岩爆是一种复杂的岩石力学行为,受多种因素共同影响,通常可以归纳影响岩爆发生的因素为两类,即内因和外因。内因主要是针对岩石本身性质及所处的围岩环境,例如有高地应力、围岩岩性及岩体结构、地质构造等,外因主要针对岩石自身受自然界或人力等外来因素,例如有岩石所处的水文地质条件、人工开挖施工因素、外界传来的应力波等。研究结果表明岩爆实质上是一种储存在岩体内部的弹性应变能得以突然释放的过程,因此影响岩爆发生的主要因素其实也就是影响岩体成为岩爆高储能体的因素。髙储能的岩体更有可能发生岩爆,而成为髙储能岩体的必备条件包括两个方面,即岩体有足够的能力储存较大的弹性应变能和岩体内部产生高度的应力集中。工程实例往往能够表明岩爆发生倾向性,发现岩爆灾害现象更易发生在岩体内部储能较多且应力集中程度很高的地方。基于前人的研究和不足之处,并结合现有实验条件,本文选取了影响岩爆的众多因素中较为重要的三个因素,即卸载速率、岩石尺寸和岩石组合形式,利用深部岩爆模拟实验系统,开展了这三个方面的系列平行实验研究。深部岩爆模拟实验系统包括实验主机,液压加载系统、动态高速压力监测系统,声发射(AE)监测系统以及高速摄影系统。该实验系统能够实现三向六面独立加载,某一水平方向单面突然卸载,能够模拟地下岩体开挖过程由三向六面受力的平衡态到开挖引起单面卸荷、五面受力的应力转化过程。依据岩石岩爆发生机理,相对应的提出了模拟三种岩爆类型的对应加载方式,即“加载-卸载-轴向保持”来模拟瞬时岩爆,“加载-卸载-轴向加载应力集中”来模拟滞后岩爆和“加载-单面逐级卸载、轴向逐级加载-轴向加载应力集中”来模拟岩柱岩爆。基于实验系统特点和已有的研究成果,进行了不同卸载速率、不同岩石尺寸和不同岩石组合形式的室内岩爆实验:(1)使用取自同一地点的均质性较好的花岗岩样品,依据现场不同的开挖方式,相对应设计突然卸载、0.1MPa/s、0.05MPa/s及0.025MPa/s四种不同速率对最小主应力方向进行卸载,实验结果表明随着卸载速率的降低,岩爆临界轴向最大主应力随之降低,与单轴抗压强度的比值区间为1.25~1.77。岩爆破坏宏观过程也有很大差异,卸载速率越大,碎屑弹射等动力学现象越明显且最后岩石表面留下的爆坑深度大,体积也大。卸载速率降低,岩石碎屑大多片状弯折剥落,相应爆坑深度小,体积也小。观察花岗岩试件岩爆破裂面碎屑电镜扫描SEM图像照片,发现卸载速率越大,试件破裂面微观张性特性越明显。对岩爆实验产生的碎屑进行筛分实验,并对部分碎屑进行尺度量测,发现卸载速率越大,碎屑块数总量越多,且微粒,细粒和中粒所占比例也越大,证明了快速开挖卸载将产生更加剧烈的颗粒弹射等动力学破坏现象。岩爆发生时,碎屑多是片状,薄片状,随着卸载速率增大,长厚比小的柱状,块状碎屑所占的比例也增大。声发射能量是表征岩石损伤的重要参数,经统计发现卸载速率越大,声发射累计释放能量值越大。采集岩爆实验过程声发射信号,绘制时间-累计声发射能量图,结合应力加载曲线可以确定实验演化过程的关键点,发现90%以上的能量在最后的岩爆时刻释放。声发射波形分析能够更深入地认识和分析破裂源特征,对声发射原始文件进行短时傅里叶变换能够得到3d频谱图,随着实验的进行,关键点处3d频谱图波形由低幅值的、持续时间短的单波向高幅值的、持续时间布满2ms的多波转化,预示着能量释放量的不断增大。处理全实验过程声发射波形,进行快速傅里叶变换得到对应幅度最大的频率值,定义为主频,绘制全时域主频分布图,发现四例实验卸载速率由高到低分别对应的主频带分布于60~100khz,60~100khz,100~125khz和140~150khz,即随着卸载速率的降低,声发射波形信号数据点骤减,且主频带有上移的趋势。统计各频段范围内主频值数量,发现卸载速率越大,高频成分越多,张性破坏越明显。引入反映波形数和波形幅值之间关系的gutenberg-richter公式中的b值参量,统计岩爆过程中的损伤演化特征,计算关键点处主频对应幅度的b值分布,发现初始加载时由于岩石内部微裂纹不断形成而b值缓慢增加。随着载荷进一步加大,b值快速下降,预示岩石内部微裂纹贯穿,宏观裂隙不断形成,大幅值的波形不断产生。岩爆阶段,b值降到最低值,大量的高幅值声发射事件快速产生,岩石进入失稳破坏阶段。卸载速率越大,最终岩爆时刻对应b值越小,说明大幅值波形信号越多,震级能量越大。(2)使用取自同一地点的均质性较好的花岗岩样品,采用同样的应力加载方式,通过设计150mm、120mm、90mm和60mm四种岩石试件高度,来研究岩爆实验中的尺寸效应问题。结果表明随着试件高度的降低,岩石峰值强度有增大的趋势,与单轴抗压强度的比值区间为0.93~1.15。