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1、精品论文推荐基于能量原理的岩爆发生机理和防治分析汪明雳1李金波2张浩31 河海大学土木工程学院,南京（210098）2 河海大学土木工程学院，南京（210098）3 兰州理工大学工程力学系，兰州（730050）E-mail：wml_摘要： 岩石破坏过程中的能量变化规律能够反映外载作用下岩石强度变化与整体破坏的本质 特征。根据热力学第一定律，岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。坚硬的岩石易 于吸收能量，并且释放弹性应变能的比例高。工程岩爆多发生在深部地下工程中，属于三项受 压状态，三个主应力差距不大，能量释放变得越来越困难，高地应力条件下岩体能够储蓄大量 的变形能。洞室开挖面岩体从原来的
2、三向应力状态突然过渡到二向应力状态，破坏临界应力值 降低，岩爆随之发生。根据岩爆发生的能量机制，采取软化围岩、提前释放围岩的能量、维持 围岩开挖前的应力状态等措施。关键词： 岩爆，能量耗散，能量释放，应力状态转变1引言 岩爆，是指岩体中聚积的弹性应变能在地下工程施工开挖期间突然猛烈地释放，使岩石爆裂并弹射出岩块的现象。在岩性坚硬且完整或者较完整的高地应力地区的 地下工程开挖过程中，常有岩爆发生。岩石为一种内部存在各种大量缺陷的非均质 多项复合结构，在外力作用下和约束条件的变化，使其内部的微缺陷不断发展，在 部分区域出现贯通进而形成宏观裂纹，导致岩石失稳破坏。早期的岩石力学性能研究是隶属于传统固
3、体力学研究范畴的，因此，研究手段 沿用了经典连续介质力学的研究手段。但是，由于岩石是一种特殊的地质材料，受 地质构造的影响，岩石的组织结构极端不均匀，孔隙、裂隙、节理、断层、夹杂等 大量缺陷充斥其中，因而岩石的物理、力学特性通常表现为各向异性和非线性1。 所以均匀连续假设与岩石的实际情况并不相符，岩石力学的研究必须具有自己的特 色。岩石是典型的非均匀非连续介质，含有大量的结构不连续、形态不规则的裂隙、 节理或断层，其破坏力学行为与赋存环境的作用方式密切相关，不同的地应力和工 程作用力下岩石的破坏力学性质呈现复杂变化。局部高应力和高应变使岩石产生损 伤，强度丧失，但并不一定导致岩体的整体破坏。静
4、载和动载作用下岩石具有完全5不同的整体破坏方式。现有的应力强度理论与破坏准则大多很难有效地分析岩石这种复杂的强度变化与整体破坏行为。 本文拟采取能量的手段研究岩爆。由热力学定律可知，能量转化是物质物理过程的本质特征，物质破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象。因此，研究并建立岩 石破坏过程中的能量变化规律及其与强度和整体破坏之间的联系，将更有利于反映 外载作用下岩石强度变化与整体破坏的本质特征2。2.岩体破坏过程中的耗散能与可释放应变能 从能量的角度出发，岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果2。能量耗散主要诱发岩石损伤导致材料性质劣化和强度损失，单向不可逆的；能量释放则 导致岩石的突然破坏，
5、双向的，只要满足一定的条件下是可逆的。能量关系如图 1。 当岩石在外力作用下产生变形时，假设物理过程与外界没有热交换，即封闭的系统，外力功总输入的能量为U ，根据热力学第一定律，可得：U e =U = U d + U e1 2 + 2 + 2 2 ( + + )（1）（2）2E 1 2 3 1 2 1 3 2 3式中：U d 为岩石耗散能，U e 为岩石可释放弹性应变能。 、 、 为主应力；E123为卸荷弹性模量平均值； 为卸荷泊松比平均值。Uii dE iUe ii图 1 为单位体积中的能量耗散和可释放应变能的量值关系3基于能量原理岩爆机理分析 岩爆过程就是能量释放过程，由公式（1）可知：岩
6、石必须通过外力做功吸收足够的能量才能引起岩爆。这种吸收能量的能力与岩石本身的力学性质和加载方式有关。由文献2中的试验可知：吸收能量能力方面花岗岩比砂岩、灰岩高。原因是花岗岩的抗压强度和极限应变均比砂岩、灰岩高，相应外载所作的极限功也高。因而， 花岗岩等坚硬的岩石易于发生岩爆。工程岩爆多发生在深部地下工程中，属于三项受压状态，三个主应力差距不大， 例如：括苍山特长公路隧道中三个主应力相差不到三倍4，长大引水隧洞三个主应 力更是很接近5。文献2中可知：随着岩体单元围压的增大，三个主应力相差越小， 能量释放变得越来越困难，整体破坏时的临界应力从单压时的 c 增加到 。因此， 高地应力条件下岩体能够储
7、蓄大量的变形能。在高应力地区，洞室开挖面岩体从原来的三向应力状态突然过渡到二向应力状态。在围压状态下远未达到岩体的破坏极 限，但在二向应力状态下极易超过临界应力值，形成整体破坏。岩体发生整体破坏 时，在主应力 i 方向的能量释放量正比于岩体中储存的可释放能量，并按最小应力 差进行分配2。一方面洞室围岩在开挖前积聚了足够的弹性势能，另一方面围岩的 在三向应力状态过渡到二向应力状态，所需破坏的临界应力值也大幅降低。因而高地应力地区洞室开挖极易发生岩爆。 在外力功总输入能量一定的条件下，可释放弹性应变能取决于岩石耗散能的多少。能量耗散是岩石变形破坏的本质属性，它反映了岩石内部微缺陷的不断发展、 强度
8、不断弱化并最终丧失的过程。因此，能量耗散与损伤和强度丧失直接相关，耗 散量反映了原始强度衰减的程度。定义单元强度丧失为其粘聚力的丧失，即岩体单 元在经历一定的能量耗散后其内部损伤达到最大值，微结构的粘聚力完全丧失。强 度完全丧失时的临界能量耗散值与应力状态和岩性有关，是一条材料曲线。根据文 献6，岩石在整个破坏过程中，声发生能量非常小，几乎可以忽略不计，岩石吸收 的能量主要耗散于内部摩擦，而产生破裂面所需能量非常小，所以由破裂而产生的 声发射能量更小。根据文献7，大理岩比砂岩破坏需要更多的能量，大理岩在峰值 前的弹性储能约为耗散能的两倍，而砂岩的弹性能与耗散能基本持平。硬性岩石的 弹性能大于耗
9、散能，弹性能在加载后的释放提供了破坏原动力。4基于能量原理的岩爆防治措施 改善围岩的物理力学性能，目的是降低围岩的强度，减弱围岩的脆性，增强围岩的延性，使围岩内储存的弹性应变能大量地消耗在围岩裂隙的启裂和扩展方面， 减少围岩储存的弹性应变能，达到降低岩爆剧烈程度的目的。主要措施有喷水和注水，水与岩石矿物中的一些离子发生作用，进而达到软化围岩，降低围岩强度的目的。对于软化系数较高的围岩，可以采用高压喷水或超前钻孔高压注水的方法，水 的劈裂作用使围岩产生新的裂缝或者扩展原有裂缝，进而达到降低围岩的强度和弹 性模量，增加泊松比，减少内部粘结力，削弱围岩储存弹性应变能的能力。改善围岩的应力状态，提前释
