弱爆破诱导的应变型岩爆现场模拟试验方法与流程

一种弱爆破诱导的应变型岩爆现场模拟试验方法，可广泛应用于水利水电工程、交通、矿山、国家战略防护和深部基础物理实验等领域深埋地下工程应变型岩爆现场模拟。

背景技术：

我国是世界第一能源消费国，一次能源的80%煤炭提供。为保证国家能源和环境安全，十三五期间，我国将新增常规水电装机6000万kw，我国西部陆续开工建设一批采用深埋引水隧洞和地下厂房的大型水电枢纽。大埋深、高地应力是我国西南地区深埋工程的最大特点。例如已建成投产的锦屏二级水电站4条引水隧洞最大埋深2525m，实测最大主应力约42mpa，预测隧洞轴线上的最大主应力达72mpa；地处雅鲁藏布江大拐弯的墨脱水电站，引水隧洞埋深达4000m，地应力超过100mpa；同时，我国交通隧道建设、矿藏资源开采也进入到了1000～2000m的开挖深度。这些工程均需在复杂地质和高地应力条件下进行岩石高边坡、大跨度地下洞室群或超长深埋隧洞的大规模、高强度岩石开挖。

高应力岩体的开挖将导致围岩应变能持续耗散与释放，可能诱发岩爆、突发大变形等动力地质灾害，严重威胁深埋隧洞工程的施工安全。岩爆是地层中高地应力区地下洞室开挖中应变能突然释放时围岩脆性破坏形成的一种动力失稳现象。当地下洞室的硬质脆性岩体由于高地应力的作用积累了大量弹性应变能，由于开挖洞室和巷道，岩体内的应力发生重分布且洞壁附近产生应力集中，当集中的应力超过岩石的强度时，应变能就会突然释放，岩体发生猛烈的脆性失稳破坏，破坏后的围岩发生爆裂松脱、剥落,岩块发生猛烈地弹射甚至抛射，直接威胁施工人员、设备的安全。

由于影响岩爆的因素众多，除了受岩性条件和应力条件控制外，开采条件对岩爆的发生有很大影响。目前对岩爆的发生破坏机制和岩爆的预测还不够准确，为揭示岩爆的机理，才能够实现岩爆的预测和防治。而试验手段是揭示岩爆机制研究的重要基础。目前国内外针对岩爆的模拟试验大致分为室内试验和现场试验。室内试验方面，国外学者cook发明了刚性试验机，并获得了第一条岩石全过程应力应变曲线，用于解释岩石峰后承载能力，并提出了岩爆预测的刚性理论。s.h.cho、t.j.a.wang、h.d.park提出用单轴循环加、卸载实验结果预测岩爆发生的可能性。m.n.bagde和v.petorša则是用单轴动循环加、卸载实验结果来评价有岩爆倾向性的岩石在开采过程中的稳定性问题。国内学者进行了许多加载、卸载和各种不同应力状态下的岩爆力学试验，为岩爆的刚度理论、强度理论、能量理论、冲击倾向性理论及断裂理论等提供了试验依据。室内三轴试均表明卸荷速率对岩爆的发生及规模有重要影响；何满潮利用自行设计的深部岩爆过程实验系统对花岗岩岩爆全过程进行了动力试验；李夕兵研制出中高应变率段岩石动静组合加载试验系统，进行动静组合加载条件下的岩爆试验；殷志强进一步从动静组合加载下岩石破坏过程中能量储存和释放特征出发，充分借鉴现有岩爆倾向性指标的合理之处，提出动静组合加载下的岩爆的倾向性指标；苏国韶等利用自主研发的真三轴岩爆试验系统，在实现低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程模拟的前提下，开展了不同加载速率的应变型岩爆的室内模拟试验。

在现场试验方面，šilený和a.milev在南非kopanang金矿开采现场进行了岩爆模拟实验，在该金矿一废弃隧洞外岩体内布置五个与该洞室平行的=炮孔，利用炸药的爆炸能来模拟围岩中的应变能，在洞室内设计若干次可控爆破模拟微震源，并用高速摄影分析岩爆时弹射块体的弹射速度。在震源附近布置微震组，在远区布置微震监测设备，岩爆前后运用映射和探地雷达对岩体条件（断裂、接缝、岩石强度等）进行考察以确定损伤的程度和类型，利用地震波监测原理分析岩爆预测的准确性。