岩石试件高度影响其岩爆模拟实验中最终破坏模式。随着试件高度的降低,破坏模式经历了由以劈裂张拉为主向剪切为主的转变,试件高度最大为150mm时,主裂纹近乎与轴向平行,随着试件高度的降低,主裂纹与轴向夹角逐渐增大,当岩石高度降低至60mm时,试件最终被斜向约45o主裂纹断裂成两半。依据碎屑粒径范围分类可以看出,四种高度岩石岩爆实验产生的岩石碎屑在粗粒粒组中所占比重很大,且随着岩石试件高度的增大,粗粒碎屑质量百分比也越大。对于中粒及细粒粒组,随着岩石试件高度的增大,相应质量百分比呈明显下降趋势,而在微粒粒组其分布趋势随岩石高度变化较小。证明岩石试件高度低时,弹射出的中细颗粒碎屑较多,动力破坏现象更加明显,与岩爆破坏特征相一致。计算每种高度下花岗岩岩石岩爆产生的碎屑长厚比平均值,发现随着岩石试件高度的降低,碎屑长厚比有下降的趋势,说明片状特征在减弱,而块体形状特征在增强,预示着动力特征加剧。观察四种不同岩石高度下岩爆实验产生的碎屑微观电镜扫描sem图像照片,可以发现岩石岩爆发生后产生的裂纹既有沿晶裂隙又有穿晶裂隙。采集岩爆实验过程声发射信号,绘制时间-累计声发射能量图,结合应力加载曲线可以确定实验演化过程的关键点,发现60%~80%以上的能量在最后的岩爆时刻释放。随着实验进行关键点处3d频谱图波形由低幅值的、持续时间短的单波向高幅值的、持续时间布满2ms的多波转化,预示着能量释放量的增大。四例不同高度岩石岩爆主频带分布情况差异很大,随着岩石试件高度的降低,声发射波形信号频带演化变化范围大,高频,中高频信号减少且越来越发散。统计各频段范围内主频值数量,试件高度越大频率越复杂,中高频、高频信号明显增多,张性破裂增强。同样地统计岩爆过程中的损伤演化特征,计算关键点处主频对应幅度的b值分布,发现b值在初始加载时由于岩石内部微裂纹不断形成而缓慢增加。随着载荷进一步加大,b值快速下降,预示岩石内部微裂纹贯穿,宏观裂隙不断形成,大幅值的波形不断产生。岩爆阶段,b值降到最低值,大量的高幅值声发射事件快速产生,岩石进入失稳破坏阶段。岩石试件高度越小,最终岩爆时刻对应b值越小,说明大幅值波形信号越多,震级能量越大。(3)使用取自同一地点的均质性较好的花岗岩、片麻岩,通过设计完整花岗岩、完整片麻岩及组合花岗-片麻岩三类岩爆实验来研究岩石组合形式对岩爆实验的影响。发现完整花岗岩能够储存更多的弹性应变能,具有最高的临界破坏应力值,是其单轴抗压强度的2.08倍。完整片麻岩相对破坏应力值降低,是其单轴抗压强度的1.65倍。组合花岗-片麻岩试件破坏应力值与片麻岩较为接近,是花岗岩单轴抗压强度的1.10倍,是片麻岩单轴抗压强度的1.63倍。完整的岩石能够积聚更多的弹性应变能,而组合岩石积聚能量的能力较少,组合层面的存在降低了岩石试件的储存能量的能力。完整花岗岩产生猛烈的岩爆破坏现象,裂纹扩展和块体碎屑弹射现象明显,完整片麻岩破坏则较为缓和,有少量碎屑弹射,但更多的是薄片状碎屑剥离脱落,组合花岗-片麻岩破坏过程中没有明显的碎屑弹射这种动态破坏现象出现,以劈裂和片状碎屑缓慢掉落为主。不同岩石组合下岩爆实验产生的碎屑主要以粗粒和中粒为主,在粗粒粒组中所占比重是接近的,标准花岗岩gr的碎屑在微粒、细粒和中粒粒组中所占比重都是最大的,这预示着岩石产生的碎屑增多,破碎更为剧烈,动力破坏特征更加明显。计算不同岩石组合形式下岩爆产生的碎屑长厚比平均值,发现完整花岗岩具有最小的平均长厚比,完整片麻岩和组合岩石则具有相对高的平均长厚比,预示着完整花岗岩岩石试件片状特征减弱,块体形状特征增强,动力特征加剧。观察岩爆实验产生的碎屑微观电镜扫描SEM图像结果,可以发现岩石岩爆发生后产生的裂纹既有沿晶裂隙又有穿晶裂隙。采集岩爆实验过程声发射信号,绘制时间-累计声发射能量图,结合应力加载曲线可以确定实验演化过程的关键点,发现完整花岗岩岩爆实验释放的声发射累计能量值最高,是其他两例实验累计释放量的10倍以上。随着实验进行关键点处3D频谱图波形由低幅值的、持续时间短的单波向高幅值的、持续时间布满2ms的多波转化,预示着能量释放量的增大。提取主频值发现标准花岗岩主频主要集中于中高频成分,而标准片麻岩则有较多的高频成分,组合花岗-片麻岩主频带介于二者之间。同样统计岩爆过程中的损伤演化特征,计算关键点处主频对应幅度的b值分布,发现b值在初始加载时由于岩石内部微裂纹不断形成而缓慢增加。随着载荷进一步加大,b值快速下降,预示岩石内部微裂纹贯穿,宏观裂隙不断形成,大幅值的波形不断产生。岩爆阶段,b值降到最低值,大量的高幅值声发射事件快速产生,岩石进入失稳破坏阶段。岩爆时刻标准花岗岩试件具有最小的b值,说明大幅值波形信号最多,震级能量越大。