岩爆是矿井和隧道的主要灾害事故,因此需要研究岩爆的发生机制,来预防这种灾害的发生。本文采用实验研究的方法来研究不同岩性单轴压缩条件下片状爆裂弹射特征,并分析其发生机制。“岩爆”是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放,导致岩石爆裂并弹射出来的现象。大多数情况下,这种灾害伴随着声响。这一过程常发生在深部岩体工程中。这些工程关乎国民经济的发展和基础设施的建造。因此,有必要掌握岩爆的发生机理,以避免发生人员伤亡和节省工程的成本。1898,第一次岩爆事件记录在印度的KOLE褶皱场中。到1903年底为止,已经发生了七十五次岩爆,造成了严重的人员死亡和设备损害。如此多的岩爆事故的原因是矿柱上的巨大压力。十九世纪初,南非金矿也发生了岩爆事故。在南非,岩爆事件的发生频率要大得多,因此许多研究者将其研究集中在该地区,以识别和理解岩爆的发生机制。据报道,1975年,南非共有31座金矿发生了680起岩爆事故,造成了大量人员伤亡和经济损失。此外,在隧道中也有岩爆事件发生,发生过岩爆的隧道包括:Alpes深为2200米的Simon水工隧洞,日本的Shimizu隧道(深度范围:1000米至1300米),Keestu隧道(深度:730米到1050米)。由于各向异性应力,陡峭山谷下方的剥落大多数与岩爆有关。例如,在24.5公里长的拉尔达尔隧道施工中,多次观察到中等强度的板岩和剥落,并记录了几起岩爆事件。1933年,第一次冲击矿压发生在中国抚顺胜利煤矿。根据现有的数据,从1949年到1997年,超过2000起的岩爆事故发生在中国的33座矿山中。从2001年到2007,在中国的深部金属矿山中,超过13000起的岩爆事故已被记录,伤亡人数至少有16000人。在锦屏II级水电项目建设过程中,四个高压隧道发生了多起岩爆事故。近三十年来,研究人员一直在关注几个有岩爆危险发生的工程,包括天生桥引水隧洞、Taipingyi水电站、Ertan水电站、西康铁路秦岭隧道、四川二郎隧道、西藏高速公路和锦屏二级水电站沿雅砻江的引水隧洞。近年来,为了解决冲击地压的难题,相关研究人员和专家对此做出了一定的贡献。然而,由于这是一个复杂过程,因此还需要进一步地研究。目前,岩爆机理和预测有关的研究大多与岩体的力学性质和行为有关,还需要进一步研究能量、断裂力学、突变理论与数值分析。本研究目的是研究和识别煤岩体在单轴抗压强度下的爆裂弹射机理。另外,弹出的速度也是预测爆裂弹射破坏所必需的。冲击地压的发生机理需要计算出可能对矿山工人造成的伤害,如由矿山机械(轻微损坏或落下)或矿井的支护系统,(坠落的锚杆和网状物)造成的伤害。遗憾的是,目前尚无直接预测岩爆方法。在深部工程中,研究人员往往依赖于岩体的力学性质、开挖尺寸和周围地震活动等。在采矿过程中,开采接近构造应力区,如褶皱、断层、残留的支柱等,发生岩爆机会较多。根据以往的研究成果,岩爆一般分为应变破裂型、滑移破裂型及其组合模式。然而,这些研究并没有解决岩爆机制。因此,本课题的研究重点是解决岩石爆裂弹射机理。在进行研究过程中,一些少量的因素是非常重要的。这些重要的因素可以节省大量的时间和资源。一个因素是:问题的识别,识别问题和研究者进行研究的原因是非常重要的。另一个因素是:可用的资源;有必要列出所有可能的资源,进行良好的研究这是非常必要的。它包括现场数据(地质、力学等)的可用性、实验室设备(这些设备是样品制备和进行实验所必需的)的可用性。