虽然国内外学者进行了大量的岩爆实验工作，但是主要以室内试验为主，通过单轴或者三轴加卸载试验在室内模拟岩爆，分析产生岩爆的机理。但是在试验条件下很难再现岩爆整个过程，室内试验通常很难模拟实际工程开挖条件，岩石试样的形式和尺寸也和实际岩体有较大差异，岩爆室内试验方面还存在一定的不足。

技术实现要素：

针对岩爆室内试验的不足，本发明提出一种弱爆破诱导的应变型岩爆现场模拟试验方法，通过在围岩应力集中区进行弱爆破，诱导岩体发生应变型岩爆，测试岩爆发生过程的振动和应变数据，进而对岩爆的动力效应作出评价，进而为应变型岩爆预测预报和支护设计提供理论支撑。

本发明采用的技术方案如下：

一种弱爆破诱导的应变型岩爆现场模拟试验方法，包括以下步骤：

步骤一，在深埋隧洞最大埋深段开挖试验支洞和监测支洞；

步骤二，通过数值模拟确定试验支洞的围岩应力集中区，并通过岩爆判据确定围岩应力集中区内可能发生岩爆的区域；

步骤三，通过试验支洞向可能发生岩爆的围岩应力集中区钻设若干炮孔，炮孔钻设到试验支洞围岩应力集中区的内部；通过监测支洞向岩体内钻设若干振动测试孔，通过试验支洞向岩体内钻设若干振动测试孔和若干动应变测试孔，并且振动测试孔和动应变测试孔布置在围岩应力集中区的四周；

步骤四，在振动测试孔内布置振动测试传感器，在动应变测试孔内布置动应变片，现场布置振动测试系统和动应变测试系统，振动测试传感器与振动测试系统电连接，动应变片与动应变测试系统电连接；在炮孔底部进行装药，堵塞炮孔；待测试系统调试完毕，起爆孔底药卷，形成模拟岩爆，从而对岩爆的动力效应做出评价。

上述步骤一中，深埋隧洞最小埋深为800m。

上述步骤一中，试验支洞和监测支洞洞轴线均垂直于隧洞主洞轴线。

上述步骤一中，试验支洞和监测支洞的间距为24-26m。

上述步骤一中，试验支洞和监测支洞的间距为25m。

监测支洞的洞型从洞口向洞内依次为：城门洞型、城门洞型、圆形，三种洞型对应的长度依次为14—16m，9-11m、9-11m，三种洞型的洞径依次为4-6m、2.5-3.5m，2.5-3.5m，试验支洞的洞型为城门洞型，长度为32-38m。

上述步骤一中，监测支洞的洞型从洞口向洞内依次为：城门洞型、城门洞型、圆形，三种洞型对应的长度依次为15m、10m、10m，三种洞型的洞径依次为5m、3m、3m；试验支洞的洞型为城门洞型，长度为35m。

上述步骤二中，数值模拟采用有限元或离散元方法。

上述步骤三中，只在围岩应力集中区内的炮孔段进行装药，围岩应力集中区外的炮孔段不进行装药。

需要说明的是，孔底装药段的长度视围岩应力集中区的范围而定；

需要说明的是，炮孔钻设到试验支洞围岩应力集中区的内部，其目的是爆破时诱导应力集中区的应变能充分释放；

需要说明的是，为了尽可能获取有效的实验数据，对岩爆的动力效应进行动应变和诱发振动测试，振动测试孔和动应变测试孔布置在围岩应力集中区的四周；为了消除面波的影响，提高现场检测精度，爆破振动和动应变监测测点布置在试验支洞和监测支洞之间的岩体内，通过预埋振动测试传感器和动应变片来进行监测。

需要说明的是，试验支洞与监测支洞均与隧道主洞垂直，且监测支洞和试验支洞间距为20m，若间距太短，会破坏试验支洞围岩应力集中区，间距太长，会影响振动和动应变数据的采集，并且会延长钻设炮孔深度，增加试验费用。

