针对深部围岩在静-动耦合应力作用下的动态灾害控制，采用了综合的理论分析、实验研究和数值模拟方法

《Journal of Applied Geophysics》：Integrated theoretical, experimental, and numerical analysis for dynamic disaster control of deep surrounding rock under static-dynamic coupling stress

　　• 提出了一种刚柔耦合支护方案，结合废旧轮胎混凝土（RCC）用于控制深部围岩的绿色岩爆现象。• 揭示了两种由冲击应力波传播引发的静态-动态耦合岩爆破坏机制。• 建立了无支撑、刚性及刚柔耦合支护结构的岩爆能量和应力评判标准。• 明确了RCC复合材料中橡胶、孔隙和水泥基体的多尺度协同能量耗散机制。• 通过爆破试验和RFPA2D模拟验证了该耦合支护方案的优异抗冲击缓冲性能。

引言
岩爆是矿井巷道、地下洞室和水力隧道中常见的动态不稳定灾害，长期以来一直被视为深部岩石工程中的关键安全问题（He等人，2023；Qu等人，2022）。其根本原因在于岩体在高压应力作用下积累的弹性应变能突然释放（Li等人，2022a；Liu等人，2022a；He等人，2018）。对于处于“三高一扰”复杂地质条件下的深部硬脆岩体，一旦岩体受到冲击扰动或达到其最大能量储存能力，就容易发生岩爆事件（Feng等人，2023；Li等人，2018）。至今，岩爆灾害仍是岩力学和岩石工程领域尚未解决的重大挑战。学术界和工业界投入了大量努力研究岩爆机制、预警技术和缓解策略，因为这些研究为开发可靠的预警系统和有效的灾害预防体系奠定了基础。然而，岩爆演变机制极其复杂。根据内部破坏机制，岩爆可分为应变型、结构型和应变-结构耦合型岩爆（Jiang等人，2019；Askaripour等人，2022）。从触发条件来看，可分为静载荷诱发型和静-动载荷耦合诱发型岩爆（图1）（He等人，2012；Liu等人，2014；Manouchehrian和Cai，2017）。

在20世纪60年代之前，众多岩力学学者从不同研究角度提出并形成了经典的岩爆理论及相应的判别标准，这些理论主要基于实验室测试和现场观察（Zhang，2010）。尽管这些理论极大地推动了岩力学的发展，但它们未能为复杂地质条件下的深部硬脆岩体岩爆灾害提供可行的解决方案。此外，深部地质环境具有高度复杂性和隐蔽的应力特征，研究人员尚未就控制岩爆发生的若干关键参数达成统一认识。尽管如此，这种不确定性促使众多研究者进行深入探索，取得了关于岩爆生成机制的丰富见解（He等人，2018；Zhang，2010；Wu等人，2022；Ortlepp和Stacey，1994；Si和Gong，2020）。

围岩支护理论和施工技术是开发可靠支护系统、促进深部矿产资源开发和地下工程建设的基础（He和Wang，2022；Sun等人，2021）。为了抑制岩爆引起的岩体喷射，支护系统需要具备足够的能量耗散能力和结构承载性能（Kaiser和Cai，2012；Yang等人，2023a）。具体而言，支护组件耗散的总能量应超过岩体破裂后释放的残余应变能，同时支护结构必须与围岩协调变形且位移不会过大。因此，需要建立一种以“能量吸收、结构承载和协调变形”为核心的新型围岩支护理论，以设计合理的深部掘进支护方案。尽管现有研究全面揭示了深部岩体的动态不稳定机制，并提出了多种稳定性控制理论和技术措施（Zhou等人，2024；Ghorbani等人，2020），但由于复杂的地质条件和深度应力非线性增长，严重的动态灾害仍频繁发生。传统的刚性支护方案采用“用刚性抵抗刚性”的理念，往往会加剧岩爆灾害。例如，在山东兴隆能源有限公司“2·22”岩爆事故的现场调查中，全刚性支护下释放的岩爆能量高达4.2×10^7 J。这凸显了对柔性吸能材料、创新复合支护结构及相关灾害控制理论的迫切需求。在这种背景下，提出了一种“利用柔性缓冲刚性并结合刚性与柔性组件的创新支护理念”，即刚柔耦合支护，成为减轻深部围岩动态不稳定性的核心技术途径（Yang和Xu，2023；Yang等人，2023b）。与此同时，废旧轮胎已成为严重的全球环境污染源，在低碳战略框架下其无害处置已成为全球性挑战（Dong等人，2024；Azunna等人，2024）。在这种情况下，由回收废旧轮胎制备的橡胶-水泥复合材料（RCC）表现出在深部地下工程中抑制岩爆灾害的显著应用潜力（Yang等人，2023a；Yang和Xu，2023；Yang等人，2023b；Yang，2022；Yang等人，2026）。