本次实验所用到的实验仪器如下:(1)电液伺服万能试验机采用电液伺服万能试验机对制备的岩心样品进行单轴抗压强度测定。该机具有1000 kN的负载能力,位移分辨率可达0.2μm。数据采集频率可达1000 Hz,加载速率为0.5 MPa/s。为了保证在试样的整个接触面上施加均匀的应力,必须将试样置于中心并平行于机器的支承板。此外,为了减少“端部效应”,润滑油被施加在样品的端面上。润滑的目的是减少试样端面与机器轴承板之间的摩擦。单轴抗压强度可以被描述为:通过压缩所制备的试样,记录岩石破坏时的载荷。它是试样上的最大载荷与试样的横截面积之比。横截面面积可以通过试样尺寸来计算。(2)声发射仪当材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波时,可以记录到声发射事件。基本事件与滑移面积、位错和应力降有关。通常观察到两种类型的声发射波形,一种具有快速衰减的振幅,另一种没有明显的振幅衰减。快速衰减的声发射事件通常包括上升时间、峰值幅度、到达时间、事件持续时间、检测阈值、能量和能量速率。声发射速率指示微破裂强度,并已被用于识别岩石中的损伤。在所有事件中释放的总能量称为声发射累积能量。在声发射技术的帮助下,在整个实验过程中可以观察到岩石的损伤过程,而且监测所需的时间和成本也较短。这项技术具有广泛的工程应用,如与其他方法集成的组合监测系统可以帮助评估结构的安全性。在试样安装了两个声发射传感器。声发射探头类型为R.45,前置放大器类型为BP-SIS。采样频率为5 MHz,电磁辐射阈值为20 dB,声发射探头阈值为39 dB,预增益(前置放大器增益)设置为60dB,声发射探头(滤波器低)高通量设置为1 kHz,低通设置为400 kHz。(3)红外摄像仪红外相机的帧速率为100/s,帧尺寸为640×480,室温为22℃,与测试块的距离为1.6米。红外热监测系统可以测量样品的表面温度。红外热监测系统可以用来监测温度的变化。该监测系统还可以得到温度大小来研究样品的温度变化特性,从而来了解岩爆发生的机制。该红外系统已被用来作为非接触和非破坏性的技术来研究样品内部的裂纹。红外系统和图像处理方法被用于岩体力学和结构行为的可视化。(4)高速摄影机高速摄影机的帧速率为100/s,帧速为640×480。距煤样的距离为1米。高速摄影机可以用来记录岩爆过程中弹射出的岩石碎片,是一个很有用的工具。利用高速摄像机拍摄的照片记录了裂纹萌生、扩展和合并的过程。换言之,高速摄影机记录了岩爆的整个过程。(5)静态电阻应变仪在岩爆过程中,采用动态应变放大器和数据采集仪器来记录力和位移变化。该系统由传感器、放大器、计算机和处理软件组成。数据采集速度可达100 kPs。系统中使用的传感器就像小型电子芯片。在每个样品上粘贴四个应变片,粘贴两个垂直和两个水平应变。这些应变片通过导线连接到放大器。实验样品取自朔州市平鲁区茂华下梨园煤业有限公司。矿床位于山西北部。在实验室中制备了煤、砂岩和青石三种煤岩体试样,试样直径为50 mm,高度为100 mm。通过实验得到了单轴压缩下煤岩体片状爆裂弹射的基本规律。(1)煤样煤样2:应力曲线图显示应力为2.4 MPa和2.7 MPa处应力下降,并且在5.7 MPa时完全破裂,这些应力下降处的声发射高度活跃。除此之外,红外热像仪可以监控到试样内部温度的变化。在室温下,IR显示煤样的温度为22oC,试样破坏后升至22.21oC。煤样3:施加载荷的初始阶段AE计数出现峰值,第二个峰值出现在试样破坏之前。