基于最小功耗原理的岩爆量化预报方法研究

通过开展典型岩爆地域的含预制裂隙大理岩岩样卸荷试验和声发射试验，研究岩爆孕育发生过程中的裂纹演化特征及其力学机制和能量机制，相应条件下岩样的损伤特性，建立卸荷条件下大理岩岩爆发生满足的约束条件，从细观和宏观两个方面揭示岩爆孕育发生的机理；基于最小功耗原理建立岩爆孕育发生过程的能量本构模型，对岩爆的孕育发生过程进行科学统一的数学描述；将岩爆孕育发生的能量本构模型与数值分析软件FLAC3D集成，建立岩爆孕育发生过程能量本构模型的数值计算方法；根据现场测试结果反演模型中的参数，结合岩体工程的地质条件、工程布局和开挖工艺，探索卸荷条件下裂隙场演化过程中背景应力场扰动与能量运移之间的时空演化规律；定量分析各种致灾因素对岩爆的影响规律，提出多指标、多因素的岩爆量化预报方法。

岩爆涉及到矿山开发、水电工程、铁路公路隧道工程等多个工程领域，造成了重大的人员伤亡和经济损失，已成为工业安全领域的主要灾害。为了更好地理解高地应力条件下硬岩岩爆发生的机理，对岩爆进行量化预测，本研究以理论分析为基础，采用试验研究和数值分析相结合的方法，对岩爆研究的一些热点问题展开研究，取得了一定的成果，具体如下：.（1）分析了岩爆的宏观和微观破坏特征，初步确定岩体从开始受力到岩爆完成经历了两种形式的破坏，为定量地描述不同破坏形式的起始和结束，进行了相应的准则研究，建立了岩爆孕育发生满足的约束条件；.（2）揭示了岩爆孕育发生的机理：岩爆的孕育阶段从岩体受力产生微裂纹开始，到满足极限储能准则发生岩爆结束，经历了不存在塑性耗散的能量耗散阶段，这个阶段的材料劣化是由于岩体材料内部的微裂纹受力扩展造成的，当达到整体破坏强度时，微裂纹扩展形成发生岩爆时的裂隙网络；这种裂隙网络在围压的作用下，不立即发生岩爆，只有受力系统储存的弹性能满足极限储能准则时才发生岩爆；岩爆一旦激发，受力系统经历和前一种破坏形式不同的第二种破坏，第二种破坏过程存在塑性耗散，使得系统的宏观破坏表现为剪切破坏形式。.（3）基于最小功耗原理及卸荷试验确定了控制方程，采用无条件变分问题的Lagrange乘子法建立岩爆孕育发生的能量本构模型，解决了内变量演化方程建立中取泛函难的问题;建立的能量本构模型能够反映岩爆的裂纹演化的劣化规律、宏观力学响应及能量运移机制。.（4）分别针对巷道不同几何形状、不同开挖方式条件下岩爆孕育发生过程中背景应力场积累、转移的基本规律，能量的积累、转移规律，研究岩爆孕育发生过程中微震的空间分布规律，揭示应力、能量积累转移与微震活动空间分布规律之间的内在联系，为建立分析预报模型提供理论依据。.（5）根据建立的具有岩爆倾向性岩石岩爆本构方程型式给出岩爆研究的关键区域，建立了相应的解析模型；确定了孕育过程的储能模式，分别研究了等压和不等压条件下岩爆的影响因素；提出了标定岩爆倾向性的新指标体系；基于功效系数法的基本原理，在综合考虑岩爆主要影响因素的基础上，采用主客观集成的综合方法确定了指标权重，建立了岩爆定量预测模型，研究表明，预测结果与实际发生情况基本吻合，说明运用此模型进行岩爆预测是科学可行的。

内容获取失败，请点击重试