明剪切破坏是岩体的抗剪强度和剪切应 上的弱化特征研究的目的,如图3所示. 变较小,即KT≤Kc,且△x的数量级极小,因此E2相 物理模拟试验可以通过相似理论将岩爆的主要 对于E,会很小,这表明赋存的弹性应变能将远大于 影响因素反应到模拟试验中,以获取灾变前后的有 岩石损伤累计的耗散能,并有更多的能量转化为动 效数据信息.本试验在岩爆体与围岩之间设置 能,从而产生岩爆 弹性装置,模拟高能积聚,避免在材料发生破坏强度 1.2等效剪切弹性系数模型 突变降低时造成岩爆过程中不存在的应力断路伪特 结构的固有频率作为广义刚度和广义质量的瑞 征的.图4为模型试验示意图,中间压缩的弹性装 利商,反映的是结构整体动态特性.如式(6)所示: 置代表岩体赋存的弹性能,随着边界强度的不断降

杜 岩等: 岩爆结构面强度的弱化特征 程扰动时,应力场发生变化,之前平衡的岩爆体边界 开始受剪,承受开挖等造成向内的应力损失. 当强 度指标突然丧失后,岩爆体在弹性能作用下瞬间弹 出,发生破坏. 假设稳定岩体对岩爆体的作用形式为线弹性 能,则岩爆体存储的能量可表示为: E1 = 1 2 KC x 2 C ( 1) 式中: E1为赋存的弹性能,J; KC为岩体的弹性系数, N·m - 1 ; xC为 SC相对于中性点的位移,m. 当压应力可知时,基于岩体应力应变关系,其弹 性能还可表示为: E1 = σ2 c 2KC ( 2) 式中: σc 为岩体所受压应力,N. 由式( 2) 可知,在其 他条件一致的情况下,当岩体处在深层或是应力集 中处时,其赋存的弹性能将呈 2 次方倍增加. 这也 是岩爆往往发生在深层岩体或是向斜构造等压应力 较大的部位的原因之一. 发生岩爆时,边界消耗的弹性能为: E2 = 1 2 ∑ K1iΔx 2 i + 1 2 ∑ K2iΔx 2 i ( 3) 式中: E2为边界耗散的总弹性能,J; K1i和 K2i分别为 i 时岩体岩爆上下边界剪切弹性系数,N·m - 1 ; Δxi为 i 时边界消耗弹性能的变形位移,m. 假设上下边界 强度与变形变化趋势一致,则将上下边界剪切弹性 系数合并,式( 3) 可简化为: E2 = 1 2 ∑ KTiΔx 2 i ( 4) 式中: KTi为 i 时上下边界等效剪切弹性系数,N·m - 1 . 通过式( 1) 和式( 3) 可知,岩爆体发生破坏时的 最大动能为: E = E1 - E2 = 1 2 KC x 2 C - 1 2 ∑ KTiΔx 2 i ( 5) 岩爆一般发生于高强度的脆性岩体中,这意味 着 KC值很大,由式( 5) 可知,即使 xC很小,岩体也会 赋存极大的弹性能,这是岩爆的必要条件之一[12]. 脆性岩体表明剪切破坏是岩体的抗剪强度和剪切应 变较小,即 KTKC,且 Δxi的数量级极小,因此 E2相 对于 E1会很小,这表明赋存的弹性应变能将远大于 岩石损伤累计的耗散能,并有更多的能量转化为动 能,从而产生岩爆. 1. 2 等效剪切弹性系数模型 结构的固有频率作为广义刚度和广义质量的瑞 利商,反映的是结构整体动态特性. 如式( 6) 所示: fi = 1 2π KTi 槡M ( 6) 式中,fi为 i 时的固有振动频率,M 为块体质量. 由式( 6) 可推知,当质量不变的情况下,上下边 界等效剪切弹性系数为: KTi = 4π2 Mf2 i ( 7) 将式( 7) 代入式( 4) 可求岩爆边界的耗散能指 标,同时结合式( 5) ,岩爆破坏时所获得的最大动能 也可被计算求得. 1. 3 试验设备 本试验采用的设备是基于多普勒效应的光学测 振仪器. 该类型激光测振仪的激光源为氦--氖激光 束,可测得目标表面的瞬时速度和位移. 图 2 为 U 型多普勒激光测振仪. 与传统的振动传感器相比, 远程监测测量距离最大可为 300 m,且其在测试精 度性能上具有明显优势,其位移精度已达到微 米级[13]. 图 2 激光测振仪 Fig. 2 Laser Doppler vibrometer ( LDV) 2 试验过程与结果 岩爆是一种特殊的地质灾害,其发生一般具备 两个条件,一是岩石需具备储存大量弹性能的能力, 二是存在高应变能积聚的应力环境[12]. 基于此,本 试验模型采用单向弹簧来模拟在临空面方向上岩体 作用于岩爆体的能量,另设置潜在闭合的结构面来 模拟高应变能积聚的应力环境,从而实现对结构面 上的弱化特征研究的目的,如图 3 所示. 物理模拟试验可以通过相似理论将岩爆的主要 影响因素反应到模拟试验中,以获取灾变前后的有 效数据信息[14]. 本试验在岩爆体与围岩之间设置 弹性装置,模拟高能积聚,避免在材料发生破坏强度 突变降低时造成岩爆过程中不存在的应力断路伪特 征[15]. 图 4 为模型试验示意图,中间压缩的弹性装 置代表岩体赋存的弹性能,随着边界强度的不断降 · 172 ·

·272· 工程科学学报,第40卷,第3期 1800 140 1600 ◆位移过程线 120 1400 ·固有振动颜率 100 1200 潜在结构面 1000 非协调特征 80 800H 6 600 400 20 200H 560 580 600 620 时间/s 图6540s后频率与位移历时曲线 Fig.6 History curves of frequeney and displacement after 540s 生前1s,其大小基本决定耗散能的大小.因此,减弱 岩爆边界强度的损伤速率,增大岩爆边界的剩余强 图3岩爆试验模型 度并促进岩体实现大变形的边界耗散,是有效降低 Fig.3 Rock burst experimental model 结构型岩爆冲击破坏能量的主要途径之一. 