在最大应力点之前的应力曲线中有四次应力降,之后出现一个应力降。这些应力降分别发生在0.24 MPa,2.0 MPa,3.6 MPa,5.2 MPa和7.5 MPa。煤样在室温下的初始温度记录为22.05oC,最高可达22.47oC。(2)砂岩砂岩样品1:应力曲线图表明,试块受到的峰值应力为43 MPa,然后在应力曲线中出现最大的应力降。最后,在砂岩样品完全失效之前,又发生了三次应力下降。砂岩破坏之前,AE计数较少,破坏之后AE计数高度活跃,由于破坏后储存在砂岩中的弹性能量突然释放。温度曲线一直在变化。它随着载荷的增加而增加,并在最大应力点之后立即下降。岩芯样品的初始温度和最终温度分别为22.52oC和22.65oC。砂岩样品2:砂岩破坏之前,应力曲线几乎是一条线性曲线,只是在最大应力水平之前,岩芯样品表面出现应力降,并出现裂纹。应力曲线达到最大应力后立即下降,这表明试样样品完全失效。弹性变形时,AE计数较少,破坏时AE计数较为活跃。温度曲线一直连续变化。载荷最大时,温度达到最大值。在室温下,岩芯样品的初始温度记录为22.41oC,实验中最高可达22.52oC。砂岩样品3:砂岩破坏之前,应力曲线是一个线性曲线,直到最大应力57 MPa,然后观察到应力突然下降,岩芯完全破坏。在施加的初始载荷水平下,通过AE计数观察到弹性变形。温度曲线表现与其他砂岩样品不同,试样刚开始时,温度曲线很高,随后温度较低。(3)石灰岩石灰岩样品1:石灰岩加载时的最大应力为50 MPa,然后观察到岩芯样品表面出现突然的应力下降并发生破坏。初始载荷作用下,AE计数较为活跃之后,AE计数较小。红外摄像仪显示:最低温度为21.98oC,最高温度可达22.11oC。石灰岩样品2:石灰岩破坏之前,应力曲线是一个线性曲线,直到最大应力50MPa,然后应力突然下降,岩芯完全破坏。最低最高温度分别为22.28oC和22.43oC。石灰岩样品3:石灰岩破坏之前,应力曲线是一个线性曲线,直到最大应力24MPa,然后应力突然下降,岩芯完全破坏。红外摄像仪显示:温度的范围分别在22.67oC到22.79oC之间。岩爆同时伴随着岩石的爆裂弹射。弹射出的岩石碎块对工人来说,是非常危险的。破坏强度取决于岩石碎块的大小和速度。岩爆发生时岩石爆裂弹射的速度公式为:(?)根据上式,分别计算出所有煤岩试样弹射速度。据计算,速度与岩屑覆盖的距离和喷射角度成正比。其中砂岩试样3的弹射速度最大,石灰岩试样3的弹射速度最小。高速摄像机被用来观测弹射过程。砂岩样品的压缩过程中伴有声响,而煤和石灰岩则没有声音。在单轴压缩试验过程中,大量的砂岩碎屑从岩芯样品表面喷出并落下一段距离,而石灰岩样品中只有很少的碎屑弹射出来,煤样也有大量的煤屑弹射出来。石灰岩样品与剪切破坏类似,而砂岩和煤样则为爆裂弹射。高速摄像机记录了煤岩体爆裂弹射的全过程。AE计数用来分析单轴压缩下煤岩体的破坏。对于煤样,煤样2的最大AE计数率为22,000;对于砂岩样品,砂岩样品1的最大AE计数率为30,000,青石样品的最大AE计数率29,000。如果最大AE计数率被认为是岩石样品中最大断裂强度的标度,那么砂岩样品具有最大的断裂强度。大多数情况下,AE计数率的行为发生煤岩体破裂时,即加载初期声发射计数较小,破坏前后较大。然而,青石样品1和2的两个样品的AE计数不是这样的规律。在单轴压缩实验中,不同岩石类型的样品呈现出不同的失效模式。砂岩和石灰岩岩芯样本的基本破坏模式是以长板形式破坏,而只有少数弹射板与岩芯样本高度相同。煤样的破坏形式则以锥形形式破坏。