宇宙膨胀 - “岩爆”的能量来源 Cosmic Expansion – the Energy Source of Rockburst 摘要： 本文从物理学基本原理上分析了“岩爆”成因与宇宙膨胀的关系，得出了“岩爆”是在宇宙膨胀的长期作用下固态物体内形成的应力势能的突然释放这样一种物理现象的结论。这种应力势能的释放可以是自发的也可以是人为引发的。随着宇宙的膨胀宇宙中所有物体的原子和离子（含有轨道电子的离子）在不断变大。由于固体的表面积正比于构成固体的原子的半径的平方，而固体的体积正比于构成固体的原子的半径的立方，所以，随着原子的膨胀，固体内的应力越来越大，当聚集在固体内的应力大于固体的结构力及外部环境压力之和时“岩爆”就发生了。 Abstract: This paper analyzes the relationship between the cause of “rock burst” and the cosmic expansion from the basic principle of physics, and concludes that “rock burst” is a physical phenomenon of the sudden release of the stress potential energy formed in the solid under the long-term action of the cosmic expansion. This release of stress potential energy can be spontaneous or induced artificially. As the universe expands, the atoms and ions (ions containing orbital electrons) of everything in the universe keep getting bigger. Since the surface area of a solid is proportional to the square of the radius of the atoms that make up the solid, and the volume of the solid is proportional to the cubic of the radius of the atoms that make up the solid, the stress in the solid becomes larger as the atom expands, and the “rock burst” occurs when the stress in the solid is greater than the sum of the structural force of the solid and the external environmental pressure. 关键词 ：岩爆，岩爆机理，矿震，岩石力学，深部岩石工程，封闭应力 Keywords: Rockburst, Rockburst Mechanism, Mine earthquak, Rock Mechanics, Deep Rock Engineering, Closed Stress 一、引言 岩爆，也称冲击地压，是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下突然猛烈释放，导致岩石爆裂并弹射出来的现象。岩爆是深井矿山面临的主要安全隐患之一。轻微的岩爆仅有剥落岩片，无弹射现象，严重的可测到4.6级的 震级 ， 烈度 达7～8度，使地面建筑遭受破坏，并伴有很大的声响。岩爆可 瞬间 突然发生，也可以持续几天到几个月。发生岩爆的条件是 岩体 中有较高的 地应力 ，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的 脆性 度和弹性，在这种条件下，一旦地下工程活动破坏了岩体原有的 平衡状态 ，岩体中积聚的能量释放就会导致岩石破坏，并将 破碎 岩石抛出【1】 。由于岩爆的能量是从何而来目前科学界还给不出一个合理的说法，这就成了制约岩爆机理研究的瓶颈。作者在研究地球动力学的过程中发现宇宙膨胀是地球构造运动的动力源【2】，并进一步发现岩爆也是属于行星地质构造运动的一种，是宇宙中普遍存在的自然现象。 二、岩爆 与宇宙膨胀的关系 由公式(5.31)【2】可知，构成物体的原子或离子的电子绕原子核运行的轨道半径随物体在以太中运行速度的增大而减小。由此可知，随着宇宙的减速膨胀既物体相对于宇宙以太系运动速度的减小，构成物体的原子和离子（含有轨道电子的离子）会不断变大。宇宙膨胀对于由固体外壳（岩石圈）和液体岩浆构成的行星的影响是非常丰富的，包括造山运动、造陆运动、板块的形成、地球膨胀、海底扩张、大陆漂移、地震及火山喷发的产生【3】。如果我们专注宇宙膨胀对固态物体的影响，就不难发现所谓“岩爆”就是宇宙膨胀长期作用于固态物体而形成的弹性势能的突然释放这样一种自然现象。这种弹性势能的释放可以是自发的释放也可以是人为引发的释放。 我们可以将固体的形状都近似为球体以便于研究。如果一个固体球的表面保持不破裂（保持原子挨着原子）的话，那么固体球的表面积正比于构成固体球的原子的半径的平方，而固体球的体积则正比于原子半径的立方，所以，随着原子的膨胀，固体球内的应力会越来越大，而且越往内应力越大。由于宇宙内有些自然形成的固态物体如地球古老的陆壳或流星等形成的年代达几十亿年之久， 经过宇宙几十亿年的膨胀，聚集在这些固态物体内的应力是非常大的， 当这些应力大于固态物体的结构力时这些固态物体就会发生爆炸。这就是为什么宇宙中存在那么多形状不规则的流星（陨石）的原因。因为质量小的行星完全凝固得非常早，随着宇宙的膨胀，固态行星内部的应力早就超过了其结构力而发生了爆炸（岩爆），由此形成了大量形状不规则的石头（陨石或流星） 。因此我们可以预言，如果宇宙一种膨胀下去，月球及所有行星最终都会成为固体并发生爆炸（岩爆）而变成碎石(这可能是构造运动最后的猛烈一幕吧）。 随着原子的膨胀,岩石内部的膨胀力越来越大，岩石的表面张力也越来越大，一旦表面张力超过结构力，岩石的表面就会被胀裂成粉末或松脆的小块并一层层脱落下来。这就是沙漠和土壤形成的过程。 我们也不难解释为什么有些陨石在进入大气层时会发生爆炸。 