基于裂缝填充的高级压力释放技术在双轴应力作用下的岩爆控制机制研究

《INTERNATIONAL JOURNAL OF ROCK MECHANICS AND MINING SCIENCES》：Insights into the rockburst control mechanism by slit-filling-based advanced pressure relief technology under biaxial stresses

岩爆控制机理研究：通过二维压缩试验及同步声发射-数字图像相关监测，揭示硬脆花岗岩中双面切口填充技术（SF-APRT）协同调控岩爆的作用机制。研究表明，切口处理利用Mohaupt效应实现侧壁岩爆可控触发，填充材料增强结构完整性可提升控制效果，且SF-APRT较传统切口切割技术更优。

　　

张建志|周一杰|何本国|孙天

福州大学地质与矿业学院，中国福州，350108

摘要

在深部硬岩开挖过程中，当局部区域储存的高能量突然释放时，就会发生岩爆，这对施工安全构成重大威胁。为了有效控制岩爆，研究人员对带有和不带有裂缝及填充物的硬脆花岗岩进行了双轴压缩试验，并同步进行了声发射（AE）和数字图像相关性（DIC）监测，重点探讨了基于裂缝填充的先进压力释放技术（SF-based APRT）的协同控制机制。首先，完整开口周围的侧壁岩爆发生在较低的应力水平下，而工作面岩爆则发生在较高的应力水平下。其次，裂缝处理显著降低了侧壁岩爆的喷射速度和频率，但大大加剧了工作面岩爆，从而通过Mohaupt效应实现了岩爆的可控触发。有趣的是，在裂缝中加入填充材料后，由于裂缝结构的完整性得到恢复，岩爆得到了真正有效的控制。第三，SF-based APRT需要在两侧裂缝中同时进行填充，其岩爆控制效果明显优于最近开发的裂缝切割方法。最后，本研究还探讨了深部硬岩开挖中的高应力分辨率及其应用，以及岩爆过程中围岩的破坏模式和AE多分形特性。

引言

在深部地下工程中，由于围岩局部区域的应力集中严重，经常发生岩爆，导致突然的高能量释放和剧烈喷射破坏，从而对施工安全构成巨大挑战。例如，在慕兰抽水蓄能电站导流隧道的TBM开挖过程中发生了多次岩爆事件，导致施工中断。因此，开发岩爆控制技术对于高效和稳健的深部硬岩工程至关重要。

目前，预防和控制岩爆的方法可分为三类：i) 优化采矿方法；ii) 局部减压方法；iii) 岩体支护方法。其中，局部减压方法又可分为注水减压、钻孔减压、裂缝切割减压和爆破减压。⁸ 工程实践已经证实了这些方法的有效性，但至今其背后的物理原理和控制机制仍需进一步揭示。实验室测试在近距离观察岩爆现象并将其与声发射（AE）联系起来方面发挥了重要作用。^{9, 10, 11, 12, 13} 近年来，从不同角度进行了大量关于岩爆控制的研究。例如，任等人¹⁴对完整花岗岩试样、含钻孔的花岗岩试样以及具有负泊松比（NPR）螺栓的花岗岩试样进行了一系列真三轴卸载试验，从岩爆强度、破坏模式和AE前兆等方面解释了钻孔和螺栓的减缓机制。胡等人¹⁵使用开挖补偿方法（ECM）和NPR螺栓控制了秦岭输水隧道的岩爆。现场测试表明，ECM和NPR螺栓可以有效对抗开挖引起的应力变化，降低岩爆风险。张等人¹⁶对含裂缝开口试样进行了双轴压缩试验，证实裂缝切割方法可以将侧壁附近的高风险拉伸破坏转化为可控的剪切主导断裂，有效降低了侧壁岩爆的强度。这些研究极大地促进了人们对原位岩爆现象及其预防和控制的理解。然而，最近开发的岩爆控制技术大多是事后的补救措施，在复杂地质条件下的高应力积累处理方面存在局限性。相比之下，作为主动预防方法的先进压力释放技术（APRT）最近受到了越来越多的关注。例如，李等人¹⁷在汉江至渭河调水工程易发生岩爆的隧道段进行了先进应力释放钻孔（ASRB）试验，通过比较钻孔段与相邻未钻孔段的AE计数、微震（MS）能量和岩爆水平，评估了ASRB在岩爆控制中的有效性。顾等人¹⁸研究了大开采深度下窄煤柱工作面的岩爆预防，提出了一种以“卸载-固化”为核心的协同控制方案，强调在近场高承压煤体中进行强力减压，并通过先进预裂技术对远场高应力顶板进行减压。这些研究共同验证了APRT在实际工程规模上的可行性和有效性。然而，这些研究主要侧重于验证工程应用效果，而APRT如何调节岩爆的核心机制和内在作用原理仍不够明确。

