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技術(shù)應(yīng)用
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深部花崗巖巖爆過(guò)程實(shí)驗(yàn)研究
摘要: 利用自行設(shè)計(jì)的深部巖爆過(guò)程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)深部高應(yīng)力條件下的花崗巖巖爆過(guò)程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，模擬實(shí)際工程的開(kāi)挖條件，對(duì)加載至三向應(yīng)力狀態(tài)下的板狀花崗巖試件快速卸載一個(gè)方向的水平應(yīng)力，采集實(shí)驗(yàn)過(guò)程中三個(gè)方向應(yīng)力隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)，獲得了花崗巖巖爆全過(guò)程應(yīng)力曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將花崗巖巖爆全過(guò)程分為平靜期、小顆粒彈射、片狀及顆粒狀混合彈射、全面崩垮四個(gè)階段；將花崗巖巖爆的破壞形式分為局部片狀及顆粒彈射的張裂破壞、局部顆粒及片狀彈射的階梯狀劈裂折斷和片狀及顆粒彈射的整體劈裂破壞；分析了發(fā)生巖爆后花崗巖試件的微觀結(jié)構(gòu)破壞特征；根據(jù)卸載后發(fā)生巖爆的最大主應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值對(duì)巖爆強(qiáng)度進(jìn)行了分類；根據(jù)卸載后至發(fā)生巖爆現(xiàn)象的時(shí)間將巖爆分為滯后巖爆、標(biāo)準(zhǔn)巖爆和瞬時(shí)巖爆，并對(duì)花崗巖巖爆發(fā)生機(jī)制進(jìn)行了初步探討。
關(guān)鍵詞: 巖爆過(guò)程; 深部; 巖爆類型; 花崗巖
1 引 言
巖爆是巖體的一種動(dòng)力失穩(wěn)現(xiàn)象，具有突發(fā)性，經(jīng)常會(huì)造成災(zāi)難性破壞，是深部巖土工程中最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一。深部是指隨著開(kāi)挖深度增加，工程巖體開(kāi)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【1】。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(kāi)采深度的增加，深部開(kāi)采與淺部開(kāi)采所處的環(huán)境明顯不同：即高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和強(qiáng)烈的開(kāi)采擾動(dòng)，淺部表現(xiàn)為脆性的巖體在深部高應(yīng)力條件下轉(zhuǎn)變?yōu)檠有裕陂_(kāi)采卸載條件下又由延性向脆性轉(zhuǎn)化，易于產(chǎn)生巖爆[2]。
隨著礦山、水利水電、交通隧道等工程向深部的發(fā)展，巖爆作為一種深部災(zāi)害現(xiàn)象發(fā)生越來(lái)越頻繁，在采礦、水電、交通、核電等行業(yè)的巖石地下工程建設(shè)中經(jīng)常有巖爆發(fā)生的記錄。巖爆主要表現(xiàn)為大范圍的工程巖體突然破壞，破裂圍巖的動(dòng)力拋擲，并伴有不同程度的爆炸、撕裂聲，圍巖釋放大量能量，使幾米至幾百米的硐室瞬間破壞，嚴(yán)重的巖爆可將巨石猛烈拋出，造成人員傷亡和設(shè)備損失。對(duì)巖爆發(fā)生的可能性及其危險(xiǎn)程度的預(yù)測(cè)是地下工程和巖石工程建設(shè)過(guò)程中所必須解決的問(wèn)題。隨著地下資源開(kāi)采和地下空間開(kāi)發(fā)利用的不斷深入，巖爆問(wèn)題的研究也越來(lái)越受到人們的重視[3-4]。
目前很多專家、學(xué)者已經(jīng)從強(qiáng)度、剛度、能量、斷裂、損傷、擴(kuò)容、突變、分形、微重力、聲發(fā)射等方面對(duì)巖爆現(xiàn)象進(jìn)行了分析研究，提出了各種假設(shè)和判據(jù)，這些假設(shè)和判據(jù)往往通過(guò)單一因素或定性的預(yù)測(cè)巖爆，難以擺脫片面性和人為因素的影響。然而巖爆是非常復(fù)雜的動(dòng)力地質(zhì)現(xiàn)象，其發(fā)生與否以及強(qiáng)烈程度大小不僅僅取決于某一單一因素，而是多種因素共同作用的結(jié)果[5-6]。巖爆的機(jī)制到目前為止還不十分清楚，采用數(shù)學(xué)或力學(xué)的方法建立巖爆預(yù)測(cè)系統(tǒng)是非常困難的，這就給傳統(tǒng)的巖爆分析方法帶來(lái)了極大困難[7-8]。因此，建立一些能夠考慮多種影響因素、把人為影響減小到最低程度的更具客觀性和通用性、預(yù)測(cè)精度高的巖爆預(yù)測(cè)方法非常有必要[9]。馮夏庭等[10]最早利用專家系統(tǒng)對(duì)南非深部金礦巖爆預(yù)測(cè)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。秦乃兵[11]進(jìn)行了含硐室?guī)r體雙軸壓縮狀態(tài)下的巖爆模擬試驗(yàn)。楊瑩春等[12-13]采用可拓評(píng)判方法，根據(jù)影響巖爆的一些主要因素，應(yīng)用物元概念和關(guān)聯(lián)函數(shù)，建立了巖爆分級(jí)預(yù)報(bào)的物元模型。楊健等[14]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）。