由于运行速度极快，所以，当陨石坠入大气层时与大气剧烈摩擦而升温，当陨石温度达到可让陨石内部物质应力势能释放的温度时，这些蕴藏在陨石内的应力势能就会以爆炸的形式释放出来。 由此可知，宇宙中所有自然形成的固态物体内部都含有应力内能，固体形成的年代越久远，其内部所含的应力内能就越高。地球上地壳岩体都含有应力，岩石形成的年代越久，应力越高。所以越古老的板块岩石内部的应力越高。这些应力在岩石床没有遭到破坏时由于有周围岩体的保护所以不会释放，一旦周围岩体遭到破坏（如隧道施工）时就会突然释放出来了，这就是人为引发的“岩爆”的机理。 三、结论 1 、“岩爆”是在宇宙膨胀的长期作用下固态物体内形成的应力势能的突然释放这样一种物理现象。这种应力势能的释放可以是自发的也可以是人为引发的。 2 、随着宇宙的膨胀宇宙中所有物体的原子和离子（含有轨道电子的离子）不断变大。由于固体的表面积正比于构成固体的原子的半径的平方，而固体的体积正比于构成固体的原子的半径的立方，所以，随着原子的膨胀，固体内的应力会越来越大，而且越往内应力越大。 3 、岩石形成的年代越久远，其内部包含的应力势能密度就越高。 参考文献： 【1】 张钦礼，王新民．《金属矿床地下开采技术 》． 长沙：中南大学出版社，2016.03 【2】 Wang, J. A. (2019),The Modification of Special Relativity, Journal of Modern Physics,10,1615-1644. https://doi.org/10.4236/jmp.2019.1014107 【3】 王建安，2020 一种基于宇宙膨胀的地球动力学模型（二），科学网博客： http://blog.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=3412139do=blogid=1214007
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2016 上半年顶级期刊工程地质和岩石力学相关论文简述 以下汇总 《 Science 》，《 Nature 》，《 Nature-Geosciences 》，《 Geology 》，《 JGR-Solid Earth 》 等期刊 2016 年上半年工程地质和岩石力学相关论文，并简单说明和总结。总体而言，该领域国际前沿研究朝着复杂化（多场）和精细化（微观）发展，即 “ 岩土体多场和多尺度研究 ” 。本资料仅供参考和交流，不足之处敬请批评指正。 《 Science 》 1. Geomorphic and geologic controls of geohazards induced by Nepal’s 2015 Gorkha earthquake http://science.sciencemag.org/content/351/6269/aac8353 说明：地质灾害研究关系人民生产生活， 是永恒的热点，后附许冲老师推荐的一系列重要论文。 《 Nature-Geosciences 》 1. The global vol ume and distribution of modern groundwater http://www.nature.com/ngeo/journal/v9/n2/full/ngeo2590.html 说明：不管哪个领域，全球性的东西都吸引眼球，比如再来个全球滑坡应变监测和预报 2. Rockfall triggering by cyclic thermal stressing of exfoliation fractures http://www.nature.com/ngeo/journal/v9/n5/full/ngeo2686.html 说明：新的技术和新的认识。开展地质灾害光纤多场监测以及多场耦合模拟很有前途！ 3. Natural hazards: Cracking cliffs feel the heat http://www.nature.com/ngeo/journal/v9/n5/full/ngeo2698.html 说明：同上 《 Geology 》 1. Stick-split mechanism for anthropogenic fluid-induced tensile rock failure http://geology.gsapubs.org/content/44/7/503.abstract 说明：固液耦合研究具有广泛应用，如水力压裂，岩浆入侵，库岩滑坡，地面沉降。。。 2. Dynamic links among rock damage, erosion,and strain during orogenesis http://geology.gsapubs.org/content/44/7/583.abstract 说明：通过小的实验和现象来揭示大的地质现象机制 3. Soil creep in salt marshes http://geology.gsapubs.org/content/44/6/459.abstract 说明：同上，岩土体蠕变机制研究也是热点 4. Nanoscale constraints on porosity generation and fluid flow during serpentinization http://geology.gsapubs.org/content/44/2/103.abstract 说明：微观研究，固液耦合作用 《 JGR-Solid Earth 》 1. Dislocation creep of dry quartz http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JB012771/full 说明：岩土体的蠕变广泛存在于崩塌、滑坡、地面沉降等自然灾害中，其微观机制和宏观影响还没有得到较好的认识，当前热点 2. Evolution of stress-induced borehole breakout in inherently anisotropic rock: Insights from discrete element modeling http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JB012676/full 说明：页岩气压裂离散元模拟，当前热点 3. Theinfluence of loading conditions on fracture initiation, propagation, and interaction in rocks with veins: Results from a comparative Discrete Element Method study http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2016JB012792/full 说明：离散元法模拟岩石裂隙的形成。