卸载岩爆过程数值试验研究_黄志平

第30卷增1 岩石力学与工程学报 Vol.30 Supp.1 2011年5月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering May，2011

卸载岩爆过程数值试验研究

黄志平1，2 ，唐春安，马天辉3，唐烈先4 1

(1. 东北大学岩石破裂与失稳研究中心，辽宁沈阳 110004；2. 沈阳建筑大学土木工程学院，辽宁沈阳 110168；

3. 大连理工大学土木工程学院，辽宁大连 116024；4. 大连力软科技有限公司，辽宁大连 116000)

摘要：为探讨岩石试样卸载岩爆的发生机制，采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)再现岩石试件卸载发生失稳破

坏的过程。根据花岗岩的基本力学参数，首先对方形岩石试样进行单轴加载破坏的二维数值试验，然后在双向载

荷条件下进行了基于同等试样的围压卸载试验模拟。数值试验结果表明：(1) 单轴加载试验与卸载失稳试验的岩石

破坏机制和破坏模式存在很大差异。(2) 单轴加载试验的破坏过程以渐进式的微破裂发展为主，且微破裂主要集中

在局部破裂面上；在发生主破裂之前，有许多微破裂前兆声发射现象出现，是典型的渐进破裂诱发失稳的岩爆模

式。(3) 双轴加载时的围压卸载试验中岩样卸荷破坏时脆性特征更加明显，主要以突然、高密度的能量释放为主；

同时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征，破坏模式则以大面积剪切破坏与局部拉裂破坏为特征的组合破坏模式；

与单轴加载的情况相反，在主破裂发生前，几乎没有任何微破裂前兆，是典型的瞬时岩爆的破坏模式。

关键词：岩石力学；数值模拟；卸载岩爆；岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)；破坏类型；非均匀性

中图分类号：TU 45 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2011)增1–3120–09

NUMERICAL TEST INVESTIGATION ON UNLOADING ROCKBURST

PROCESSES

HUANG Zhiping1，2，TANG Chun′an1，MA Tianhui3，TANG Liexian4

(1. Center for Rock Instability and Seismicity Research，Northeastern University，Shenyang，Liaoning 110004，China；2. School of Civil Engineering，Shenyang Jianzhu University，Shenyang，Liaoning 110168，China；3. School of Civil Engineering，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China；4. Dalian Mechsoft Co.，Ltd.，Dalian，Liaoning 116000，China)

Abstract：In order to explore the mechanism of rockburst induced by unloading，the process of instability failure under unloading is exhibited by rock failure process analysis software(RFPA2D). Taking the example of basic mechanical parameters of the granite，firstly，the two-dimensional numerical test of uniaxial loading failure for the square numerical specimen is simulated；and then，for the same specimen，the surrounding rock unloading test under the condition of bidirectional load is simulated. The numerical test results show that：(1) There is a large differences on the rock failure mechanisms and failure modes between the uniaxial loading test and unloading instability test. (2) The progressive microcracks propagation is dominant in failure process of uniaxial loading test；and the microcracks concentrate on the local fracture plane. Before the main fractures induced，Acoustic emission(AE) phenomenon which is the omen of many microruptures appears；and it is the typical rockburst mode of instability induced by the progressive failure. (3) The brittle characteristic during the rock unloading failure in the biaxial test under confining pressure is more evident. The unloading failure is mainly released by sudden，high energy density. At the same time，it shows intense dilatation failure characteristics along the unloading direction；收稿日期：2010–06–25；修回日期：2010–10–18

基金项目：国际(地区)合作交流项目(50820125405)；国家重点基础研究发展规划(973)项目(2007CB209400)；国家自然科学基金重点项目(40638040) 作者简介：黄志平(1975–)，男，2000年毕业于东北大学采矿工程专业，现为博士研究生，主要从事岩石断裂与损伤数值模拟方面的研究工作。E-mail：hzp_2003214@163.com

第30卷增1 黄志平等：卸载岩爆过程数值试验研究 ? 3121 ?

and the failure mode is large-area shear fracture combined with local tension fracture. On the contrary to the uniaxial loading，there is nearly no omen of any microfracture before the main fracture；and it is the typical failure mode of transient rockburst.

