本文是土质工程专业工程硕士论文，主要研究深部工程高地应力下岩爆发生机制及判据。

第一章 绪论

1.1 研究意义与选题依据

由于经济的发展与科技的进步使得国内地下硐室工程建设竞相发展，随着隧洞等工程埋深、长度的不断增大增加，在高地应力区开挖的硐室越来越多，伴随的岩爆灾害问题也就显得更加突出。岩爆是深部工程在高地应力作用下，因硐室开挖的人为扰动而导致之前的岩体应力平衡系统被打破，硐室围岩断面处因应力重分布而积聚高水平应力，导致围岩局部区域短时间积聚大量的能量，当岩石中累积能量大大超过岩石破坏所需的能量时，岩体发生强烈的岩块弹射破坏，积聚的能量以动能的形式释放出来，它是因围岩动力失稳而导致的一种极具破坏性的地质灾害。总结文献等资料记载，1738 年英国南斯塔福锡矿发生了世界上的第一次岩爆灾害，之后的南非、挪威、加拿大等国家的工程中也相继发生岩爆。如今，在我国也有不少地下工程发生过典型的岩爆。其中，川藏公路二郎山隧道是处于深部高地应力环境条件下硐室掘进过程中发生多次大强度岩爆现象的典型案例。二滩水电站硐室开挖过程中，在变电站洞室与发电机房洞室之间的岩柱中发生过一次较为严重的岩爆，此次岩爆波及范围广、持续时间长、破坏烈度大，给工程造成了严重的损失。雅砻江锦屏二级水电站引水隧洞长度与埋深都很大，其硐室掘进过程中发生的动力片帮破坏也属典型的深埋高地应力岩爆破坏，地下洞室“长、大、深”的特点越来越明显。频发的重大岩爆灾害事故表明，宏观和局部区域上对地质动力灾害没有一个长效健全的机制以及自然科学规律的难以把握导致了岩爆灾害增加的趋势越来越严重，在“以人为本、安全第一、科学发展”的政策背景下，国家相关部门与矿山企业等前线工作者需要在这方面继续寻找突破点。岩爆已成为一项亟待突破解决的研究课题。到目前为止，国内外矿业部门及各位学者专家经过多年对对岩爆的研究，在岩爆机理、判据以及防治措施等方面均取得了一些可贵的成果。首先，岩爆是一种相当复杂的非线性动力学现象，至今尚未形成一个统一的理论与技术方法来阐释岩爆的内在机制。假说和经验使得意见分歧不断。岩爆预测理论的研究还不能满足工程实践的需求。因此很有必要进一步对岩爆在实际工程实践中的发生机理、发生判据等进行探讨，进而有针对性的提出预测防治措施，对生产实践具有的较为现实的指导意义。针对目前矿产资源已进入深部开采阶段以及交通、水利方面需要大量穿越深埋长隧道的实际情况，导师申请了“深部工程岩爆发生的机理及防治措施研究”的研究课题，作者在导师指导下，总结国内外岩爆工程实例及国内外岩爆研究的基础上，进一步研究揭示岩爆发生的机理，并从新的角度提出相应的岩爆判据，为今后进一步开展岩爆预测预报与防控措施研究以及开发出适合我国国情的防控岩爆发生的支护和监测系统做出依据。

1.2 国内外研究现状

1.2.1 岩爆机理研究现状

岩爆理论经过了几代学者的潜心研究，目前已经有了较多的成果，同时取得了一定程度的发展，但由于岩爆影响因素众多，岩爆本身的复杂性导致其很难用数学方法进行准确预测预报，因此，人们对于岩爆理论的研究仍就处于探索尝试阶段，岩爆发生的内在机理，至今尚未形成统一认识，国内外学者专家从不同的角度先后从强度、刚度、能量、岩爆倾向性、失稳机理和综合因素方面提出了各自的理论，其中，强度理论、能量理论与冲击倾向理论相对研究和运用的较多，然而这些研究机理的理论也只是处于假设和经验阶段，真正应用于工程实践的还相对较少。下面简要介绍几种岩爆孕育发生机理方面的主要理论：

① 强度理论

强度理论是以岩石的单轴抗压强度与围岩初始应力的关系做为依据，将各种强度准则作为岩爆的判据，当洞室的切向应力 ζθ>η[ζc]时发生岩爆。该理论对岩爆的内在机理没有特别的解释，只是根据单纯的单轴试验得出的结果，所以不能准确预测岩爆的发生。岩爆发生的影响因素众多，地下围岩处于十分复杂的应力体系中，不可能受单一方向的应力。

