深部硬岩开挖系统中岩爆灾害发生机理和动力学解释

"Rockburst"is a geological disaster with great danger happened in hard rock engineerings with high in-situ stress. With the increasing depth of China's deep hard rock mining, tunnel and other underground engineerings, the strength and frequency of rockburst is increasing seriously. Rockburst problem has now become one of the key scientific and technical problems that China rock academics must strive to slove. In fact, the rockburst in deep hard rock engineerings is a special kind of rock mass failure phenomenon under coupled dynamic-static double action,e.g.high in-situ stress plus external disturbance, accompanied with internal strain energy release. Existing rockburst criteria are limited to the principles of static mechanics and the specific influencing factors for dynamic disturbance are not included completely. Based on the excavation characteristics of deep hard rock engineerings and rockburst features, the project will study mechanism of rockburst under coupled dynamic-static loadings. With large-size rock true triaxial electro-hydraulic servo disturbance test system and multi-functional rock dynamic-static loading experimental device, the different release ways of original elastic energy in rock mass and rock burst test in high-stress hard-rock system will be carried out. On this basis, the release mechanism of elastic energy in high stress mass and the criterion of rockburst with the dynamic-static mechanical indexes will be presented, which can provide some theoretical guidances for the control of rockburst disaster and the safe efficient excavation of deep hard rock engineerings.

"岩爆"是高地应力区地下硬岩工程中一种危害性很大的工程地质灾害。随着我国深部硬岩矿山、隧道等地下工程越来越趋向深部，岩爆灾害的发生也越来越严重。岩爆问题的研究目前已经成为我国岩石力学界必须致力解决的关键科学问题和技术难题之一。岩爆实际上是完整性较好的弹脆性岩体在"高地应力+外力扰动"动静组合双重作用下伴随着内部应变能释放的一种特殊岩体破坏现象。现有的岩爆发生判据主要偏重于利用静力学的原理对此进行解释，没有考虑外力扰动的具体影响因素及其表达形式。本项目根据深部硬岩工程开挖系统中所具有的特点和岩爆发生特征，深入研究动静组合作用下岩爆的发生机理，并利用自行研制的大尺寸岩石真三轴电液伺服扰动试验系统及多功能岩石动静组合加载实验机，实现高应力硬岩系统原始储能的激发释放和岩爆试验，在此基础上提出基于动-静力学指标的硬岩储能释放机制和岩爆判据，为深部硬岩工程的岩爆灾害控制和安全高效开挖提供理论指导。

随着深部硬岩矿山、隧道等地下工程越来越趋向深部延伸，岩爆这种危害性很大的工程地质灾害问题越来越突出。岩爆问题的研究已经成为我国岩石力学界必须致力解决的关键科学问题和技术难题之一。现有的岩爆发生判剧及机理研究主要偏重于静力学解释，没有考虑外力扰动的具体影响因素及其表达形式。基于对深部弹脆性岩体在“高地应力+外力扰动”这一动静组合双重作用下的认识，本项目根据深部硬岩工程开挖系统中所具有的特点和岩爆发生特征，对动静组合作用下岩爆发生的动力学机理进行了深入研究， 主要研究工作及结果如下：（1）研究了高应力硬岩在开挖扰动下的能量耗散与释放规律，结果表明开挖卸载后的能量演化是一个动态调整的过程，巷道附近围岩的应变能积累较动能释放有约2.5 ms 的滞后，岩体的总耗散能主要用于岩体颗粒间裂纹的萌生、扩展及贯通作用。进一步研究了卸荷速率、初始应力释放路径等因素对围岩位移变化、裂纹分布和动能变化的影响规律，结果为深部硬岩开挖中控制围岩的稳定性有理论指导意义，通过选择合理的开挖方式和开挖卸荷速率，可以控制围岩的损伤范围和损伤程度。（2）研究了一维和三维高应力储能岩体快速卸载下的动力响应特征，提出了“等效应力释放率”和“等效应变能密度率”的岩体卸荷特征的统一表征指标，研究结果对利用高应力能量进行岩体的诱导碎裂有重要的指导意义。同时，结果表明通过减少开挖中的等效应变能密度率，采用合适的开挖方法可以有效的保护围岩的稳定性。（3）开展了动力扰动诱发岩爆试验，分析了不同岩石类型、扰动形式和扰动方向下的诱发型岩爆发生机制，结果表明硬脆性岩体才能发生诱发型岩爆，且一定应力状态下，当动力扰动幅值达到某一较高水平时，其岩爆的发生与扰动方向无关。（4）研究了动力扰动下深部硬岩巷道的破裂特征及释能机制，分析了地应力状态以及动力扰动幅值和扰动方向对巷道围岩破坏及能量释放的影响规律，从能量角度揭示了诱发型岩爆和动态剥落的本质区别。（5）针对深部硬岩开挖中的动力扰动因素，提出了以动静力学指标为基础的深部岩体能耗转化模式以及岩爆判别表达形式。上述研究揭示了高储能硬岩的释能激发条件和诱导破裂途径，对深部硬岩工程的岩爆灾害控制和安全高效开挖提供理论指导和科学依据。