近二十多年來(lái)，Rockbursts and Seismicity inMines國(guó)際會(huì)議一直致力于通過(guò)世界范圍的資料交流，研究巖爆、沖擊地壓等礦山動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)制、有效預(yù)測(cè)手段、合理防治措施及數(shù)值模擬方法等。在已取得的研究成果中，有許多理論分析或現(xiàn)場(chǎng)工程檢測(cè)與調(diào)查方面的。左宇軍等【15】提出了層裂屈曲巖爆的突變模型。邵鵬等【16】提出了巖爆發(fā)生的隨機(jī)共振模型。V.A. Mansurov【17】提出了用分析開(kāi)采引起的地層震動(dòng)數(shù)據(jù)的方法來(lái)進(jìn)行預(yù)測(cè)巖爆。而在實(shí)驗(yàn)研究方面進(jìn)展緩慢，過(guò)去有很多關(guān)于單軸壓縮巖爆室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，也有關(guān)于單軸動(dòng)靜載荷組合巖爆實(shí)驗(yàn)及真三軸加載巖爆實(shí)驗(yàn)和常規(guī)三軸卸載巖爆實(shí)驗(yàn)的報(bào)道。S.H. Cho, Y. Ogata, K. Kaneko. 【18】及 Te J.- A Wang , H.D. Park.【19】提出了用單軸循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果預(yù)測(cè)巖爆的發(fā)生可能性。M. N. Bagde, V.Petor?a.【20】則是用單軸動(dòng)循環(huán)加卸載實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)評(píng)價(jià)有巖爆傾向性的巖石在開(kāi)采過(guò)程中的穩(wěn)定性問(wèn)題。谷明成【21】和徐林生【22】則分別用常規(guī)三軸加卸載試驗(yàn)的方法進(jìn)行了巖石的室內(nèi)巖爆實(shí)驗(yàn)研究工作，指出了在不同的應(yīng)力狀態(tài)下的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(guò)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(guò)程的研究方面，一直沒(méi)有取得突破性的進(jìn)展。作者認(rèn)為，通過(guò)對(duì)深部巖體工程開(kāi)挖過(guò)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(kāi)挖條件的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)巖石試件的形式和尺寸，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(guó)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(kāi)采過(guò)程中，也需要在花崗巖巖體中進(jìn)行開(kāi)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，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 巖爆概念及巖爆發(fā)生機(jī)制分析
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(guò)程中往往伴隨著開(kāi)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(kāi)采空間拋出，拋出的巖體質(zhì)量從數(shù)噸到數(shù)千噸不等【23】。徐林生等【24】指出：巖爆是高地應(yīng)力條件下隧道開(kāi)挖后來(lái)不及作初期支護(hù)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(kāi)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(kāi)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(lái)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(lái)，對(duì)于脆硬巖體易產(chǎn)生巖爆災(zāi)害。作者認(rèn)為(何滿潮，2004)，巖爆是能量巖體沿著開(kāi)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、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。何滿潮【25-26】認(rèn)為巖爆是復(fù)合能量綜合作用的結(jié)果，將巖爆的發(fā)生歸結(jié)為三條定律：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。能量積聚定律是指能量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(kāi)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及地形和構(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(kāi)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(kāi)挖引起的擾動(dòng)而使巖體中的應(yīng)力集中過(guò)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(guò)程。
