[发明专利]一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法

说明书

本发明提供了一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，试验采用单轴试验机对“Y”字型交叉组合结构面试样加载。实验前，试样表面喷涂散斑标识点，扫描获得两个结构面的点云数据并计算它们的JRC值。加载过程中，监测“Y”字型交叉组合结构面试样的表面位移场及声发射信号，获得其失稳破坏的变形及声发射前兆特征；试样加载至破坏，获得其峰值法向应力，依此计算两结构面的剪切应力分量，并将其与结构面抗剪强度比较分析。在不同结构面JRC、夹角及加载方式下重复进行多组试验，考察岩石试样破坏前的结构面抗剪强度、位移场及声发射信号变化规律，从而建立岩石楔形体失稳破坏的综合判据，为岩石工程中的岩爆灾害预警提供参考。

技术领域：

本发明属于岩石力学技术领域，具体涉及一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法。

背景技术：

随着浅部能源、资源的日益匮乏，深部开采已成为世界矿业发展的必然趋势。而在深部开采条件下，岩爆灾害问题凸显。岩爆是坚硬岩石在高地应力状态下地下工程岩体开挖卸荷引起的围岩动力破坏现象，表现形式为围岩在高应力挤压作用下向巷(隧)道内突然弹出，对人员及设备安全构成巨大威胁。现有技术中岩石楔形体在高应力挤压下发生岩爆的示意图如图1所示。

岩爆灾害的重复性不强，实验室内采用物理实验研究岩爆，具有危害可控、数据全程纪录、重复可验证等显著优势，对于认识岩爆具有重要意义。但在岩爆的物理实验方面，国内外学者对岩石结构面的诱导作用关注不足，而各种尺度的结构面是深部岩体工程的软弱部位，是高应力下岩体释放能量的绝佳突破口。目前关于结构面诱发岩爆的试验模型很少，且主要针对平行成组结构面的破坏机理展开研究，例如文献“深埋隧洞板裂屈曲岩爆机制及物理模拟试验研究(周辉等，岩石力学与工程学报，2015(S2):3658-3666.)”和专利“一种研究滑移型岩爆机理的双结构面直剪试验方法(CN 106323768 B)”所采用的试验模型及方法。而实际上，巷(隧)道围岩中结构面之间的相互交叉、嵌入组合模式才是最为广泛的结构面存在形式，而且，这些原生的交叉组合结构面将与开挖临空面共同组成楔形体岩块，(图1)，最易诱发岩爆。

这些楔形岩体在钻爆法或盾构法施工后，有些不会随着开挖的完成而立即剥落，而是处于临界平衡状态。当巷道成型后，随着深部高应力的挤压作用，巷道环向应力持续升高、围岩不断向开挖临空面挤压，极易导致这些处于临界平衡状态下的楔形体突然发生挤压弹射，即岩爆。由于交叉组合结构面诱导发生的岩爆会形成“V”型爆坑，这一现象在相关文献中多有报道。通常采用的单结构面或平行结构面岩石试样的压缩或直剪试验方案不能模拟该类岩爆的发生条件，无法有针对性地研究不同应力状态下交叉组合结构面之间的相互作用，可能造成对实际岩爆发生条件的误解，误判岩爆发生的危险等级。

本发明提供的“Y”字型交叉组合结构面岩石试样的单轴压缩实验方案，在岩石试样达到峰值强度之前，其位移场及声发射信号变化明显，在实验室条件下可以准确地预警岩石楔形体失稳破坏及弹射现象，且操作简单、实用性强，真正为岩石工程的支护设计及岩爆灾害的预测预警提供指导。

发明内容：

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供了更加符合工程实际的研究高应力挤压作用下岩石楔形体失稳破坏的试验方法。该试验方法可以模拟在高应力状态下，交叉组合结构面诱发楔形体岩石的突然失稳弹射，并通过声发射信号及位移监测进行楔形体弹射预警，为实验室中研究结构面诱发岩爆提供新的方法和思路，并最终服务于岩石工程中的岩爆预警。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种研究高应力下岩石楔形体失稳破坏的试验方法，包括以下步骤：

步骤一：在岩爆多发地选取岩石样本(或选取与之力学性能相近的岩石)，并切割制作矩形岩石试样；

步骤二：岩石试样在巴西劈裂条件下，先后生成两个互相交叉并有一定夹角的粗糙结构面，两个结构面组成“Y”字型，以此反映真实岩体中的主结构面和次生结构面，且该两个交叉结构面与岩石试样外表面构成一个楔形体；