Key words：rock mechanics；numerical simulation；unloading rock burst；rock failure process analysis software (RFPA)；failure pattern；heterogeneity

1 引言

世界上最早的一次岩爆于1738年发生在英国的锡矿，至今已有两个半世纪的历史。目前为止，南非、加拿大、德国、美国、捷克、印度、瑞典、日本、英国、匈牙利、前苏联、安哥拉、奥地利、波兰、中国等20多个国家和地区都发生过岩爆[1]。其中，南非是岩爆多发国家，主要发生于金矿中；而在我国最早记录的煤爆发生于1933年抚顺胜利煤矿[2]。对于岩爆的认识，普遍认为岩爆是围岩在高地应力场条件下所产生的。岩爆现象发生于硬脆完整岩体内，洞室埋深大或地壳运动使岩体中的应变能产生大量的聚集，形成很大的初始应力，在施工开挖过程中聚集在岩体中的应变能突然释放，伴有巨大响声，岩片(块)飞射抛散，以及洞壁片状剥落等现象。现实中由人类活动诱发的岩爆地质灾害越来越受到关注，但对于岩爆问题，迄今为止对其形成机制的认识尚不统一。由于岩爆现象和其力学机制的复杂性，目前有关它的研究还多停留在假说和经验阶段。虽然岩爆研究工作一直未停止过，但是岩爆问题至今仍是岩石力学界世界性难题之一。

K. R. Notley对于岩爆的破坏机制，提出了I，II，III类岩爆。J. P. Bardet等[5-6]利用有限元法对I类岩爆进行了数值计算，视I类岩爆为岩体的表面失稳，且发现岩体的抗拉与抗压强度比值直接影响此类破坏的发生。关于岩爆的研究主要从2个方面进行：一是岩爆理论的研究，主要包括强度理论、能量理论、冲击倾向理论、刚度理论和失稳理论[7-9]；微重力法、二是现场实测，实测法[10-11]有以下几种：流变法、回弹法、微震法(或声发射法)、光弹法、钻屑量法、电阻法、现场测定法，这些方法给岩爆预测提供了新的思路和途径。何满潮等[12]利用自行设计的深部岩爆过程试验系统成功模拟了巷道开挖过程中岩爆破坏的过程和相关物理力学参数的测试。卸载岩爆试验的使用原理及方法为：通过在短时间内迅速卸去岩体某一方向的应力，形成临空面，试验过程中采用分级加载方式，先均匀增加三向应

[4]

[3]

力至最小主应力σ3，保持其不变，然后将最大主应力增加至设定应力值，稳定后将某一方向的水平应力突然卸去，但另一个方向的水平应力保持不变。

岩爆的发生影响因素很多，而岩性条件、开采条件(包括地下工程几何形状、开采方式、开采顺序等)、应力条件的控制是主要因素。一般认为最主要的因素有2个：岩石性质是岩爆发生的内因，提供发生岩爆的可能性(岩石本身不会发生岩爆)；围岩应力是发生岩爆的外因，在一定的围岩应力条件下，才有可能发生岩爆。使岩体发生破坏的真正动力源主要来自破坏体周围介质的弹性能的释放。另外，岩石是一种非均匀的材料，考察岩体破坏过程时，不应忽略岩石介质非均匀性影响。室内岩爆试验不能同时考虑岩石试样周围介质对岩爆发生的影响，而岩爆数值模拟试验是探讨岩爆机制的一个重要手段。目前，关于岩爆数值模拟方面开展的工作还不多。本文运用RFPA2D软件，针对花岗岩的基本力学参数，首先对方形数值试件进行了单轴加载破坏的二维数值试验，然后在双向载荷条件下进行了基于同等岩样的围压卸载试验模拟；然后对方形花岗岩试样进行卸载岩爆数值分析，初步探讨卸载岩爆发生机制。

2 RFPA2D基本原理及简介

岩石破裂过程分析软件RFPA2D是一个能够模拟岩石破坏过程的数值模拟程序。引入基元力学参数(弹性模量、强度等)，并服从Weibull分布的统计规律，基本方程为

m?u?f(u)=??

u0?u0?

m?1

?u?

exp??? (1)

?u0?

式中：u为满足Weibull分布参数(强度、弹性模量、

u0为与所有单元参数平均值有关泊松比等)的参数；

的参数，且大小不等于平均值；m定义了Weibull分布密度函数的形状，反映了参数u的离散程度。在考虑材料力学性质非均匀性的前提下，采用细观层次的简单本构模型研究材料宏观层次上的复杂破坏过程。RFPA2D软件中，首先把岩石材料看作是由

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大小相同的四边形单元组成，同时，将这些四边形单元作为有限元分析的单元。通过相变基元的参数弱化或退化，模拟材料破坏的非连续性。相变基元的力学性质不可逆，基元相变前、后均为线弹性体，当其应力状态满足最大拉应力准则和莫尔–库仑准则时单元开始损伤，并且满足弹性损伤本构关系。在准静态加载过程中，借助于有限元法进行应力分析，可以得到整个分析对象的应力和应变分布。同时，RFPA2D基于岩石损伤和岩石声发射具有一致性的假设[13-14]。

3 数值模型

数值模型包含2个板状方形花岗岩试样，分别记为试样I，II，单轴压缩和卸载岩爆的岩石试样模型几何参数分别如图1，2所示，图中点A，B表示试样边界中点位置。整个模型高度和宽度均为210