低,当破坏时,岩爆体会瞬间脱离潜在边界向外飞射 表1监测数据与能量指标试验结果 出去 Table 1 Experimental results of monitoring data and energy index 剪切面 激光多普物测振仪 监测指标 能量指标 时间/s 位移1μm频率/z耗散能/(10-7J)占比/% 岩爆体 1.49 101.60 1.350 0.06 50 6.37 89.84 11.400 0.52 100 10.17 68.31 3.990 0.18 图4模型试验示意图 Fig.4 Schematic view of the model experiment 350 18.63 44.92 8.540 0.39 400 35.01 42.92 29.200 1.33 由图5可知,固有振动频率呈现总体下降的趋 550 41.62 40.04 4.140 0.19 势,并在600s后,出现急剧的下降且伴随剧烈的波 600 47.91 41.99 4.120 0.19 动,预示结构面强度弱化加快;而位移指标则在624 605 57.67 38.09 8.190 0.37 s后才发生急剧抬升,并在随后625s后发生破坏, 610 64.70 25.39 1.890 0.09 图6为540s后的历时曲线.结果显示,基于固有振 615 67.69 24.41 0.310 0.01 动频率的监测数据可识别岩爆结构面强度的非协调 616 71.62 57.62 3.050 0.14 特征. 618 75.72 69.34 4.790 0.22 1800 140 619 80.59 123.00 21.200 0.97 1600 一位移过程线 120 1400 ·固有振动频率 100 621 85.31 10.74 0.150 0.01 1200 时刻 1000 80 622 146.23 2.93 1.880 0.09 60 800 40 624 151.23 26.37 1.030 0.05 600 400 625 1672.233.91 2.09×103 95.20 200 100 200 300400 500 600 70020 时间/s 己知试验块体质量为300g,根据弹簧的强度系 图5频率与位移历时曲线 数可知块体初期弹性能为0.358J,而总体耗散能为 Fig.5 History curves of frequency and displacement 2.19×10-4J,仅占赋存弹性能的0.06%,因此造成 岩爆体在满赋存弹性能的状态下瞬间被弹射出去, 由式(4)可知,基于频率监测数据可知块体边 这是岩爆体发生高速度破坏的力学本质.由试验结 界全程的耗散能,如表1所示.结果显示,前624s 果分析可知,无论是开挖卸载还是加载导致的岩爆 边界所消耗耗散能总和不超过总体耗散能的5%, 破坏,也无论是瞬时岩爆还是迟滞性岩爆,最终是结 而破坏前1s则占总体耗散能的95.20%.基于动力 构面强度弱化,致使岩体在赋存弹性能作用下产生 学与能量作用原理,最主要的耗散能发生在岩爆发 高速冲击破坏

工程科学学报,第 40 卷,第 3 期 图 3 岩爆试验模型 Fig. 3 Rock burst experimental model 低,当破坏时,岩爆体会瞬间脱离潜在边界向外飞射 出去. 图 4 模型试验示意图 Fig. 4 Schematic view of the model experiment 由图 5 可知,固有振动频率呈现总体下降的趋 势,并在 600 s 后,出现急剧的下降且伴随剧烈的波 动,预示结构面强度弱化加快; 而位移指标则在 624 s 后才发生急剧抬升,并在随后 625 s 后发生破坏, 图 6 为 540 s 后的历时曲线. 结果显示,基于固有振 动频率的监测数据可识别岩爆结构面强度的非协调 特征. 图 5 频率与位移历时曲线 Fig. 5 History curves of frequency and displacement 由式( 4) 可知,基于频率监测数据可知块体边 界全程的耗散能,如表 1 所示. 结果显示,前 624 s 边界所消耗耗散能总和不超过总体耗散能的 5% , 而破坏前 1 s 则占总体耗散能的 95. 20% . 基于动力 学与能量作用原理,最主要的耗散能发生在岩爆发 图 6 540 s 后频率与位移历时曲线 Fig. 6 History curves of frequency and displacement after 540 s 生前 1 s,其大小基本决定耗散能的大小. 因此,减弱 岩爆边界强度的损伤速率,增大岩爆边界的剩余强 度并促进岩体实现大变形的边界耗散,是有效降低 结构型岩爆冲击破坏能量的主要途径之一. 表 1 监测数据与能量指标试验结果 Table 1 Experimental results of monitoring data and energy index 时间/ s 监测指标 能量指标 位移/μm 频率/Hz 耗散能/( 10 - 7 J) 占比/% 5 1. 49 101. 60 1. 350 0. 06 50 6. 37 89. 84 11. 400 0. 52 100 10. 17 68. 31 3. 990 0. 18 350 18. 63 44. 92 8. 540 0. 39 400 35. 01 42. 92 29. 200 1. 33 550 41. 62 40. 04 4. 140 0. 19 600 47. 91 41. 99 4. 120 0. 19 605 57. 67 38. 09 8. 190 0. 37 610 64. 70 25. 39 1. 890 0. 09 615 67. 69 24. 41 0. 310 0. 01 616 71. 62 57. 62 3. 050 0. 14 618 75. 72 69. 34 4. 790 0. 