10、放围岩能量，通过应力调整使隧道表层围岩的应 力向深部转移。方法有对未开挖围岩超前钻孔减压法和对已开挖围岩表面切槽减压 法。对于岩爆烈度大、危险程度高的岩爆地段，可以停止施工等待岩爆自然释放后 再施工。维持围岩开挖前的三向应力状态。洞室开挖导致凌空面的存在，围岩从三向稳 定应力状态转变成二向破坏应力状态。从上文可知，正是这样的转变才导致岩爆的 发生。采取的方法是柔性支护，例如系统锚杆施工和喷射混凝土等。系统锚杆施工 可以迅速提高表层围岩的径向应力，提高围岩的自稳能力。喷射混凝土主要作用是 及时封闭围岩，防止围岩风化，同时提供以一定的支护力。5结语 能量方法是研究岩爆的有效手段之一，本文主要结论：
11、（1）坚硬的岩石易于吸收能量，岩爆发生时释放的能量也相对多。（2）不同应力状态下破坏强度也是不同的，积聚能量也不同。从开挖前的三向 应力稳定状态突变到开挖后的二向应力状态，在三向应力状态下稳定的能量储备也 随之释放。（3）不同的岩石在耗散能与释放的弹性应变能的比例上不相同。岩爆发生前耗 散能主要以摩擦消耗为主，越坚硬的岩石摩擦消耗能越少。因此，坚硬的岩石释放 的弹性应变能比重大，更易发生岩爆。（4）根据岩爆发生的能量机制，软化围岩、提前释放围岩的能量、维持围岩开 挖前的应力状态都是有效的防治岩爆事故的措施。参考文献 1李世平,吴振业,贺永年,李晓.岩石力学简明教程M.第一版.北京:煤炭工业出版
12、社,1996. 2谢和平，鞠杨,黎立云.基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则J.岩石力学与工程学报,2005,24(17):3003-3010.3谢和平，彭瑞东,鞠杨,周宏伟.岩石破坏的能量分析初探 J.岩石力学与工程 学 报,2005,24(15):2603-2608.4张秉鹤.扩苍山特长公路隧道相对浅埋隧洞岩爆机理及防治措施研究D.2007.5朱江棚.长大引水隧洞岩爆机理分析及防治研究D.2007.6 赵 忠 虎 , 谢 和 平 . 岩 石 变 形 破 坏 过 程 中 的 能 量 传 递 和 耗 散 研 究 J, 四 川 大 学 学 报 ( 工 程 科 学 版).2008,40(
13、2):26-31.7肖红飞,何学秋,冯涛.单轴压缩煤炭变形破裂和电磁辐射与应力耦合规律的研究J.岩石力学与工程 学报,2004,23(23):3948-3953.Discussion on Mechism of Rockburst and Prevatiom Based on Energy PrinciplesWANG Ming-li LI Jin-bo ZHANG HaoCivil Engineering Department,Hohai Universuty,210098,Nanjing,JiangsuAbstractIn the rock destruction process, the
14、 energy change rule can reflect that outside carries the substantive characteristics which under the function the rock strength change and the whole destroy. According to the first law of thermodynamics, the rock distortion destruction is the energy dissipation and energy releases comprehensive resu
15、lt. The hard rock absorbed energy is easy, and releases the elastic strain energy the proportion to be high. The project rockburst occurs much in the depth portion understructure work, belongs to three bearing conditions, three principal stress disparities are not big, the energy liberation becomes
16、more and more difficult, therefore under the high crustal stress condition the rock mass can deposit the massive energies of deformation. The hole room excavated surface rock mass transits suddenly from the original three-dimensional stress condition to the plane stress condition, the destruction cr
17、itical stress value reduces, rock burst along with it occurrence. Has the energy mechanism according to the rockburst, the prevention method includes: Before the softened adjacent formation, releases before a sentence expires the adjacent formation the energy, the maintenance adjacent formation to excavate the stress condition and so on.Keywords: rockburst; energy dissipation; energy release; stress condition transformation作者简介：汪明雳，男，1979 年生，硕士研究生，主要研究方向是岩爆机理与数值模拟研究。