不同孔隙结构岩石岩爆倾向机理与破裂特征研究

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岩爆是深地工程开挖导致岩石从母体上弹射出来的动力灾害,本质是岩石内部储存能量的瞬时剧烈释放过程。诱发岩爆灾害的影响因素主要集中在外部应力环境和岩石自身结构两个方面,深部高应力环境为能量存储提供了外部条件,而能量存储释放过程与岩石自身结构紧密相关。岩石自身结构又可归结为岩石的孔隙、晶粒及矿物组成成分,其中岩石孔隙对能量存储与释放最为敏感,是岩爆灾害发生的重要内因。本文围绕岩石孔隙这一因素对岩爆灾害发生的影响,开展了不同孔隙结构岩石岩爆倾向机理与破裂特征研究。以三座不同矿山埋深相同的灰岩、花岗岩和红砂岩试样为研究对象,开展了孔隙结构表征试验和岩石力学性能测试试验。对比三种不同孔隙岩石密度、波速和孔隙率的差异,分析了不同孔隙岩石的致密性。基于多重判据对不同孔隙岩石岩爆倾向性进行综合判别,得到了岩爆倾向性强弱等级。结合三种不同孔隙岩石加卸载过程中能量演化规律及声发射参数特征,从能量角度揭示了不同孔隙岩石的岩爆倾向机理。结合岩石试样宏观断裂模式和断口细观形貌特征,并根据加载破坏过程声发射RA-AF值分布特征识别三种岩石的破裂模式,探究了不同孔隙岩石的宏-微观破裂特征。主要研究成果如下:(1)灰岩试样与花岗岩试样孔隙率差别不大,远小于红砂岩试样,且密度、比重、纵波波速、单轴抗压强度大小关系体现为灰岩试样最大,花岗岩试样次之,红砂岩最小,其中灰岩试样最为致密。岩石孔隙越小或越致密,各特征强度与峰值强度比值越小。(2)基于多重判据综合判别不同孔隙结构岩石的岩爆倾向性,结果表明灰岩试样具有强岩爆倾向性,花岗岩试样具有弱岩爆倾向性,红砂岩试样无岩爆倾向性。岩爆倾向性与波速、密度、抗压强度等呈正相关关系,与孔隙率基本呈负相关关系。综合分析可知岩石孔隙结构(孔隙及致密性)是引起岩爆的关键诱因。(3)不同孔隙岩石在各应力卸载水平下总能量、弹性能和耗散能的能量密度均呈现非线性演化特征。弹性能与总能量呈线性函数关系,斜率越大储能特性越强。弹性能占总能量比例呈现先减小后增大的趋势,耗散能则相反。致密性和硬脆性越强的岩石储能特性越好,岩爆倾向性越强。灰岩试样声发射振铃计数及能量演化远多于红砂岩试样,累计振铃计数与累积能量平静期最短。(4)灰岩试样以张拉-剪切共同作用破坏为主,花岗岩试样与灰岩相仿,红砂岩试样以张拉破坏为主,单轴压缩下岩石岩爆倾向性越强剪切破坏作用越明显。基于RA-AF值识别的破裂模式与宏细观破裂特征具有一致性,且单轴压缩下RA-AF值分布特征与岩石应力阶段有极大的关联性。
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