22 619 80. 59 123. 00 21. 200 0. 97 621 85. 31 10. 74 0. 150 0. 01 622 146. 23 2. 93 1. 880 0. 09 624 151. 23 26. 37 1. 030 0. 05 625 1672. 23 3. 91 2. 09 × 103 95. 20 已知试验块体质量为 300 g,根据弹簧的强度系 数可知块体初期弹性能为 0. 358 J,而总体耗散能为 2. 19 × 10 - 4 J,仅占赋存弹性能的 0. 06% ,因此造成 岩爆体在满赋存弹性能的状态下瞬间被弹射出去, 这是岩爆体发生高速度破坏的力学本质. 由试验结 果分析可知,无论是开挖卸载还是加载导致的岩爆 破坏,也无论是瞬时岩爆还是迟滞性岩爆,最终是结 构面强度弱化,致使岩体在赋存弹性能作用下产生 高速冲击破坏. · 272 ·

杜岩等:岩爆结构面强度的弱化特征 ·273· 限性,因此,从动力学角度和能量守恒原理开展研究 3 讨论 和思考岩爆问题,更加符合客观实际.本试验基于 3.1结构面弱化时空差异 等效剪切弹性系数与固有振动频率关系模型,通过 从宏观应力角度分析,岩爆可认为是由“开挖 频率指标的震荡变化特征和频率下降等指标,实现 卸载”引起的,从微观上看,岩爆可视为是由应力集 对结构面强度的弱化速率进行表征,进一步揭示了 中即“加载”引起的,而从本试验研究得出,无论是 地下岩体结构面强度弱化的时空差异是导致岩爆迟 开挖卸载还是加载,其最终结果都是导致结构面强 滞还是瞬时的主要因素,实现了迟滞型岩爆与瞬时 度的弱化,使得岩体消耗能量远小于岩体赋存的能 型岩爆在力学表征上的有机统一.试验中,频率指 量,从而发生岩爆破坏.另外,基于结构面弱化的速 标在0~605s期间缓慢下降,从101.06Hz逐渐下 率和形式,也可以对瞬时型岩爆和迟滞型岩爆进行 降至38.09Hz,频率下降速率为0.10Hz·s:而在 解释.试验中基于频率曲线可知,结构面的强度在 605s后频率下降速率为1.71Hz·s-1,为前期的 初期长时间弱化缓慢,使得岩爆在10min后才发生 17.1倍;并且通过频率对剪切弹性系数进行间接计 破坏.因此,地下岩体结构面强度弱化的时空差异 算,实现了迟滞型岩爆和瞬时型岩爆在力学分析上 是导致岩爆迟滞还是瞬时的主要因素.当结构面强 的统一,从而进一步揭示了岩体内部缺陷引起的非 度弱化较快时,则会发生瞬时性岩爆;反之则发生迟 协调特性这一岩爆的力学本质特征·, 滞型岩爆,如图7所示 3.2岩爆发生的必要条件 200r 越来越多的研究证明,岩块脆性破坏往往是拉 -180 一迟滞型岩爆(模型实验) 160 一瞬时型岩爆 伸或剪切破坏的同时,也伴随着强度的实时退化 140 如果不考虑结构面的弱化效应,很难模拟出与现场 120 100 实际相吻合的试验结果.岩爆是能量岩体沿临空面 0 60 突然释放能量的非线性动力学现象,不仅需要岩体 4 0 内部可以储备比较高的能量,同时还需要在岩体周 100 200 300 400 500 600 700 围有给岩体提供岩爆所需的环境条件,如临空面和 时间/s 脆性的结构面.因此,可以通过预设结构面,形成岩 图7剪切弹性系数历时曲线 爆的发射腔体,即岩爆腔),进而有效模拟岩爆发 Fig.7 History curves of shear modulus 生的整个过程,并基于固有振动频率等的“岩体振 最新的研究显示,监测结构面的弱化指标是成 动”远程监测,找出岩爆孕育过程中岩爆体结构面 功预测岩爆的关键0.目前最成功的监测手段如微 强度弱化效应与岩体非协调变化产生的波状震荡变 震、声发射等都是通过监测裂缝引起的信号异常来 化特征,如图6所示. 实现对岩爆的预警,而实际这些异常信号的发生是 设置强度不断弱化的剪切结构面,是岩块发生 由结构面弱化或破裂所致.本研究通过力学模型构 岩爆的必要条件之一.试验结果发现,结构面弱化 建了微型模型试验,并应用高精度激光多普勒测振 的时空差异,使得岩块不仅出现剥离,并是可以较大 仪监测岩爆体结构面弱化破坏的过程.由式(7)可 初速度弹射出去的关键.图8为频率下降速率指 知,基于固有振动频率等动力学监测指标,可识别结 标.由图8可知,605s后频率下降速率分别为 构面的剪切弹性系数指标.试验得出,结构面强度 2.54、1.33和1.52Hzs1,分别为初期平均下降速 存在明显的非协调弱化特性,使得在时间跨度上出 率的25.4倍、13.3倍和15.2倍.通过频率下降速 现迟滞型和瞬时型两种岩爆类型.而实际中,由于 率指标可知,岩体结构面强度时空变化存在明显的 岩爆结构面非协调弱化特征更加明显,迟滞型岩爆 非协调变化特征.根据式(7),结构面的剪切弹性系 的剪切弹性系数曲线前期会更加平缓,而岩爆发生 数与频率有关,后期频率的下降速度加快则说明结 前的曲线则会更加陡峭.不可否认的是,固有振动 构面的强度也在加速丧失,进而导致岩爆具有强破 频率等动力学参数,可以帮助我们实现对岩爆更深 坏的特点.结构面强度的非协调弱化特性亦会造成 层次的认识,而固有振动频率监测指标的引入,无疑 结构面的总体耗散能急剧下降,试验中耗散总能量 将扩展岩爆监测的定量分析指标并为岩爆孕育规律 仅占赋存弹性能的0.06%.正因为此,无论是瞬时 识别研究提高新的数据支持 性岩爆还是迟滞型岩爆,都具有高冲击性等特点 由于单纯利用静载荷理论分析岩爆有很大的局 综上,岩爆发生需要具备如下几个条件,一是需

