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岩爆发生的机理分析及防治措施综述.
岩爆发生的机理分析及防治措施综述
摘要:深部洞室的岩爆已成为水利、隧道、深部采矿工程建设的突出问题。近年来,我国在深部采矿,隧道开挖等工程领域快速发展,由于工程经验相对较少,且多数理论研究成果很难解释岩爆的发生机理,因此对岩爆的发生机理及防治措施研究显得尤为重要和迫切。通过介绍已有的岩爆发生机理,比较现有的岩爆发生机理,指出各岩爆机理的优缺点,并提出需要改进的部分,并对相关的隧洞工程总结有效的防治措施。最后结合当前的研究现状提出几点见解,以期为岩爆区的工程设计、施工建设提供有益参考。
关键词:岩爆;地应力;应变能;隧洞;断裂力学
E-mail:ambitiousxjfeng@163.com引 言
自1738年在英国锡矿坑道中首次发现岩爆现象以来,各国在深部地下工程中的岩爆现象越来越多,这与人类不断向深部开采资源,发展地下空间的活动密切相关。岩爆作为一种人类地下深部工程活动的产物,其定义众多,目前尚未有统一的认识。广泛被接受的定义:在高地应力深部地下洞室中,脆性岩石卸荷造成存储的应变能突然释放,使洞室围岩出现崩落,甚至弹射并伴随爆裂声的一种动力失稳现象[1]。岩爆的发生会给工程造成巨大的损失,严重的情况会造成大型机械设备的损坏以及人员的伤亡,因此对深部岩石的岩爆现象研究显得特别重要。
随着矿山、水利水电、铁路公路交通隧道等工程向深部发展,岩爆作为一种地质灾害现象,其发生越来越频繁。[2]岩爆作为一种复杂的深部地下工程活动现象,其发生原因受多种因素的影响,因此对岩爆形成的机理研究以及准确预测显得特别困难。为解决当前我国深部地下工程活动中的地质灾害问题,需要对岩爆发生的力学机理,物理现象做深入的研究,结合室内试验,现场试验以及现场检测对其发生的时间,发生的强度、烈度做进一步精确的预测。我国自1933年在抚顺胜利煤矿报道岩爆事故以来,已记载了大量的工程岩爆事故,特别近几年来,随着我国不断向深部地下空间发展,岩爆现象发生频繁。虽然我国在这方面已积累了大量的工程经验,并开展了大量的工程实践探索和研究,但岩爆机理的研究大多数还停留在定性解释阶段。鉴于新形势下我国地下工程发展趋势,有必要对深部洞室岩爆的发生机理作全面而系统的研究,这对保证我国在深部地下工程建设项目的设计、施工,安全使用和管理等具有重要的现实意义。
目前人们对岩爆的发生已有了比较深刻的认识和研究。徐林生从岩爆发生的地应力,岩体结构及其性能,地质构造,水文地质,工程施工开挖等因素出发,详细研究了深部地下工程岩爆发生的的条件[]。E,Hoek等以及Zoback提出岩爆是高地应力条件下的剪切破坏现象[]。而Mastin以及Haimson通过对带圆孔的砂岩岩板进行岩爆实验模拟,指出岩爆是孔壁应力集中造成的张拉破坏现象[]。谭以安教授认为岩爆是一渐进破坏过程(劈裂成板-剪断成块-块片弹射)[]。徐林生,王兰生等利用川藏公路二郎山隧道工程课题结合岩爆岩石断口扫描电镜(SEM)以及卸荷三轴试验根据岩爆力学机制提出岩爆可分为三种基本形式:压致拉裂、压致剪切拉裂、弯曲鼓折[]。李廷芥,王耀辉等结合岩石裂纹的分形特征,通过试验发现岩体的维数值随裂纹尖端剪应力增加而增加,并据此从能量耗散角度出发,指出裂纹分形维数值与岩爆发生存在一定的相关性[]。冯涛,潘长良应用断裂力学理论提出岩爆发生机理的层裂屈曲模型,该模型很好的描述了洞室表面岩爆的发生机理[]。杨健,武雄将系统工程决策方法和模糊数学评价方法有机结合,提出一种多指标、多因素、多判据的岩爆综合评价方法.AHP-FUZZY法。该方法综合考虑了影响岩爆发生的十多种因素,避免了仅考虑少数几种判据所带来的局限性,同时通过层次结构分析方法较为客观地洽出了各种影响因素的影响程度权值,为提高岩爆综合预测评价的可靠性创造了条件。本文结合目前研究成果对岩爆的发生机理,预测及防治措施等作详细的分析和总结,并提出存在的问题以及可能的研究内容和方法,希望为深部地下空间工程设计、施工等提供有益的参考。
1 岩爆发生的主要影响因素
1.1 地质因素
1)岩体结构。岩体结构由结构面和结构体两个要素组成,是反映岩体工程地质特征的最根本的因素,不仅影响岩体的内在特性,而且影响岩体的物理力学性质及其受力变形的全过程。结构面和结构体的特性决定了岩体结构特征,也决定了岩体的结构类型。工程岩体是否会发生岩爆以及岩爆的烈度大小主要取决于结构面性质及其空间组合和结构体的性质及其立体形式。
2)地质构造。复杂的地质构造带容易发生岩爆,如褶曲、岩脉、断层以及岩层的突变等等。大量的现场试验表明,岩爆经常发生在向斜构造的轴部,特别是构造突变区,断层带等应力集中区[]。
3)不连续面性状。不连续面的光滑或粗糙程度,不连续面的组合状态及其充填物的性质,都反映了不连续面的性质,直接影响着结构面的抗剪
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