长期缓解深部地下掘进中的动态岩灾需要刚柔耦合支护系统与绿色可持续发展理念的深度融合。针对上述技术瓶颈，并基于前期研究成果（Yang等人，2023a；Yang和Xu，2023；Yang等人，2023b；Yang，2022；Yang等人，2026），本研究提出了一种采用废旧轮胎RCC作为柔性吸能夹层的新型刚柔耦合支护方案，并构建了相应的复合支护结构力学模型。通过理论分析揭示了应力波扰动引发的围岩动态不稳定性的演变特征和形成机制，进一步推导了应力波的传播和衰减规律以及围岩稳定的缓冲和能量耗散机制。爆破模型试验和数值模拟共同验证了理论推导的可靠性。此外，本文系统研究了不同工况下围岩的能量演化规律，探讨了各种支护方案和主动压力释放措施对岩应力分布的影响，并根据Mohr-Coulomb强度理论阐述了围岩的动态破坏准则。该研究旨在推进深部岩动态灾害预防系统的绿色可持续发展，构建一条实现废旧轮胎资源回收、生态保护和高压围岩有效稳定的综合绿色安全通道。

### 围岩动态不稳定性的协同预防与控制系统的建立
针对高地质应力下深埋隧道/巷道围岩动态不稳定性问题，结合Wu等人提出的“压力释放-支护-防护”协同预防与控制技术体系（Wu等人，2021），并基于现有的先进成熟支护方法（Ghorbani等人，2020）和预防与控制理念（Wu等人，2021；Sui等人，2022；Xie等人，2020），提出了“三强一弱”的围岩支护方案。

### 高阻尼橡胶的变形与能量耗散机制
高阻尼橡胶材料属于粘弹性高变形材料，在外加载作用下同时具有粘性液体能量耗散和弹性固体能量储存的双重效果（Yang等人，2020；Qiao等人，2018）。特别是在循环加载-卸载过程中，橡胶聚合物链的变化与外加载的变化不同步，导致应变滞后于应力，形成应力-应变滞后环。

### 单自由表面状态下岩体的岩爆特征机制
深埋岩体在开挖成隧道/巷道之前基本处于非常稳定的三维应力状态，但隧道/巷道的形成会使岩体（围岩）处于自由表面状态，岩体的应力状态也从初始的三维应力状态转变为准二维应力状态，即围岩处于单自由表面应力状态（图11）。

### 围岩地质应力状态的理论分析
围岩的动态不稳定性和破坏与其原位应力状态密切相关。不同原位应力场（不同侧向压力系数）下围岩原位应力状态的变化相对复杂。以无塑性区的圆形隧道/巷道为例，弹性状态下的围岩应力状态如图15所示。

### 单向冲击载荷下刚柔耦合支护结构模型的数值仿真验证分析
数值试验已成为公认的第三种科学研究方法，与物理试验和理论研究共同构成了科学研究的三大支柱（Chen等人，2022）。结合上述理论分析，对无支撑结构模型、刚性支护结构模型以及“刚柔耦合”支护结构模型在单向水平冲击载荷下的性能进行了数值仿真测试。

### 爆炸冲击试验设计原理与方案
为了验证上述理论分析和数值模拟的结果，并结合前期研究（Yang等人，2023a；Yang等人，2026），进一步开展了“刚柔耦合”支护结构在单向爆炸冲击载荷下的简化物理实验分析。爆炸冲击试验的设计原理和方案如图25所示。为了便于进行爆炸冲击试验，设计了相应的试验装置。

### 围岩能量储存安全水平Wsaf的定义
岩爆预防的最终目标是避免岩爆的发生或避免高能量岩爆的发生。换句话说，如果无法避免岩爆，则允许围岩发生不足以造成生命安全和经济损失问题的低能量岩爆。因此，可以定义为由围岩弹性应变能达到能量储存极限引发的岩爆为“不足以引起问题的岩爆”。

### 结论
本文提出了采用废旧轮胎RCC作为柔性吸能材料的“刚柔耦合”支护概念，并建立了相应的“刚柔耦合”支护结构力学模型。对由应力波扰动引发的围岩动态不稳定性的特征和机制进行了理论研究，并开展了理论分析、数值模拟和物理实验研究。

### 作者贡献声明
Rongzhou Yang：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、可视化、资源管理、方法论、调查、资金获取、数据分析、概念化。
Ying Xu：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、资金获取、概念化。
Quan Zhang：撰写——审稿与编辑、调查、资金获取。
Manchao He：监督、方法论、概念化。
Lei Zhou：撰写——审稿与编辑。

### 利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

### 致谢
作者感谢安徽省新型爆炸材料与爆破技术工程研究中心（AHBP2024B-04）和国家自然科学基金（52274071、52404155、52574133）的财政支持。