杜 岩等: 岩爆结构面强度的弱化特征 3 讨论 3. 1 结构面弱化时空差异 从宏观应力角度分析,岩爆可认为是由“开挖 卸载”引起的,从微观上看,岩爆可视为是由应力集 中即“加载”引起的,而从本试验研究得出,无论是 开挖卸载还是加载,其最终结果都是导致结构面强 度的弱化,使得岩体消耗能量远小于岩体赋存的能 量,从而发生岩爆破坏. 另外,基于结构面弱化的速 率和形式,也可以对瞬时型岩爆和迟滞型岩爆进行 解释. 试验中基于频率曲线可知,结构面的强度在 初期长时间弱化缓慢,使得岩爆在 10 min 后才发生 破坏. 因此,地下岩体结构面强度弱化的时空差异 是导致岩爆迟滞还是瞬时的主要因素. 当结构面强 度弱化较快时,则会发生瞬时性岩爆; 反之则发生迟 滞型岩爆,如图 7 所示. 图 7 剪切弹性系数历时曲线 Fig. 7 History curves of shear modulus 最新的研究显示,监测结构面的弱化指标是成 功预测岩爆的关键[1]. 目前最成功的监测手段如微 震、声发射等都是通过监测裂缝引起的信号异常来 实现对岩爆的预警,而实际这些异常信号的发生是 由结构面弱化或破裂所致. 本研究通过力学模型构 建了微型模型试验,并应用高精度激光多普勒测振 仪监测岩爆体结构面弱化破坏的过程. 由式( 7) 可 知,基于固有振动频率等动力学监测指标,可识别结 构面的剪切弹性系数指标. 试验得出,结构面强度 存在明显的非协调弱化特性,使得在时间跨度上出 现迟滞型和瞬时型两种岩爆类型. 而实际中,由于 岩爆结构面非协调弱化特征更加明显,迟滞型岩爆 的剪切弹性系数曲线前期会更加平缓,而岩爆发生 前的曲线则会更加陡峭. 不可否认的是,固有振动 频率等动力学参数,可以帮助我们实现对岩爆更深 层次的认识,而固有振动频率监测指标的引入,无疑 将扩展岩爆监测的定量分析指标并为岩爆孕育规律 识别研究提高新的数据支持. 由于单纯利用静载荷理论分析岩爆有很大的局 限性,因此,从动力学角度和能量守恒原理开展研究 和思考岩爆问题,更加符合客观实际. 本试验基于 等效剪切弹性系数与固有振动频率关系模型,通过 频率指标的震荡变化特征和频率下降等指标,实现 对结构面强度的弱化速率进行表征,进一步揭示了 地下岩体结构面强度弱化的时空差异是导致岩爆迟 滞还是瞬时的主要因素,实现了迟滞型岩爆与瞬时 型岩爆在力学表征上的有机统一. 试验中,频率指 标在 0 ~ 605 s 期间缓慢下降,从 101. 06 Hz 逐渐下 降至 38. 09 Hz,频率下降速率为 0. 10 Hz·s - 1 ; 而在 605 s 后频率下降速率为 1. 71 Hz·s - 1,为前 期 的 17. 1 倍; 并且通过频率对剪切弹性系数进行间接计 算,实现了迟滞型岩爆和瞬时型岩爆在力学分析上 的统一,从而进一步揭示了岩体内部缺陷引起的非 协调特性这一岩爆的力学本质特征[16]. 3. 2 岩爆发生的必要条件 越来越多的研究证明,岩块脆性破坏往往是拉 伸或剪切破坏的同时,也伴随着强度的实时退化. 如果不考虑结构面的弱化效应,很难模拟出与现场 实际相吻合的试验结果. 岩爆是能量岩体沿临空面 突然释放能量的非线性动力学现象,不仅需要岩体 内部可以储备比较高的能量,同时还需要在岩体周 围有给岩体提供岩爆所需的环境条件,如临空面和 脆性的结构面. 因此,可以通过预设结构面,形成岩 爆的发射腔体,即岩爆腔[17],进而有效模拟岩爆发 生的整个过程,并基于固有振动频率等的“岩体振 动”远程监测,找出岩爆孕育过程中岩爆体结构面 强度弱化效应与岩体非协调变化产生的波状震荡变 化特征,如图 6 所示. 设置强度不断弱化的剪切结构面,是岩块发生 岩爆的必要条件之一. 试验结果发现,结构面弱化 的时空差异,使得岩块不仅出现剥离,并是可以较大 初速度弹射出去的关键. 图 8 为频率下降速率指 标. 由 图 8 可 知,605 s 后频率下降速率分别为 2. 54、1. 33 和 1. 52 Hz·s - 1,分别为初期平均下降速 率的 25. 4 倍、13. 3 倍和 15. 2 倍. 通过频率下降速 率指标可知,岩体结构面强度时空变化存在明显的 非协调变化特征. 根据式( 7) ,结构面的剪切弹性系 数与频率有关,后期频率的下降速度加快则说明结 构面的强度也在加速丧失,进而导致岩爆具有强破 坏的特点. 结构面强度的非协调弱化特性亦会造成 结构面的总体耗散能急剧下降,试验中耗散总能量 仅占赋存弹性能的 0. 06% . 正因为此,无论是瞬时 性岩爆还是迟滞型岩爆,都具有高冲击性等特点. 综上,岩爆发生需要具备如下几个条件,一是需 · 372 ·

·274· 工程科学学报,第40卷,第3期 3.0p 4结论 2.0 (1)地下岩体结构面强度弱化的时空差异是导 1.5 致岩爆迟滞还是瞬时的主要因素,当结构面弱化较 慢时,则为迟滞型岩爆,反之,则为瞬时性岩爆.而 通过对结构面弱化指标和速率进行识别,可进一步 50100350400550605610621 提高岩爆监测预警的置信度和准确性。 625.5 时间s (2)结构面的非协调弱化效应,是岩爆发生的 图8频率下降速率 必要条件之一.剪切面强度后期的快速退化,致使 Fig.8 Frequency decreasing rate 岩爆具有强破坏的特点:同时造成结构面耗散能远 要满足发生岩爆的能量条件,即岩体内部或周围岩 远小于其赋存弹性能,使得赋存的弹性变形能大部 体可以提供较高的弹性能:第二是需要满足发生岩 分都转化为动能,从而造成岩爆具有高冲击性特征. 爆的结构条件,形成面向临空面的裂纹闭合圈,即岩 本试验中,边界总耗散能仅为赋存弹性能的 0.06%,使得岩爆体在几乎满赋存弹性能的状态下 爆腔,这己被很多学者所认可.另外最重要,也是常 瞬间被弹射出去 常被忽略的是,岩爆边界强度的实时退化。根据式 (3)基于固有振动频率、频率下降速率等动力 (4),在其他条件不变的情况下,边界强度的实时退 化造成结构面耗散能远远小于其赋存弹性能,使得 学监测数据,可识别岩爆体结构面的非协调弱化特 后期的弹性变形能大部分都转化为动能,从而造成 征.