[發明專利]深部圍巖巖爆沖擊傾向性的室內試驗方法

有效

• 申請號: 201710392016.5
• 申請日: 2017-05-27
• 公開（公告）號: CN107036917B
• 公開（公告）日: 2019-05-10
• 發明（設計）人: 嚴鵬;董凱;盧文波;陳明;王高輝
• 申請（專利權）人: 武漢大學
• 主分類號: G01N3/313
• 分類號: G01N3/313
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 肖珍

本發明公開了一種深部圍巖巖爆沖擊傾向性的室內試驗方法，本發明所述的試驗方法是通過霍普金森桿中的沖擊桿高速撞擊受壓的預制圓孔巖質薄板來模擬隧洞開挖掌子面圍巖應力的超高速卸載，研究巖體的瞬態脆延轉換特性，從而評價巖爆沖擊傾向性。本發明方法可實現10?100MPa/s的超高速卸載，遠遠優于目前已有的真/假三軸巖石試驗系統，該系統卸載速率小于1Mpa/s。本試驗系統可直接再現爆破破巖過程中巖石瞬態脆延轉換動力現象，定量求得不同應力狀態和卸載速率條件下巖石的巖爆傾向性指數；本發明可廣泛應用于水利水電工程、交通、礦山、國家戰略防護和深部基礎物理實驗等領域深埋地下洞室中圍巖的瞬態脆延轉換動力特性和巖爆沖擊傾向性評價。

技術領域

本發明涉及一種深部圍巖巖爆沖擊傾向性的室內試驗方法，適用于模擬水利水電工程、交通、礦山、國家戰略防護和深部基礎物理實驗等領域深埋地下洞室開挖過程中圍巖在瞬態卸載條件下的瞬態脆延轉換動力特性和巖爆沖擊傾向性。

背景技術

我國是世界第一能源消費國，一次能源的80％煤炭提供。為保證國家能源和環境安全，十三五期間，我國將新增常規水電裝機6000萬kw，我國西部陸續開工建設一批采用深埋引水隧洞和地下廠房的大型水電樞紐。大埋深、高地應力是我國西南地區深埋工程的最大特點。例如已建成投產的錦屏二級水電站4條引水隧洞最大埋深2525m，實測最大主應力約42MPa，預測隧洞軸線上的最大主應力達72MPa；地處雅魯藏布江大拐彎的墨脫水電站，引水隧洞埋深達4000m，地應力超過100MPa；同時，我國交通隧道建設、礦藏資源開采也進入到了1000～2000m的開挖深度。這些工程均需在復雜地質和高地應力條件下進行巖石高邊坡、大跨度地下洞室群或超長深埋隧洞的大規模、高強度巖石開挖。

巖爆沖擊傾向性是巖石的固有屬性，是巖石在所受的應力達到極限應力狀態時發生巖爆的可能性。在深埋硬質巖體中，高地應力賦予巖體較高的彈性應變能，受開挖卸荷的影響，在洞壁附近會產生應力集中和應變能聚集現象，當聚集的應變能超過巖體的極限儲存能時，能量突然釋放，造成洞壁附近部分巖體從母巖中突然、猛烈彈射出來，這一巖體的動力破壞現象就是巖爆。巖爆作為一種典型的人工誘發動力地質災害。從能量角度來看，巖爆的形成過程是巖體中的能量從儲存到釋放直至最終使巖體破壞脫離母巖的過程。巖爆是否發生及其表觀形式主要取決于巖體中是否儲存了足夠的能量，是否具有釋放能量的條件及能量釋放的方式。國內外學者通過開展廣泛的巖爆特性研究得出相應的巖爆傾向性指標。Kidbinski開展巖石加卸載試驗，得出巖石的應力-應變曲線，將實驗過程卸載釋放的彈性應變能和耗損的彈性應變能之比定義為彈性變形能指數，彈性變形能指數越大，巖爆沖擊傾向性越大；Goodman在剛性試驗機上開展巖石的全應力-應變實驗，根據所得全應力-應變曲線，定義峰值前應力-應變曲線下面積與峰值后應力-應變曲線下面積之比，提出巖石沖擊能指標，巖石沖擊能指標越大，其巖爆傾向性越明顯。唐禮忠等通過分析典型的大理巖加卸載及全應力-應變曲線，根據巖石在變形和破壞過程中的能量變化，提出用剩余能量指數表征巖石的能量儲存與能量耗散的相對關系，并由此作為巖爆傾向性指標。

深部巖體的脆延轉換特性對深部巖石的儲能特性及開挖響應具有重要影響。巖石在不同圍壓下表現出不同的力學特性，以大理巖為例，圍壓在低圍壓范圍內，大理巖巖樣的脆性特征較為顯著，應力應變曲線達到強度峰值后迅速跌落；圍壓達到一定量值后，巖樣應力應變曲線出現明顯的延性特征，應力到達峰值后并未迅速跌落，軸向應力保持一段時間不變，軸向應變、側向應變繼續增加，圍壓超過12MPa之后，強度曲線要等到塑性變形超過5‰才出現明顯跌落；圍壓超過18MPa后，圍巖的延性特征更加顯著，開始出現延性向塑性特征轉換。

目前較多針對靜態或準靜態卸載條件下研究巖爆沖擊傾向性，當進入深部巖體開挖時，開挖巖體承受高地應力、開挖卸荷、強動力擾動耦合作用，必須考慮深部地下洞室在動態卸載條件下，巖體脆延特性發生轉變，進而研究動載條件下的巖爆沖擊傾向性。