大多数现有研究集中在单轴或三轴加载条件下降低岩爆倾向性，而对结构岩样的双轴压缩实验较少。^{13, 14, 15, 16, 17, 18} 需要指出的是，原位岩爆预防和控制本质上是一种结构响应，超出了岩石材料加载试验的范围。对结构岩样的双轴压缩试验能够近距离观察破坏过程，并将其与多物理场数据（如声发射（AE）、数字图像相关性（DIC）、应力-应变）相关联，从而更深入地理解岩爆控制机制。与单轴或三轴试验相比，双轴试验更能揭示岩爆缓解的内在机制，因为它们更能反映深部开挖中围岩的实际应力状态和开裂特性。为此，本研究创新设计了具有先进裂缝结构的结构岩样，并对带有和不带有填充物的含裂缝圆形开口试样进行了双轴压缩试验。通过集成同步AE-DIC监测，本研究旨在及时定量表征岩爆的发生，并揭示基于裂缝填充的先进压力释放技术（SF-based APRT）的岩爆控制机制，为有效的岩爆控制策略提供了依据。本文的创新点有三：1) 创新设计了先进的裂缝结构，并结合双轴压缩试验和同步AE-DIC监测，探索SF-based APRT的岩爆控制机制；2) 区分了不同类型的岩爆，并明确了它们的不同破坏特征和演化规律；3) 提出了一种基于Mohaupt效应的地下开挖新方法，实现了将高应力转化为岩石破坏驱动力的转换。

论文结构如下：第2节描述了实验和结果，第3节讨论了岩爆类型及其差异，以及岩爆控制机制。第4节通过多分形理论分析了侧壁岩爆和工作面岩爆之间的AE多分形参数差异，并通过RA-AF分析进一步揭示了破裂特性。第5节阐述了实验的意义，第6节得出了重要结论。

实验部分

试样制备

本研究选择花岗岩作为测试材料，因为其高强度和硬度特性允许在高应力下积累显著的应变能量，但其高脆性使其容易发生动态破坏。^{19, 20, 21, 22, 23} 实验表明，所使用的花岗岩的单位重量、单轴压缩强度和杨氏模量分别为26.36 kN/m³、113.02 MPa和31.14 GPa。

试样最初被加工成边长为100毫米的立方体。

岩爆发生过程

• (1)
  完整开口试样S₀

DIC系统记录了完整开口试样S₀的破坏过程，如图2所示，图2a中的未变形图像用于后续观察最终破坏前的变化事件。

在完整开口试样中，岩爆过程如下：在应力水平σ₁ = 59.85 MPa（580.81秒，图2b）时，试样的两侧壁出现了内部裂纹。

基于SF-based APRT的岩爆类型及其内在机制

(1)
基于SF-based APRT对岩爆发生的影响

在双轴加载过程中，开口试样经历了从初始裂纹形成到严重不稳定的破坏过程，表现出一系列变化事件，如剥落、屈曲、颗粒喷射和岩爆等。其中，SW岩爆和WF岩爆这两种动态破坏类型受到了广泛关注。³³

为了进一步量化基于SF-based APRT的岩爆控制效果，

实验结果的意义

实验表明，基于SF-based APRT通过有效缓解高应力集中，为深部硬岩工程中的岩爆控制提供了可行的解决方案。与现有的压力释放技术（如典型的裂缝切割方法和钻孔减压方法）^{16, 50, 51, 52}相比，SF-based APRT在岩爆控制方面具有独特优势：1) 它能够协同抑制SW岩爆和WF岩爆，这与单一方法有所不同。

结论

本研究对含裂缝开口试样和带填充物的裂缝开口试样进行了双轴压缩试验，并同步进行了AE-DIC监测，旨在揭示SF-based APRT在深部硬岩开挖中控制岩爆的物理机制。主要结论如下：

• 1)
  在完整开口试样中，侧壁岩爆发生在相对较低的应力阈值下，且破坏产生的岩块较大

CRediT作者贡献声明

张建志：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源管理、方法论研究、数据收集、数据分析、概念构思。周一杰：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、软件使用、资源管理、方法论研究、数据收集、数据分析、概念构思。何本国：撰写 – 原稿撰写，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家重点研发计划青年科学家项目（编号2024YFC2911000）、国家自然科学基金（项目编号12272280和52109124）以及福建省自然科学基金（项目编号2025J01528）的支持。