因此,增加固有振动频率等动力特征监测指标, 无疑会进一步提高对岩爆孕育演化特征规律的认 岩爆的冲击性破坏. 识,并将在地下空间工程岩爆防灾减灾方面发挥重 在本模型试验中,通过设置单一无起伏变化的 大作用 剪切结构面,实现强度实时退化下,岩体发生松脱弹 射的全过程破坏.试验中频率指标显示,结构面强 参考 文献 度在前期很长时间下降较慢,而在后期下降较快,从 [1]Ma T H,Tang C A,Tang L X,et al.Mechanism of rock burst 而产生迟滞型岩爆.由于岩体结构面强度的时空变 forcasting based on micro-seismic monitoring technology.Chin J 化存在非协调特性,试验中的总耗散仅占赋存弹性 Rock Mech Eng,2016,35 (3)470 能的0.06%,使得更多能量转化为动能,产生猛烈 (马天辉,唐春安,唐烈先,等。基于微震监测技术的岩爆预 测机制研究.岩石力学与工程学报,2016,35(3):470) 的失稳破坏 2]Zhang JJ.Fu B J.Rockburst and its criteria and control.Chin J 实际上,岩爆发生往往具有显著的时空分区特 Rock Mech Eng,2008,27(10):2034 征,这就需要从多个途径、提出多种方法对地下岩土 (张镜剑,傅冰骏.岩爆及其判据和防治.岩石力学与工程学 工程进行分区时空综合预测分析.由于岩爆具有在 报,2008,27(10):2034) 小变形条件下产生非连续开裂破坏的特点,因此需 B]Feng T,Xie X B,Pan C L,et al.Fracture mechanism analysis 要开发能够与岩爆动力破坏特征相适应的更加多元 for burst rock with electron scanning microscope.J Cent South Univ Technol,1999,30(1)14 化的信息监测指标体系.而基于激光测振仪对 (冯涛,谢学斌,潘长良,等.岩爆岩石断裂机理的电镜分析 振幅和频率等动力参数信息的监测,可以为现场获 中南工业大学学报,1999,30(1):14) 取的评价岩石工程安全性最直接的监测指标阁 [4]He M C.Miao J L,Feng J L.Rock burst process of limestone and 实际经验表明在预测岩爆的可靠性、规律性以及准 its acoustic emission characteristics under true-riaxial unloading conditions.Int J Rock Mech Min Sci,2010,47(2):286 确性方面,采用多种监测手段要高于单一的监测手 [5] Xu N W,Tang C A,Li LC,et al.Microseismie monitoring and 段,因此在现场监测位置、技术以及经济允许的条件 stability analysis of the left bank slope in Jinping first stage hydro- 下,增加动力特征参数的监测指标,无疑会进一步提 power station in southwestern China.Int J Rock Mech Min Sci, 高现场对岩爆孕育演化特征规律的认识.下一步工 2011,48(6):950 作是对某隧洞进行现场原位试验,通过频率下降速 [6 Kong L H,Qi Q X,Jiang F X,et al.Abnormal strata stress resul- 率指标等动力学参数实现对结构面弱化指标的识别 ted from goaf square of longwall face based on mieroseismic moni- toring.Chin J Rock Mech Eng,2012,31(Suppl 2):3889 研究,从而实现固有振动频率监测指标的常态化 (孔令海,齐庆新,姜福兴,等.长壁工作面采空区见方形成 应用 异常来压的微震监测研究.岩石力学与工程学报,2012,31

工程科学学报,第 40 卷,第 3 期 图 8 频率下降速率 Fig. 8 Frequency decreasing rate 要满足发生岩爆的能量条件,即岩体内部或周围岩 体可以提供较高的弹性能; 第二是需要满足发生岩 爆的结构条件,形成面向临空面的裂纹闭合圈,即岩 爆腔,这已被很多学者所认可. 另外最重要,也是常 常被忽略的是,岩爆边界强度的实时退化. 根据式 ( 4) ,在其他条件不变的情况下,边界强度的实时退 化造成结构面耗散能远远小于其赋存弹性能,使得 后期的弹性变形能大部分都转化为动能,从而造成 岩爆的冲击性破坏. 在本模型试验中,通过设置单一无起伏变化的 剪切结构面,实现强度实时退化下,岩体发生松脱弹 射的全过程破坏. 试验中频率指标显示,结构面强 度在前期很长时间下降较慢,而在后期下降较快,从 而产生迟滞型岩爆. 由于岩体结构面强度的时空变 化存在非协调特性,试验中的总耗散仅占赋存弹性 能的 0. 06% ,使得更多能量转化为动能,产生猛烈 的失稳破坏. 实际上,岩爆发生往往具有显著的时空分区特 征,这就需要从多个途径、提出多种方法对地下岩土 工程进行分区时空综合预测分析. 由于岩爆具有在 小变形条件下产生非连续开裂破坏的特点,因此需 要开发能够与岩爆动力破坏特征相适应的更加多元 化的信息监测指标体系[14]. 而基于激光测振仪对 振幅和频率等动力参数信息的监测,可以为现场获 取的评价岩石工程安全性最直接的监测指标[18]. 