深部工程巖體的受力狀態(tài)十分復(fù)雜，未開(kāi)挖的地下巖體為三向應(yīng)力狀態(tài)，隨著洞室及巷道的開(kāi)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(kāi)挖而成為單向壓縮或雙向壓縮狀態(tài)過(guò)程時(shí)，可能發(fā)生巖爆，見(jiàn)圖1巖爆應(yīng)力狀態(tài)示意圖。
巖爆發(fā)生過(guò)程【27】可分為(a)垂直板裂化，(b)垂直板屈曲變形及(c)板變形增大破壞形成巖爆，見(jiàn)圖2巖爆過(guò)程。
3 深部巖爆模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)
深部巖爆過(guò)程模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目首席科學(xué)家何滿潮教授設(shè)計(jì)構(gòu)思，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)等單位開(kāi)發(fā)研制的。該系統(tǒng)中的可突然卸載的裝置、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(kāi)挖過(guò)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(guò)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)采集系統(tǒng)三大部分組成，如圖3所示。
主機(jī)最大加載能力：最大壓力450kN，荷載精度：<0.5% F.S；加載系統(tǒng)三向獨(dú)立，通過(guò)三向剛性壓頭實(shí)現(xiàn)對(duì)試件均勻加載，單方向可快速卸載使傳力桿及加載壓頭快速掉落，暴露該方向的試件表面，見(jiàn)圖4傳力桿及壓頭掉落示意圖。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)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)USB8516，最高采樣率100k)、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(guò)程中，對(duì)加載過(guò)程采用靜態(tài)采集，采樣率1次/10s，卸載時(shí)采用高速采集，設(shè)定采樣率10kps(每秒1萬(wàn)次)，這樣可以采集巖爆過(guò)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檢測(cè)系統(tǒng)，見(jiàn)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、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150kHz。
4 巖爆實(shí)驗(yàn)方法
花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)采用板狀結(jié)構(gòu)試件，巖爆過(guò)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)，在試件的兩個(gè)側(cè)表面沿縱橫方向各貼兩片應(yīng)變片，并分別放置一個(gè)聲發(fā)射接收探頭，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中監(jiān)測(cè)聲發(fā)射信息，放置在實(shí)驗(yàn)機(jī)上的試件參見(jiàn)圖6。
巖爆實(shí)驗(yàn)分為加載巖爆實(shí)驗(yàn)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值，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)定半小時(shí)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(guò)程，沒(méi)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 花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)
進(jìn)行了花崗巖的單軸壓縮、加載巖爆實(shí)驗(yàn)、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(guò)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，進(jìn)行了花崗巖的三軸壓縮實(shí)驗(yàn)。
5.1 巖爆破壞與單軸、三軸壓縮破壞的區(qū)別
巖爆是巖體破壞的形式之一，巖體破壞并不一定都是巖爆。巖爆是在特定條件下(能量巖體，開(kāi)挖卸載)的巖體破壞，破壞的特點(diǎn)表現(xiàn)為突然性、猛烈性、具有顆粒與片狀的彈射特征，現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的巖爆具有瞬時(shí)性及與開(kāi)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。卸載后能否發(fā)生巖爆與應(yīng)力條件、巖性結(jié)構(gòu)、工程擾動(dòng)相關(guān)；而破壞是在壓應(yīng)力或拉應(yīng)力達(dá)到巖石的強(qiáng)度后發(fā)生的。
(2) 巖爆是能量巖體開(kāi)挖后沿臨空面瞬間釋放能量而破壞的過(guò)程，與巖石的單軸或三軸壓縮破壞時(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(méi)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，參見(jiàn)圖7。
5.2 卸載巖爆過(guò)程