由于相关前沿研究朝着精细化发展，促使颗粒离散元法得到了广泛的应用。 4. Fracture toughness anisotropy in shale http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JB012756/full 说明：水力压裂，页岩，各向异性，目前的热门方向 5. Micropolar effect on the cataclastic flow and brittle-ductile transition in high-porosity rocks http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JB012179/full 说明：离散元法模拟岩石微观破坏 6. Mechanism of formation of wiggly compaction bands in porous sandstone: 1. Observations and conceptual model http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JB012372/full 说明：岩石破坏的微宏观机制 7. Mechanism of formation of wiggly compaction bands in porous sandstone: 2. Numerical simulation using discrete element method http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JB012374/full 说明：离散元法模拟岩石微观破坏 8. Geomechanical simulation of the stress tensor rotation caused by injection of cold water in adeep geothermal reservoir http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2015JB012414/full 说明：水热力多场耦合模拟 综合说明：岩土体的变形和破坏受水、热、力、化学等多场耦合作用，开展岩土体多场耦合野外监测、室内试验和数值模拟工作具有重要的研究价值和现实意义。同时， 从微观结构和微观力学出发，探索岩石宏观变形和破坏的本源（追寻本源，探索机制），这是目前的一个潮流，因此颗粒离散元法也得到了较为广泛的应用。 综合起来，国际前沿研究朝着复杂化（多场）和精细化（微观）发展，即 “ 岩土体多场和多尺度研究 ” 。以上供相关老师和学生们参考。 热点研究关键词：多场耦合（或固液耦合），监测新技术，离散元法，微观破坏，蠕变，滑坡，页岩，各向异性。 刘春，南京大学 2016 年 7 月 感谢许冲老师推荐了几篇边坡和滑坡的顶级期刊论文： 1. Qiu, J. Killer landslides: The lasting legacy of Nepal’s quake. Nature, 2016, 532(7600): 428-431. 2. Bennett, G.L., Miller, S.R., Roering, J.J., Schmidt, D.A. Landslides, threshold slopes, and the survival of relict terrain in the wake of the Mendocino Triple Junction. Geology, 2016, 44(5): 363-366. 3. ten Brink, U.S., Andrews, B.D., Miller, N.C. Seismicity and sedimentation rate effects on submarine slope stability. Geology, 2016, 44(7): 563-566. 4. Pánek, T., Klimeš, J. Temporal behavior of deep-seated gravitational slope deformations: A review. Earth-Science Reviews, 2016, 156: 14-38. 5. Sidle, R.C., Bogaard, T.A. Dynamic earth system and ecological controls of rainfall-initiated landslides. Earth-Science Reviews, 2016, 159: 275-291. 6. Chen, S., Ai, X., Dong, T., Li, B., Luo, R., Ai, Y., Chen, Z., Li, C. The physico-chemical properties and structural characteristics of artificial soil for cut slope restoration in Southwestern China. Scientific Reports, 2016, 6: 20565. 7. Hao, S., Liu, C., Lu, C., Elsworth, D. A relation to predict the failure of materials and potential application to volcanic eruptions and landslides. Scientific Reports, 2016, 6: 27877.