需要说明的是，在利用振动传感器获得实测振动信号之后，需要对实测振动信号进行解耦分离，分别获得地应力瞬态卸载诱发振动信号和爆炸荷载激发振动信号。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和有益效果：

1、实验条件良好。目前西南山区大量深埋地下工程的建设，提高了本发明的可操作性。振动和动应变测试等相关技术已经日趋成熟，提高了试验成功的可能。

2、通过在施工现场弱爆破诱发应变型岩爆，可以在深部地下洞室内直接记录岩爆过程中，伴随着能量瞬态释放诱发的振动和动应变数据，这些数据是研究岩爆动力效应最直接的手段。

3、通过岩爆现场试验，可以为岩爆的数值试验提供现场验证，提高数值试验结果的说服性。

4、通过岩爆的现场试验，可以为揭示岩爆过程中能量释放速率与诱发振动大小和岩爆烈度的内在联系，为岩爆的预测和防治提供一种新的思路。

5.本发明方法为一种基于应变型岩爆诱发围岩振动特性的岩爆烈度预测方法，通过采集并且处理由测试系统实测的振动数据和动应变数据，得到岩体振动和动应变曲线，对这些曲线进行分析，获取岩爆诱发围岩振动的时能密度曲线，同时研究应变型岩爆诱发围岩振动特性，从而对岩爆的动力效应做出评价。

附图说明

图1本发明实施例现场试验平面布置图；

图2本发明图1中的a-a截面纵剖面图；

图3本发明图1中的b-b截面纵剖面图；

图4本发明实施例实测振动信号地应力瞬态诱发振动波形图；

图5本发明实施例实测振动信号爆炸荷载激发振动波形图。

图中，1为隧洞主洞，2为监测支洞，3为城门洞型监测支洞，4为圆形监测支洞，5为试验支洞，6为炮孔，7为振动测试孔，8为动应变测试孔，9为应力集中区，10为炮孔装药段。

具体实施方式

某深部隧洞主洞长63.43km，直径为8.4m，最大埋深1412m，本现场试验依托该隧洞工程的施工开展。

1、开挖试验支洞和监测支洞

在该深部隧洞的最大埋深段（1000~1300m）选择较为岩性较为均匀的部位，分别开挖试验支洞与监测支洞，试验支洞与监测支洞的相对位置如图1所示。试验支洞与监测支洞轴线均与主洞轴线正交。试验支洞长度为35m，洞型从洞口依次为城门洞型、城门洞型、圆形，长度依次为15m、10m、10m。洞径分别为5m、3m、3m。监测支洞长35m，全段均为城门洞型。

2、确定应力集中区

通过数值模拟，确定试验支洞的围岩应力集中区，并通过岩爆判据确定围岩应力集中区内可能发生岩爆的区域。

3、钻孔、布置监测设备和装药

从试验支洞的边墙向围岩的应力集中区钻设炮孔，炮孔直径为70mm，在应力集中区内的炮孔段进行连续装药，药卷直径ɸ32mm。分别从试验支洞的边墙向应力集中区下部围岩中钻设振动测试孔和动应变测试孔，从试验支洞的顶拱向应力集中区的右上方钻设振动测试孔，从监测支洞向应力集中区的左上方钻设振动测试孔，如图2-3所示。所有的振动和监测测试孔均围绕着应力集中区的布置，并且与应力集中区保持一定距离，防止起爆时对测试孔造成损坏，影响试验数据采集。

4、布置监测设备和起爆雷管

分别在振动测试孔和动应变测试孔内布置振动测试传感器和动应变片，现场布置振动测试系统和动应变测试系统，振动测试传感器与振动测试系统电连接，动应变片与动应变测试系统电连接；在炮孔装药段布置起爆雷管，堵塞炮孔。

5、起爆

待整个试验系统布置完成后，检查无误，起爆，形成模拟岩爆。

6、实验数据的采集和处理

弱爆破起爆诱发岩爆的过程中，可以收集振动测试数据和动应变数据，对实测振动信号进行解耦分离，获得地应力瞬态卸载诱发振动信号和爆炸荷载激发振动信号，分析岩爆诱发围岩振动特性，从而对岩爆的动力效应做出评价。