卸載巖爆過(guò)程是在三向應(yīng)力作用下，快速卸載一個(gè)水平方向的應(yīng)力，暴露試件表面來(lái)模擬地下三向應(yīng)力狀態(tài)下積聚能量的巖體在巷道開(kāi)挖后卸載產(chǎn)生臨空面后發(fā)生巖爆的過(guò)程。當(dāng)開(kāi)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(kāi)挖卸載后不同時(shí)間發(fā)生巖爆的現(xiàn)象。依據(jù)開(kāi)挖卸載到發(fā)生巖爆的時(shí)間不同，有以下三種情況：①開(kāi)挖后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間發(fā)生巖爆，巖爆的發(fā)生具有滯后特征；②開(kāi)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 加載巖爆過(guò)程
加載巖爆是指在三向應(yīng)力作用下，迅速卸載一個(gè)方向的水平應(yīng)力，暴露該側(cè)試件表面，再增加垂直方向最大主應(yīng)力來(lái)模擬深部巖體開(kāi)挖后切向應(yīng)力集中，巖體產(chǎn)生巖爆的過(guò)程。
依據(jù)加載后發(fā)生巖爆的時(shí)間，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 花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果
進(jìn)行了花崗巖單軸壓縮、三軸壓縮、加載巖爆實(shí)驗(yàn)及卸載巖爆實(shí)驗(yàn)。采用的花崗巖單位容重為27kN/m3。
為了取得花崗巖試件的基本力學(xué)參數(shù)，利用全自動(dòng)液壓控制材料試驗(yàn)機(jī)對(duì)18#長(zhǎng)方柱試件進(jìn)行了單軸壓縮實(shí)驗(yàn)，加載速率0.25 MPa/s,每級(jí)應(yīng)力差為10MPa，每級(jí)荷載間隔2分鐘，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集壓力與變形數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
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為10MPa，中間主應(yīng)力為20MPa時(shí)，最大主應(yīng)力達(dá)到237MPa時(shí)破壞，破壞形式為單面剪切，見(jiàn)表2。
進(jìn)行了3件加載巖爆實(shí)驗(yàn)，加載巖爆破壞時(shí)的最大主應(yīng)力值較高，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(jiàn)表3。
進(jìn)行了10件卸載巖爆實(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，參見(jiàn)5.7花崗巖巖爆破壞進(jìn)程及巖爆類型。卸載巖爆實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果列于表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(jiàn)圖8~13，瞬時(shí)巖爆有2#樣、19#樣為一次卸載、16#樣為兩次卸載和13#樣為多次卸載；5#樣為兩次卸載標(biāo)準(zhǔn)巖爆；17#樣為一次卸載滯后巖爆。
5.5 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及分析
從花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，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(guò)剛性傳壓板對(duì)試件進(jìn)行均勻加載時(shí)，試件表面有相同的變形，這會(huì)在試件內(nèi)部產(chǎn)生不均勻的應(yīng)力分布。微裂紋的產(chǎn)生會(huì)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(guò)程，該過(guò)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(zhǎng)短與卸載前的應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)；穩(wěn)態(tài)開(kāi)裂所需能量大于動(dòng)態(tài)開(kāi)裂所需的能量。
(2) 實(shí)驗(yàn)加載初期聽(tīng)不到試件發(fā)出聲響。卸載至發(fā)生巖爆前試件發(fā)出較大清脆聲音，表明卸載后試件在一面臨空的情況下內(nèi)部裂紋開(kāi)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，最后突然巖爆。巖片、塊或顆粒攜帶一定的能量飛出。
(3) 花崗巖在三向應(yīng)力狀態(tài)下，快速卸載水平一向的應(yīng)力后，從卸載至發(fā)生巖爆時(shí)間為卸載后立即發(fā)生巖爆及卸載后20分鐘才發(fā)生巖爆，表現(xiàn)為明顯的瞬時(shí)性、滯后性及介于兩者之間狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)性。從實(shí)驗(yàn)發(fā)生的現(xiàn)象看，巖爆過(guò)程可分為平靜期、小顆粒彈射、片狀剝離伴隨著顆粒混合彈射及最后的全面崩垮四個(gè)階段，該過(guò)程歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)短不等，最快為0.1s，最慢的為105s。從應(yīng)力路徑可以看出，2#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#樣、16#樣、13#樣卸載后也都很快發(fā)生巖爆破壞，分別在一次卸載后24s、兩次循環(huán)卸載后10s及多次循環(huán)卸載(6次)后15s時(shí)間時(shí)發(fā)生了巖爆。