实际经验表明在预测岩爆的可靠性、规律性以及准 确性方面,采用多种监测手段要高于单一的监测手 段,因此在现场监测位置、技术以及经济允许的条件 下,增加动力特征参数的监测指标,无疑会进一步提 高现场对岩爆孕育演化特征规律的认识. 下一步工 作是对某隧洞进行现场原位试验,通过频率下降速 率指标等动力学参数实现对结构面弱化指标的识别 研究,从而实现固有振动频率监测指标的常态化 应用. 4 结论 ( 1) 地下岩体结构面强度弱化的时空差异是导 致岩爆迟滞还是瞬时的主要因素,当结构面弱化较 慢时,则为迟滞型岩爆,反之,则为瞬时性岩爆. 而 通过对结构面弱化指标和速率进行识别,可进一步 提高岩爆监测预警的置信度和准确性. ( 2) 结构面的非协调弱化效应,是岩爆发生的 必要条件之一. 剪切面强度后期的快速退化,致使 岩爆具有强破坏的特点; 同时造成结构面耗散能远 远小于其赋存弹性能,使得赋存的弹性变形能大部 分都转化为动能,从而造成岩爆具有高冲击性特征. 本 试 验 中,边界总耗散能仅为赋存弹性能的 0. 06% ,使得岩爆体在几乎满赋存弹性能的状态下 瞬间被弹射出去. ( 3) 基于固有振动频率、频率下降速率等动力 学监测数据,可识别岩爆体结构面的非协调弱化特 征. 因此,增加固有振动频率等动力特征监测指标, 无疑会进一步提高对岩爆孕育演化特征规律的认 识,并将在地下空间工程岩爆防灾减灾方面发挥重 大作用. 参 考 文 献 [1] Ma T H,Tang C A,Tang L X,et al. Mechanism of rock burst forcasting based on micro-seismic monitoring technology. Chin J Rock Mech Eng,2016,35( 3) : 470 ( 马天辉,唐春安,唐烈先,等. 基于微震监测技术的岩爆预 测机制研究. 岩石力学与工程学报,2016,35( 3) : 470) [2] Zhang J J,Fu B J. Rockburst and its criteria and control. Chin J Rock Mech Eng,2008,27( 10) : 2034 ( 张镜剑,傅冰骏. 岩爆及其判据和防治. 岩石力学与工程学 报,2008,27( 10) : 2034) [3] Feng T,Xie X B,Pan C L,et al. Fracture mechanism analysis for burst rock with electron scanning microscope. J Cent South Univ Technol,1999,30( 1) : 14 ( 冯涛,谢学斌,潘长良,等. 岩爆岩石断裂机理的电镜分析. 中南工业大学学报,1999,30( 1) : 14) [4] He M C,Miao J L,Feng J L. Rock burst process of limestone and its acoustic emission characteristics under true-triaxial unloading conditions. Int J Rock Mech Min Sci,2010,47( 2) : 286 [5] Xu N W,Tang C A,Li L C,et al. Microseismic monitoring and stability analysis of the left bank slope in Jinping first stage hydro￾power station in southwestern China. Int J Rock Mech Min Sci, 2011,48( 6) : 950 [6] Kong L H,Qi Q X,Jiang F X,et al. Abnormal strata stress resul￾ted from goaf square of longwall face based on microseismic moni￾toring. Chin J Rock Mech Eng,2012,31( Suppl 2) : 3889 ( 孔令海,齐庆新,姜福兴,等. 长壁工作面采空区见方形成 异常来压的微震监测研究. 岩石力学与工程学报,2012,31 · 472 ·

杜岩等:岩爆结构面强度的弱化特征 ·275· (增f刊2):3889) 2013,32(10):1973) [7]Feng X T,Wu S Y,Li S J,et al.Comprehensive field monitoring [13]Du Y,Xie M W,Jiang Y J,et al.A new method for landslides of deep tunnels at Jinping underground laboratory (CJPL-I)in safety assessments based on natural vibration frequency.Chin China.Chin J Rock Mech Eng,2016,35(4):649 Eng,2015,37(9):1118 (冯夏庭,吴世勇,李邵军,等.中国锦屏地下试验室二期工 (杜岩,谢谟文,蒋宇静,等。基于固有振动频率的滑坡安全 程安全原位综合监测与分析.岩石力学与工程学报,2016,35 评价新方法.工程科学学报,2015,37(9):1118) (4):649) [14]Zhou H,Meng F Z,Zhang C Q,et al.Review and status of re- [8]Du Y,Xie M W,Jiang YJ,et al.Experimental rock stability as- search on physical simulation test for rockburst.Chin J Rock sessment using the frozenthawing test.Rock Mech Rock Eng, Mech Eng,2015,34(5):915 2017,50(4):1049 (周辉,孟凡震,张传庆,等.