不同应力梯度加载路径下类岩体岩爆试验研究

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岩爆是深部开采过程中高发的地质灾害。其发生时迸发的强大破坏力,常导致设备损伤甚至人员伤亡。由于工程地质环境的多样性和岩爆发生的复杂性,至今尚未完全了解岩爆机制。工程实践表明,地下开挖后,围岩应力集中对岩爆的发生有一定影响。因此,本试验基于开挖后围岩应力重新分布的规律,开展不同应力梯度加载路径的岩爆试验,建立应力梯度与岩爆破坏特性的关系,对深部开采的岩爆防治工作具有一定的指导意义。基于工程实例和前人试验研究基础,选取高强度石膏作为岩爆试验的类岩体材料,利用YB-A型气液复合岩爆模拟试验装置,开展3组不同应力梯度加载路径下的岩爆试验,分析不同应力梯度作用下岩爆的破坏过程、碎屑尺寸、破坏面形态、声发射能量特征、声波CT层析成像特征。着重研究岩爆岩体细观断裂特性,包括扫描电镜下的碎屑晶体形貌、碎屑晶体分形特征,并借助PFC2D模拟对试验进行验证与补充,进一步分析试件在不同应力梯度作用下的岩爆细观断裂过程。具体结论如下:(1)不同应力梯度加载对岩爆的碎屑分布有显著影响。随着试件所受应力梯度的增加,试件岩爆碎屑中的片状碎屑比例减少,块状碎屑比例增加,岩爆破坏模式由劈裂破坏为主转变到剪切破坏为主。(2)随着试件在相同围压下所受应力梯度的增高,试件在加载过程中的声发射能量会在岩爆前期累积的相对越多,导致试件岩爆时释放的能量越多,岩爆时碎屑被抛出的距离越远,岩爆烈度更强。(3)岩爆损伤的区域均靠近卸载面附近,具有一定程度的压密现象。试件内部的损伤会随着应力梯度的增大而增大。(4)岩爆碎屑的细观形貌特征在不同应力梯度加载条件下呈现差异。岩体所受应力梯度越大,碎屑细观呈现的晶体为短棒状的数量越多,晶体的密实程度越高。碎屑晶体轮廓具有分形特征,随着应力梯度的增加,碎屑晶体的分形维数越大。(5)数值模拟能再现试件的岩爆破坏过程,裂纹会首先出现在试件的卸载面附近;随着试件所受的应力梯度越大,试件在加载过程中的裂纹扩展和岩爆破坏范围越大。在岩爆破坏模式等方面,数值模拟结果与室内试验现象和特征基本相同,表明岩爆试验具有有效性和可靠性。
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