5#樣在兩次循環(huán)卸載后33s發(fā)生了巖爆，其進(jìn)程可明顯地分為開(kāi)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最后的全面崩垮；17#樣在單次卸載后20分鐘時(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25×104MPa/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(σ1-σ2)/σc應(yīng)力比值由大到小，可將花崗巖卸載巖爆破壞的型式分為(a)階梯狀張拉折斷破壞(局部塊狀彈射)、(b)張裂破壞(局部顆粒與塊狀彈射)、(c)整體顆粒及片狀彈射張裂破壞三種類型，見(jiàn)圖14及表5。局部階梯狀的塊狀彈射巖爆破壞方式，與巖爆現(xiàn)場(chǎng)的階梯狀陡坎形態(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；局部顆粒塊狀彈射對(duì)應(yīng)著中等程度的巖爆；整體破壞是應(yīng)力的作用較均勻，使整個(gè)試件的各個(gè)部分都不同程度的發(fā)生了破壞，且破壞的進(jìn)程較前兩種緩慢，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 巖爆后微觀結(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(zhǎng)石晶體呈緊密線接觸，從破裂面上可見(jiàn)石英及長(zhǎng)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。見(jiàn)圖15破壞后5#花崗巖碎片電鏡掃描不同放大倍數(shù)下的(a)至(e)圖片。(a)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。(b)為局部放大534倍后的石英與長(zhǎng)石晶體緊密線接觸情況，并可見(jiàn)石英與長(zhǎng)石斷裂的階梯形端口，晶體表面有小碎屑分布。(c)為局部放大2710倍時(shí)石英表面的斷口及長(zhǎng)石晶體的參差不齊破壞狀態(tài)。(d)為放大5140倍之后更清晰的長(zhǎng)石晶體斷裂形態(tài)。(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 花崗巖巖爆破壞進(jìn)程及巖爆類型
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四個(gè)階段。雖然從卸載到開(kāi)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)生巖爆試件的σ1/σc值與其巖爆類型有一定的相關(guān)性。在所實(shí)驗(yàn)的花崗巖試件中，該比值σ1/σc≥0.73時(shí)發(fā)生了不同類型的巖爆：滯后巖爆、標(biāo)準(zhǔn)巖爆或瞬時(shí)巖爆。表6列出了按σ1/σc進(jìn)行的花崗巖巖爆分類。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)力或其它因素的影響下)。在淺部應(yīng)力較低的條件下，不發(fā)生巖爆；到達(dá)一定深度后，開(kāi)挖引起的切向應(yīng)力與巖石長(zhǎng)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)最大主應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度σ1/σc=0.8~0.9時(shí)，發(fā)生中等強(qiáng)度巖爆；當(dāng)最大主應(yīng)力與單軸抗壓強(qiáng)度之比大于0.9時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆。
目前千米深度范圍內(nèi)巷道等地下工程開(kāi)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(jiàn)表7。
(1) 瞬時(shí)巖爆是指發(fā)生巖爆進(jìn)程快，在巷道開(kāi)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16是2#樣卸載瞬間就發(fā)生了巖爆的情況。卸載時(shí)垂直最大主應(yīng)力高于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度，最大主應(yīng)力差σ1-σ3=σ1，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(kāi)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)分為四個(gè)階段:①卸載后的平靜期，②清脆聲響及小顆粒彈射，③片狀及顆粒狀混合彈射，④最后的全面崩垮破壞。圖17是5#樣巖爆過(guò)程的四個(gè)階段，卸載后33s開(kāi)始巖爆，巖爆過(guò)程時(shí)間105s，該試樣卸載時(shí)的σ1/σc=0.79，巖爆過(guò)程發(fā)展較慢。0～33s為第一階段卸載后的平靜期，聽(tīng)不到聲音，試件表面完好。33s～85s為第二階段的小顆粒及小塊狀彈射，發(fā)生在試件的局部部位。85～135s為第三階段的片狀及顆粒狀混合彈射，可以看到彈射的顆粒攜帶較大的能量。135～138s為第四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(jiàn)圖18。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.