我们的两篇文章同时进入近5年发表的《国际岩石力学学报》论文中最高引用率的前25名。其中一篇居第二名 in the Most cited Int. J. of Rock Mechanics and Min. Sci. articles published since 2011. 感谢同行的关注！ 可以在下列网址免费download: https://www.researchgate.net/profile/Jon_Zhang/contributions 杂志引用信息见 下列网址 ： http://www.journals.elsevier.com/international-journal-of-rock-mechanics-and-mining-sciences/most-cited-articles
我们2011发表的一篇论文的引用率居第2名: Most Cited International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences Articles published since 2010. http://www.journals.elsevier.com/international-journal-of-rock-mechanics-and-mining-sciences/most-cited-articles/ In-situ stress, pore pressure, and stress-dependent permeability in the Southern.pdf 论文原稿详见附件, 发表的版本见下面网页: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1365160910001899
最近在学习FLAC软件，读到几篇文章，感觉这几篇文章在数值模拟学习中具有指导性意义。特附上文章，仅供大家参考，交流。 1. Towards a methodology for rock mechanics modeling.pdf （主要讲述在岩石力学数值中如何正确看待和使用数值模拟软件） 2. VerificationValidation and Confirmation of Numerical models in the earth sciences.pdf （主要探讨了在地球科学数值模拟中3个关键但滥用的英文单词；兼谈如何正确看待数值模拟软件） 3. 试验结果的数学拟合与力学模型.pdf （主要探讨了如何合理使用岩石力学的实验数据，结合实例解释了“过度拟合必将失真”） 4. Numercial model calibration for simulating coal pillars, gob and overburden response.pdf （结合实例，探讨了如何在采矿数值模拟中选取合理的数值，及如何对参数进行校正） 5. Geomech Models - Keep simple.pdf （采矿中简化数值模型的意见和价值）
Beijing General Research Institute of Mining Metallurgy An asian leader in advanced mining solutions Sustainability through constant innovation providing the most sound and cost effective mining solutions BGRIMM is a specialist mining technology innovation institute based on the 50 years of expertise of its founde r. Since 1999, BGRIMM has become a large state technology corporation directly under SASAC. T he research on mining engineering has 5 core areas of expertise: innovation mining method, advanced blasting technology, mining rock mechanics, mine backfilling and new material for backfilling. Advanced Mine Fill Technology Research Column Advanced mine fill technology research was established in 1960 and was one of the early pioneers of research, development and application of mine fill in China. BGRIMM on Mine Fill Technologies provides services in the areas of: innovation research, consultant, project design and engineering, project management and Audits . Specifically, BGRIMM has a range of specialized mine fill technologies that include: l Preliminary Detailed Design of Mine Backfill Project l Backfill Material Testing Analysis l Fluid Mechanics of Mine Backfill Research l Backfill Plant Design and Constructing l Hydraulic and Paste Transport System Design l Advanced Cemented Rockfill Technology l Mine Paste Fill Solution and System Research l Small and Smart-Mobile Backfill Plant Design l Economic Assessment and Audits of Mine Fill l Mine Waste Disposal and Management l Innovative Courses and Training HEAD OFFICE 1 Wenxing Street, Xizhimenwai CONTACT Xicheng District Mr Lijie Guo Beijing 100044 P.R.China Assistant Professor Web: www.bgrimm.com Email: ljguo264@yahoo.com.cn
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