岩爆物理模拟试验研究现状及 Wu W P,Feng X T,Zhang C Q,et al.Classification of failure 思考.岩石力学与工程学报,2015,34(5):915) modes and controlling measures for surrounding rock of deep tunnel [15]Qi Y J,Dong Z X,Jing H W,et al.Experimental modelling on in hard rock.Chin J Rock Mech Eng,2011,30(9):1782 failure characteristics of rockburst with different properties tun- (吴文平,冯夏庭,张传庆,等.深埋硬岩隧洞围岩的破坏模 nel.J China Univ Min Technol,2017,46(6):1239 式分类与调控策略.岩石力学与工程学报,2011,30(9): (齐燕军,东兆星,靖洪文,等.不同岩性巷道岩爆灾变特征 1782) 模型试验研究.中国矿业大学学报,2017,46(6):1239) [10]He M C,Miao J L,Li D J,et al.Experimental study on rock- [16]Qian Q H,Zhou X P.Effects of incompatible deformation on fail- burst processes of granite specimen at great depth.Chin J Rock ure mode and stress field of surrounding rock mass.Chin Rock Mech Eng,2007,26(5):865 Mech Eng,2013,32(4):649 (何满潮,苗金丽,李德建,等.深部花岗岩试样岩爆过程试 (钱七虎,周小平.岩体非协调变形对围岩中的应力和破坏 验研究.岩石力学与工程学报,2007,26(5):865) 的影响.岩石力学与工程学报,2013,32(4):649) [11]Qian Q H.Definition,mechanism,classification and quantitative [17]Ma A Y,Wu F Q,Sha P,et al.Progressive failure of Jinping forecast model for rockburst and pressure bump.Rock Soil Mech, marble in true triaxial rockburst test.Rock Soil Mech,2014,35 2014,35(1):1 (10):2868 (钱七虎.岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测 (马艾阳,伍法权,沙鹏,等.锦屏大理岩真三轴岩爆试验的 模型.岩土力学,2014,35(1):1) 渐进破坏过程研究.岩土力学,2014,35(10):2868) [12]Cai M F,Ji D,Guo Q F.Study of rockburst prediction based on [18]Du Y,Xie M W,Jiang Y J,et al.Experimental study on cumu- in-itu stress measurement and theory of energy accumulation lative damage assessment of rockblock using a laser Doppler vi- caused by mining disturbance.Chin J Rock Mech Eng,2013,32 brometer.Chin J Eng,2017,39(1):141 (10):1973 (杜岩,谢谟文,蒋宇静,等.应用激光多普勒测振仪的岩块 (蔡美峰,冀东,郭奇峰.基于地应力现场实测与开采扰动 体累计损伤评价试验研究.工程科学学报,2017,39(1): 能量积聚理论的岩爆预测研究.岩石力学与工程学报, 141)

杜 岩等: 岩爆结构面强度的弱化特征 ( 增刊 2) : 3889) [7] Feng X T,Wu S Y,Li S J,et al. Comprehensive field monitoring of deep tunnels at Jinping underground laboratory ( CJPL-II) in China . Chin J Rock Mech Eng,2016,35( 4) : 649 ( 冯夏庭,吴世勇,李邵军,等. 中国锦屏地下试验室二期工 程安全原位综合监测与分析. 岩石力学与工程学报,2016,35 ( 4) : 649) [8] Du Y,Xie M W,Jiang Y J,et al. Experimental rock stability as￾sessment using the frozen-thawing test. Rock Mech Rock Eng, 2017,50( 4) : 1049 [9] Wu W P,Feng X T,Zhang C Q,et al. Classification of failure modes and controlling measures for surrounding rock of deep tunnel in hard rock. Chin J Rock Mech Eng,2011,30( 9) : 1782 ( 吴文平,冯夏庭,张传庆,等. 