（1）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(zhǎng)。發(fā)生滯后巖爆有兩種情況，一是巖體在一定載荷作用下，隨著時(shí)間的增加，受長(zhǎng)期強(qiáng)度控制下具備巖爆發(fā)生條件時(shí)，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(guò)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(zhǎng)時(shí)間才發(fā)生巖爆，即滯后巖爆。大量蠕變實(shí)驗(yàn)表明【28】，巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度低于單軸抗壓強(qiáng)度，并且隨著時(shí)間的增加，長(zhǎng)期強(qiáng)度降低。圖19是17#樣滯后巖爆的卸載后破壞前及巖爆后特征，卸載后在開(kāi)始5分鐘內(nèi)可以聽(tīng)到試件的聲音，表明裂紋開(kāi)裂，巖石損傷加劇。5～20分鐘為平靜期，但試件內(nèi)的應(yīng)力在調(diào)整過(guò)程中，形成局部最后的劣化破壞區(qū)，20分鐘時(shí)突然巖爆，顆粒及小碎塊彈射。
6 結(jié)論
(1) 巖爆是能量巖體沿臨空面突然釋放能量的非線性動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象。室內(nèi)巖爆實(shí)驗(yàn)應(yīng)該在三向應(yīng)力作用下，先使試件積聚一定的能量，然后快速卸載水平一面的應(yīng)力，產(chǎn)生臨空面，再現(xiàn)實(shí)際工程條件下產(chǎn)生的巖爆現(xiàn)象。
(2) 通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室條件下巖爆過(guò)程的再現(xiàn)，可以對(duì)巖爆發(fā)生的機(jī)制進(jìn)行研究，分析影響巖爆的因素，為進(jìn)一步進(jìn)行巖爆的預(yù)測(cè)與防治提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
(3) 對(duì)某一試件，卸載后是否發(fā)生巖爆及何時(shí)發(fā)生巖爆與卸載前的應(yīng)力狀態(tài)及卸載后其應(yīng)力降速率有關(guān)。高應(yīng)力狀態(tài)及高應(yīng)力降速率的情況下易發(fā)生瞬時(shí)巖爆。
(4) 通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以根據(jù)試件發(fā)生巖爆的最大主應(yīng)力與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值對(duì)巖爆強(qiáng)度進(jìn)行分類，將巖爆分為不發(fā)生巖爆、較弱巖爆、中等巖爆及強(qiáng)烈?guī)r爆。
(5) 根據(jù)卸載至發(fā)生巖爆的時(shí)間可以將巖爆分為滯后巖爆、標(biāo)準(zhǔn)巖爆和瞬時(shí)巖爆。滯后巖爆是在最大主應(yīng)力相當(dāng)于巖體的長(zhǎng)期強(qiáng)度作用時(shí)或由于應(yīng)力集中作用而使巖體發(fā)生的巖爆破壞，一般對(duì)應(yīng)著淺部低地應(yīng)力狀態(tài)；標(biāo)準(zhǔn)巖爆是最大主應(yīng)力高于巖石的長(zhǎng)期強(qiáng)度而小于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的，隨著工程巖體深度的增加，發(fā)生標(biāo)準(zhǔn)巖爆情況增多；瞬時(shí)巖爆是最大主應(yīng)力接近或高于巖石的單軸抗壓強(qiáng)度時(shí)發(fā)生的瞬時(shí)巖爆破壞現(xiàn)象，對(duì)應(yīng)著工程進(jìn)入一定深度后，在硬脆巖體中開(kāi)挖將立即產(chǎn)生巖爆。
(6) 從花崗巖發(fā)生巖爆后的破壞形式來(lái)看，可以分為局部片狀及顆粒彈射的張裂破壞、局部顆粒及片狀彈射的階梯狀劈裂折斷和片狀及顆粒彈射的整體劈裂破壞。
(7) 在花崗巖巖爆實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)一些試件進(jìn)行了聲發(fā)射監(jiān)測(cè)：每級(jí)加載都對(duì)應(yīng)著聲發(fā)射事件的增加；破壞前有明顯的聲發(fā)射事件增加現(xiàn)象，且幅值增加；破壞時(shí)有較大的能量釋放率。有必要對(duì)聲發(fā)射與巖爆過(guò)程的能量釋放對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究。
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