第二章 深部高地应力围岩变形特征分析

2.1 深部围岩高应力的界定

目前，国内外对高地应力还没有一个统一的定义，处于深部内的岩体，一般都受到三向应力的作用，并且受到各种因素的影响，其力学特性相对浅部岩体发生了很大的不同，各自的岩石动力学行为也不相同，这些都与高地应力的作用密不可分。由于巷道的开挖导致岩体应力集中以及应力重分布，在硐室围岩中形成了相互渐进分配的区域，在这些区域内岩石处于不同的应力应变状态，通常情况下浅部围岩体由于硐室开挖而发生的破坏区域一般分为塑性、弹性和破碎区，而深部围岩体则出现了变化，围岩破坏区会出现破碎区交替出现的现象。在深部地下工程中，原岩应力随着深度的增大，垂向应力与水平应力都有增加，原岩应力的改变既会对岩性构成干预，也会对工程中的岩体变形现象产生影响。不同的围压条件不仅对岩石岩性和强度有较明显的影响，而且基于一定条件下，对于岩石的内在破坏方式和机理也会产生重要的影响。无围压和有围压情况下的岩石破坏机制会有明显的不同，当不施加围压条件时，在室内试验当中显示岩石破坏一般为张拉性破坏，而在有围压限制时会产生剪切张拉破坏并存的现象，如若围压给的足够大，则破坏形式大部分为剪切破坏。据学者研究显示，针对弹性模量绘制典型的围压对岩石变形性质的影响曲线（见图 2-1）。围压增大使得弹性模量增加，抗压强度增大，残余强度也相应增加。

第三章 岩爆过程的离散元数值模拟研究.........25

3.1 岩爆数值模拟现状 ....... 25

3.2 离散元理论基础 ..... 26

3.2.1 离散单元法基本原理 ....... 26

3.2.2 3DEC 计算程序简介..... 29

3.3 高地应力深埋硐室岩爆数值模拟 ....... 30

3.4 数值模拟结果分析 ....... 37

3.4.1 水平与垂直方向应力分析 ...... 37

3.4.2 高应力硐室围岩破裂演化分析 .... 40

3.4.3 不同速率硐室开挖模拟分析 ........ 42

第四章 基于能量原理的岩爆机理与判据研究........46

4.1 岩爆过程的能量机理分析 ....... 46

4.2 耗散结构理论运用在岩爆过程中的初步探讨 ..... 48

4.2.1 耗散结构理论 ........ 48

4.2.2 岩爆过程耗散结构的形成条件 .... 49

4.2.3 耗散结构研究岩爆的意义与前景 ...... 50

4.3 岩爆的能量判据研究 ......... 51

4.4 基于不同判据的岩爆预测 ....... 54

第五章 结论与展望......57

结论

本文综合分析国内外岩爆研究成果，分析了高地应力下围岩的变形特征，运用离散元数值模拟分析方法，在工程实例基础上简化模型，对高地应力下深部巷道开挖的岩爆孕育过程及机理与判据进行了研究，以国内外前沿研究成果和岩爆室内外实录资料为基础，基于能量理论对岩爆发生机制做了进一步详尽的分析，并从能量的角度初步研究得出了新的岩爆判据方法与方向，进而对岩爆烈度进行了相似分级。全文得到以下主要结论：

（1）综合国内外前沿文献分析了高地应力下围岩的变形特征及岩爆发生的影响因素，岩性与地应力始终是影响岩爆发生的主导因素。

（2）通过离散元数值分析，不同速率开挖巷道导致围岩变形破坏的时间与程度都不同，速率越大，由于能量积累迅速，能量消耗相对较少，可能更易发生瞬时与严重的岩爆破坏，所以工程实际中应控制巷道掘进速度，以防岩爆的孕育发生。

（3）高应力巷道围岩的破裂演化表现为较长阶段的缓慢增长，之后出现短暂加速，微观裂隙贯通合并，在宏观上则会表现为围岩体的大变形和岩爆破坏。

（4）水平应力与垂直应力沿巷道开挖方向上的变化规律：首先增大到大小不等的峰值，然后迅速降低，进而在不同部位继续增大。

（5）将岩爆孕育发生过程中的能量变化分为三个阶段：初始能量积聚、不同形式的能量耗散、能量转化释放，并对三个能量变化过程做了初步的详细分析。

（6）以能量理论为基础初步提出一个新的能量判据及分级标准 EU/EB，综合分析此判据的正确性与准确性，还需进一步验证与研究完善。

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