深埋硬岩隧洞围岩的破坏模 式分类与调控策略. 岩石力学与工程学报,2011,30 ( 9 ) : 1782) [10] He M C,Miao J L,Li D J,et al. Experimental study on rock￾burst processes of granite specimen at great depth. Chin J Rock Mech Eng,2007,26( 5) : 865 ( 何满潮,苗金丽,李德建,等. 深部花岗岩试样岩爆过程试 验研究. 岩石力学与工程学报,2007,26( 5) : 865) [11] Qian Q H. Definition,mechanism,classification and quantitative forecast model for rockburst and pressure bump. Rock Soil Mech, 2014,35( 1) : 1 ( 钱七虎. 岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测 模型. 岩土力学,2014,35( 1) : 1) [12] Cai M F,Ji D,Guo Q F. Study of rockburst prediction based on in-situ stress measurement and theory of energy accumulation caused by mining disturbance. Chin J Rock Mech Eng,2013,32 ( 10) : 1973 ( 蔡美峰,冀东,郭奇峰. 基于地应力现场实测与开采扰动 能量积聚 理 论 的 岩 爆 预 测 研 究. 岩石力学与工程学报, 2013,32( 10) : 1973) [13] Du Y,Xie M W,Jiang Y J,et al. A new method for landslides safety assessments based on natural vibration frequency. Chin J Eng,2015,37( 9) : 1118 ( 杜岩,谢谟文,蒋宇静,等. 基于固有振动频率的滑坡安全 评价新方法. 工程科学学报,2015,37( 9) : 1118) [14] Zhou H,Meng F Z,Zhang C Q,et al. Review and status of re￾search on physical simulation test for rockburst. Chin J Rock Mech Eng,2015,34( 5) : 915 ( 周辉,孟凡震,张传庆,等. 岩爆物理模拟试验研究现状及 思考. 岩石力学与工程学报,2015,34( 5) : 915) [15] Qi Y J,Dong Z X,Jing H W,et al. Experimental modelling on failure characteristics of rockburst with different properties tun￾nel. J China Univ Min Technol,2017,46( 6) : 1239 ( 齐燕军,东兆星,靖洪文,等. 不同岩性巷道岩爆灾变特征 模型试验研究. 中国矿业大学学报,2017,46( 6) : 1239) [16] Qian Q H,Zhou X P. Effects of incompatible deformation on fail￾ure mode and stress field of surrounding rock mass. Chin J Rock Mech Eng,2013,32( 4) : 649 ( 钱七虎,周小平. 岩体非协调变形对围岩中的应力和破坏 的影响. 岩石力学与工程学报,2013,32( 4) : 649) [17] Ma A Y,Wu F Q,Sha P,et al. Progressive failure of Jinping marble in true triaxial rockburst test. Rock Soil Mech,2014,35 ( 10) : 2868 ( 马艾阳,伍法权,沙鹏,等. 锦屏大理岩真三轴岩爆试验的 渐进破坏过程研究. 岩土力学,2014,35( 10) : 2868) [18] Du Y,Xie M W,Jiang Y J,et al. Experimental study on cumu￾lative damage assessment of rock-block using a laser Doppler vi￾brometer. Chin J Eng,2017,39( 1) : 141 ( 杜岩,谢谟文,蒋宇静,等. 应用激光多普勒测振仪的岩块 体累计损伤评价试验研究. 工程科学学报,2017,39 ( 1) : 141) · 572 ·

点击下载完整版文档(PDF)VIP每日下载上限内不扣除下载券和下载次数;
按次数下载不扣除下载券;
24小时内重复下载只扣除一次;
顺序:VIP每日次数-->可用次数-->下载券;
已到末页,全文结束
相关文档

关于我们|帮助中心|下载说明|相关软件|意见反馈|联系我们

Copyright © 2008-现在 cucdc.com 高等教育资讯网 版权所有