Page 45 - 矿山地质灾害与环境治理

矿山地质灾害与环境治理

外力功所产生的总输入能量为 U，根据能量守恒定律，可得：U ＝ U d +U e 。其中，U d 为岩

石耗散能；U e 为岩石可释放弹性应变能。
2. 基于能量原理的岩爆机理
岩爆发生在储存有较高弹性应变能的硬脆性岩体中，重力和构造应力对岩体做功的总

输入能量，主要转换为岩体的耗散能和储存在岩体中的可释放能。
硬脆性岩体受外力作用时产生塑性变形较小，耗散能主要导致岩体内部的损伤，致使
材料性质劣化和强度损失，从而导致在岩体中形成贯穿裂缝的可能性也就越大。所以材料

的劣化和强度的损失将在很大程度上促使岩爆的发生。由此可见，岩爆一般发生在硬脆性
岩体中，这与工程中的实际情况相符。
在外力的作用下，岩体的损伤加剧，强度逐步衰减，当可释放弹性应变能 U e 达到岩

体破坏所需要的能量 U 0 时，岩体就会发生破坏。当 U e ＝U 0 时，岩体发生静态破坏；当
U e >U 0 时，岩体发生动态破坏，能量差△ U ＝ U e -U 0 构成分裂岩体的动能。

地下工程开挖后，由于临空面的作用，岩体的损伤随时间加剧，当达到一定的能量状
态时，岩爆就会发生。由此可见，岩爆的发生及剧烈程度与岩体储存的弹性应变能有着密
切的关系，损伤的时间效应决定了岩爆是发生在工程开挖后一定时间的地质灾害。

（二）基于强度理论的岩爆机理
强度理论以岩石的单轴抗压强度为度量标准，从围岩的静力平衡条件出发，将各种强

度准则作为岩爆的判据，这种理论没有明确的机理作为依据，只是根据单轴实验现象得出
依据，不能准确解释岩块（片）的弹射机理。
霍克认为一种被称为岩石强度指数的指标可以作为地下开挖面的失稳判据。这个指标

就是 RS i ，它是最大主应力值与单轴压缩强度比值的 3 倍。依据该指标有如下判据：
当 RS i ＜ 0.2 时，发生岩爆可能性低。
当 RS i ＝ 0.2 ～ 0.4 时，发生岩爆可能性中等。

当 RS i ＝ 0.4 ～ 0.6 时，发生岩爆可能性高。
当 RS i ＝ 0.6 ～ 0.8 时，发生岩爆可能性很高。
当 RS i ＝ 0.8 ～ 1.0 时，发生岩爆可能性极高。

当 RS i ＞ 1.0 时，发生岩爆。
（三）基于刚度理论的岩爆机理

刚度理论的产生源于刚性压力机，此理论由布莱克将其发展和完善，他认为矿体的刚
度大于围岩的刚度是产生冲击地压的必要条件。但是由于这种理论主要用于解释煤矿冲击
地压和矿柱岩爆问题，所以使用并不广泛。

中国阜新矿院（现辽宁工程技术大学）认为岩爆取决于岩石加载过程的刚度与应力达
到峰值以后卸载过程的刚度比值，并提出以刚度为参数的冲击性指标：FCF ＝ K m /K s ，其

中K m 为应力—应变全过程曲线加载过程的刚度；K s 为应力—应变全过程曲线达到峰值后
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