巖爆研究現(xiàn)狀評述與趨勢

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1、巖爆研究現(xiàn)狀評述與趨勢巖爆研究現(xiàn)狀評述與趨勢摘要：巖爆地質(zhì)災(zāi)害相當(dāng)復(fù)雜，嚴重威脅施工人員和施工設(shè)備的安全。針對巖爆的發(fā)生機理、特征與巖爆研究現(xiàn)狀，進行了歸納與評述，并提出了巖爆研究的新趨勢與見解。關(guān)鍵詞:巖爆；巖爆破壞；研究進展1引言我國豐富的水電能源開發(fā)主要分布于西部高山峽谷地區(qū)，相當(dāng)多電站都以縱橫交錯的大型洞室群作為地下廠房建筑物［唐春安，2012#175］o由于地質(zhì)條件錯綜復(fù)朵，近年來，我國有不少地下工程發(fā)生過巖爆現(xiàn)象。例如，川藏公路二郎山隧道地質(zhì)條件比較復(fù)朵，處于高地應(yīng)力環(huán)境下，曾在施工過程中發(fā)生過多次烈度不等的巖爆現(xiàn)象［1］o目前，市于巖爆問題的高度復(fù)朵性，巖爆機理尚不清楚，巖爆的預(yù)

2、測還不夠準確，相關(guān)研究成果遠未滿足工程實踐耍求。2巖爆的破壞現(xiàn)象巖爆是處于較高地應(yīng)力地區(qū)的巖體，由于工程開挖等活動導(dǎo)致其內(nèi)部儲存的應(yīng)變能突然釋放，或原來處丁極限平衡狀態(tài)下的巖體市于外界擾動的作用，開挖臨空面圍巖塊體以猛烈的方式突然彈射出來或脫離母巖的一種動態(tài)力學(xué)現(xiàn)象［2］。巖爆能源來自于巖體本身存儲的應(yīng)變能，開挖后使圍巖處于高應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)靜應(yīng)力超過巖石強度時，巖爆破壞迅速發(fā)生。雖然在開挖、爆破后臨空面圍巖周圍產(chǎn)生的裂隙有利于高度集中的應(yīng)力和能量的釋放，但是，對于巖體進行開挖后圍巖積聚大量彈性應(yīng)變能，在外界動力擾動影響下將大大增加巖爆觸發(fā)的機率。3巖爆理論的研究現(xiàn)狀巖爆地質(zhì)災(zāi)害比較復(fù)雜，關(guān)于其形

3、成、爆發(fā)機理說法不一。目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者對深部地下工程巖爆破壞進行了若干思考和巖爆機理研究，從強度、能量、剛度、穩(wěn)定、斷裂損傷以及非線性理論等對巖爆機制進行了分析，在提出各種假設(shè)的基礎(chǔ)上，形成了不同的理論指標和預(yù)測指標。當(dāng)前，巖爆研究總體呈現(xiàn)從線性到非線性、從靜力到動力、從局部材料到工程系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變趨勢。3.1強度理論強度理論認為，地下巖體開采后由于圍巖的應(yīng)力集中使巖體承受的集中應(yīng)力超過其強度時，導(dǎo)致巖爆發(fā)生。強度理論最具有代表性的破壞準則是由Hoek和Brown于1980年基于各向同性的巖石材料提出的經(jīng)驗性強度準則。但該強度理論僅給出了發(fā)生巖爆的必要條件，并未說明巖爆在什么條件下產(chǎn)生［3］。

4、3.2能量理論由庫克提出的能量理論認為，巖爆是巖體由于開采后其系統(tǒng)產(chǎn)生的能量超過了巖體圍巖自身破壞的能量而引起的。進而也陸續(xù)有學(xué)者在此理論基礎(chǔ)上提出了能量平衡方程式、能量率理論。能量理論較好地說明了巖塊脫離圍巖拋出的破壞現(xiàn)象，從能量的角度闡述了巖爆的發(fā)生機理，但并未說明平衡狀態(tài)的性質(zhì)和破壞條件。3.3剛度理論剛度理論認為，地層結(jié)構(gòu)（巖體）的剛度大于地層負荷（圍巖）的剛度是產(chǎn)生巖爆的必要條件。該理論簡單、直觀，但是沒有對地層結(jié)構(gòu)與地層負荷系統(tǒng)的劃分及其剛度給出明確的概念［4］。3.4失穩(wěn)理論失穩(wěn)理論視圍巖為一個力學(xué)系統(tǒng)，巖爆的發(fā)生是由一個平衡狀態(tài)失穩(wěn)而轉(zhuǎn)化為另一個平衡狀態(tài)的動力失穩(wěn)過程。巖塊原已

5、積聚大量彈性應(yīng)變能，并積聚到一個非平衡狀態(tài)，當(dāng)外界遇到震動或洞室開挖等干擾時，巖體隨z失穩(wěn)而產(chǎn)生巖爆。3.5斷裂損傷理論斷裂損傷理論認為，巖體內(nèi)由于開挖而引起圍巖內(nèi)部產(chǎn)生微破裂,逐漸演變形成破裂集中區(qū)，進而嚴重損傷區(qū)演化成巖爆的震心導(dǎo)致巖爆發(fā)生［4］。該理論把巖爆的破壞過程看成一個損傷積累的過程，當(dāng)損傷累積到一定程度，巖石可能產(chǎn)生應(yīng)變軟化現(xiàn)象，導(dǎo)致巖石儲存應(yīng)變能的能力降低，最后多余能量向外界釋放產(chǎn)生巖爆。4巖爆的仿真研究與物理試驗的費用高、周期長、無法大規(guī)模使用等不足和比，數(shù)值模擬由于費用低、操作性好而被廣泛用于巖爆的模擬與預(yù)測。隨著高性能計算機的出現(xiàn)，也為復(fù)雜巖體行為的巖爆數(shù)值模擬提供了可能

6、。其中，應(yīng)用確定性分析來仿真研究巖爆的方法主要有連續(xù)介質(zhì)分析方法與非連續(xù)介質(zhì)分析方法。4.1基于連續(xù)介質(zhì)的巖爆仿真研究對于連續(xù)介質(zhì)分析方法主要有有限單元法、有限差分法和邊界元法等。在巖爆數(shù)值模擬方面，現(xiàn)有的有限元動力分析程序應(yīng)用比較普遍，如非線性動力分析有限元程序LS-DYNA、RFPA-Dynamics等。有限單元法應(yīng)用于巖爆的研究范圍比較廣，隨著計算機的發(fā)展和算法的優(yōu)化，計算精度與速度都有了一定的提高。但該方法局限于連續(xù)介質(zhì)問題，不能求解大位移變形的問題。在巖爆數(shù)值研究方面，有限差分法克服了有限元法不能求解大位移變形的缺點，非常適合研究采礦與隧道開掘、地震和巖爆、爆破動力響應(yīng)的領(lǐng)域。FLA

7、C及FLAC3D特別適合模擬大變形、扭曲、熱-力耦合以及動力學(xué)問題，但是由于結(jié)點位移連續(xù)，故此法仍局限應(yīng)用于連續(xù)介質(zhì)。4.2基于非連續(xù)介質(zhì)的巖爆仿真研究非連續(xù)介質(zhì)分析方法主要有顆粒元法、不連續(xù)變形分析法、流形元法和離散元法等。顆粒元方法如PFC、PFC3D等程序通過各個離散的圓形顆粒單元的相互運動及作用對物體進行細觀模擬巖爆過程，可以很好地表達宏觀物體的各種動力響應(yīng)。不連續(xù)變形分析法對于巖體不連續(xù)