可能破解岩爆世界性难题的一个假说

岳中琦

岩爆是完整岩石的一种奇异力学破坏现象和行为（下图）。岩石这种奇异力学行为是独特的，难以在其它固体（如金属、塑料、混凝土）材料中见到。钱七虎院士和何满潮院士在2011年写道“岩爆 (rockburst) 是地下工程中的一种特殊现象，具有围岩突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷、喷出的特征”。国际著名岩石力学专家E. Hoek和C.D. Martin 在2014年9月发表的论文中写道，岩爆是岩爆是“implosion of the rock into the tunnel with the release of significant amounts of energy”（围岩石块向隧道内部空间爆炸、伴随相当大能量的释放）。这种突发岩石块体爆裂和弹射的发生具明显的时间滞后效应。它的发生与完整围岩的硐室或隧道的开挖在时间上是不同步的。它是在岩石空间开挖形成后，再经过数小时、数天或数月时间之后才发生的。如同地震，它也是突然发生。在它发生前，硐壁围岩一般毫无变形征兆。岩石破坏主要是拉张，也含张剪。断石块弹射，脱离开硐壁母岩的岩石断块或断片有10 m/s或以上的初速度，成抛射物飞落硐室空间地面。   

由于岩爆发生的局部性、突发性、隐蔽性、滞后性、无前兆性、高速度和高冲击动能，因此，岩爆常常导致深部工程岩石开挖、开采和开凿的灾害，时常造成重大人员伤亡和经济损失。多年来，钱七虎院士和何满潮院士等一直大声疾呼：“岩爆是一个世界性的灾难现象”，“国际岩石力学领域的世界性难题”，“其成灾机理与预测预报问题已成为岩石力学界必须致力解决的关键科学问题和技术难题”。E. Hoek和C.D. Martin进一步写道：“The authors are not aware of any currently available numerical tools that offer any credible means of explaining or predicting the rockburst process”（我们没有见到任何现有数值工具，它们能够提供解释或预测岩爆过程的任何可靠的方法）。

近期，在《力学与实践》（2015, 37(3) 287-294；doi：10.6052/1000-0879-15-089），发表了题目为“岩爆的压缩流体包裹体膨胀力源假说”的论文。这个假说可能揭破这个“世界性难题”。

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岩爆的压缩流体包裹体膨胀力源假说

岳中琦

香港大学土木工程系，香港，中国

摘要

岩爆是地下工程中的一种奇异力学破坏现象。开挖后的围岩块石突然、猛烈地向开挖空间弹射、抛掷和喷出。它具局部性、突发性、隐蔽性、滞后性、无前兆性、高初速度和高冲击动能。岩爆常常导致深部岩石工程重大人员伤亡和经济损失。虽然人们对岩爆做了大量研究，岩爆的成因机理依然是公认的“国际岩石力学领域的世界性难题”。本文指出、分析、论证了造成这个“世界性难题”的原因是，国际岩石力学领域忽略了连续完整岩石中微小流体包裹体的存在和异常作用。本文进一步提出、分析和论证了，封闭在完整岩石中的微细流体包裹体，可能处于被压缩状态，能够拥有高压强，能够造成完整岩石内部的局部异常高地应力场。岩石开挖可导致封闭在岩石内部的众多微细高压缩流体包裹体，重新随时间而渗流、移动和相变，再造成局部完整脆性围岩的岩爆。对岩石流体包裹体的力学研究能让我们破解世界性岩爆难题。

关键词

岩爆,  岩石力学,  深部岩石工程,  流体包裹体,  封闭应力,  高地应力

EXPANSION POWER OF COMPRESSED MICRO FLUID INCLUSIONS AS

THE CAUSE OF ROCKBURST

YUE Zhong-qi Quentin

Department of Civil Engineering, TheUniversity of Hong Kong,

Pokfulam Road, Hong Kong, China

Abstract

The rockburst (rock burst) is a peculiar, abnormal,localized, isolated, delayed, sudden and damaging phenomenon associated withthe underground rock excavation. Several hours after the completion of the excavation,some parts of the in-situ intact rock wall might be actively, suddenly and vigorously ejected, thrown and blown off from the original wall into the excavated open space, with high initial ejecting velocity and kinetic energy. It often causes fatality, injury and damage because its occurrence is usually unforeseeable and unpredictable. The rockburst is still a worldwide tough problem that puzzles the international communities of rock mechanics in spiteof tremendous research efforts over the past 50 years. This paper puts forward a hypothesis of micro-fluid inclusions as the cause and mechanism of the rockburst.The fluid inclusions in the micro-voids of intact rocks may have a high initial pressure equaling to the average of the three in-situ principal stresses. The fluid inclusions with a high initial pressure can have a high expansion power. They can flow, migrate and turn from the liquid phase into the gas phase after the rock excavation. Their physical and chemical expansion power can cause the rockburst of the excavated intact rock wall. This hypothesis offers effective solutions for the rockburst problem to reduce and eliminate its damage.

Key words

rockburst, rock burst, rock mechanics, deep rockengineering, fluid inclusion, locked in stress, high in-situ stress

论文全文见《力学与实践》 ，2015, 37(3) 287-294；doi：10.6052/1000-0879-15-089

Fullpaper @ Mechanics in Engineering, 2015,37(3) 287-294; doi：10.6052/1000-0879-15-089

http://lxsj.cstam.org.cn/CN/abstract/abstract145401.shtml

2015年6月29日14：20写成于香港大学黄克兢楼办公室