高应力矿柱在动力扰动下力学响应研究

针对高应力矿柱在遭受爆破、震动、远场地震等外界动力扰动时,往往发生整体失稳,甚至坍塌的现象,对深部矿山二步骤回采预留矿柱进行简化并建立了地质和力学模型,并对应力波在矿柱中传播进行了力学分析;进而采用FLAC^3D数值模拟的方法研究了高径比为4的典型圆柱形矿柱分别在20 MPa、30 MPa、40 MPa静应力作用下竖向应力和塑性区的分布以及在此基础上分别受到峰值为10 MPa、20 MPa、30 MPa动力扰动时的力学响应特性。研究结果表明:矿柱在40 MPa高静应力作用下依然处于弹性变形阶段,可以保持自身的稳定;而高应力矿柱在遭到外界动力扰动时,会产生不同程度的塑性区,稳定性变差;静应力越大,动力的峰值越高,矿柱的稳定性越差,越容易失稳。得到了它们之间的定量关系并给出了保护矿柱稳定性的建议。     

中低应变率扰动荷载作用下砂岩动态拉伸力学响应特征研究

中低应变率扰动荷载诱发的张拉破坏失稳是引起深部煤炭资源和遗留煤炭资源开采动力灾害事故发生的主要原因之一,分析动力扰动作用下煤岩的拉伸力学响应特征对灾害的预测与防治具有重要意义。对此,开展中低应变率扰动荷载作用下的砂岩巴西劈裂试验,分析不同预静载水平和扰动荷载幅值对砂岩动态拉伸力学响应特征的影响。结果表明：扰动荷载导致的损伤程度与预静载水平正相关,预静载由7 kN增大为20 kN,AE能量水平增大约11倍,宏观上表现为抗拉强度的降低,预静载为11和16 kN的扰动损伤砂岩的抗拉强度分别为12.4和11.5MPa,分别降低5.6%和12.7%;验证扰动荷载应力门槛值的存在,高应力状态砂岩在小幅动力扰动荷载作用过程中并不会发生破坏,拉应变呈对数型缓增;高应力状态砂岩在越过应力门槛值的扰动荷载作用过程中发生破坏,破坏前扰动荷载作用周期数随着扰动荷载幅值增加指数型递减;预静载和动载幅值的增加均促进岩样中心主张拉裂纹附近次级张拉裂纹扩展。岩样动态拉伸破坏前的应变突增前兆可以为动力灾害预警提供参考。     

动力扰动下深部巷道围岩力学响应FLAC分析

深部巷道具有强烈的动力扰动特征.采用有限差分数值计算软件FLAC(Fast La-grangian Analysis of Continua)对动力扰动下巷道围岩力学响应进行了数值分析.结果表明:动力扰动增大巷道顶、底板的水平应力峰值,并使峰值位置后置;扰动后巷道顶板下沉量及巷道围岩塑性区范围显著增加.原岩应力越大,动力扰动对巷道围岩应力场、位移场及塑性区范围影响就越显著,对于深部高应力巷道,动力扰动可使巷道顶、底板的水平应力峰值达到极高应力状态,并存在大范围的塑性屈服区域,具有发生岩爆的危险.     

深部硬岩矿山岩爆的动静组合加载力学机制与动力判据

深部开采是硬岩矿山未来发展的必由之路。深部开采中经常遭遇的岩爆灾害是硬岩矿山未来发展过程中必须要解决的关键科学问题之一。针对岩爆机制这一世界性科学难题,从深部围岩储能特性、高应力赋存环境和开采受力全路径进行科学分析,发现其本质上属于硬岩介质承受"静应力+动力扰动"的动静组合加载力学问题。根据这一思路,在广泛收集国内外典型岩爆案例的基础上,分析了孕育岩爆的"完整弹脆性岩体+高地应力+动力扰动"等必要条件,进一步阐述了深部硬岩矿山岩爆的动静组合力学机制和最近的研究进展。具体研究中,利用硬岩材料,一方面从"静应力+卸载扰动"和"静应力+加载扰动"这2个方面研究了岩爆的力学机制,另一方面在考虑深部工程开挖空间结构效应的基础上,从"静应力+应力调整"和"静应力+动力扰动"这2个方面考察了深部圆形洞室洞壁围岩发生应变型岩爆的破坏特性,分别阐明了不同类型的动静组合加载力学机制。在此基础上,提出了基于动静能量指数的岩爆动力判据和控制思路,岩爆发生的静力和动力组合作用加载的深入研究,为岩爆机制探索提供了新思路和新方法。     

二维动静组合加载下岩石破坏的试验研究

为模拟地下深部开采中二维应力状态下矿岩采掘及某些矿柱的稳定性问题，将特制的一维水平静压装置和Instron电液伺服材料试验机组合进行二维动静组合加载下红砂岩破坏的试验，研究当动载固定不变时红砂岩在不同水平静载和不同竖向静载下破坏的基本规律和特征，为深部采矿和矿柱等的稳定性分析提供理论与试验依据。     

动态

下期《岩石力学与工程学报》主要发表下列内容的文章:(1)深部花岗岩样品岩爆过程实验研究;(2)深埋巷道分区破裂化机制;(3)玲珑金矿主运巷塌陷治理区稳定性动态综合监测与评价;(4)深部回采巷道锚网索耦合支护时空作用规律研究;(5)矿震监测定位系统的研究及应用;(6)冲击地压机制的细观实验研究;(7)动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟;(8)动力扰动下深部高应力矿柱力学响应研究。     

动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟

处于深部的岩体内部积累了大量的弹性应变能，在外部动力扰动下这些能量以非常猛烈的方式释放，从而导致岩爆的发生。模拟不同侧压力系数条件下动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的整个过程，并揭示动态扰动触发巷道岩爆的力学机制。数值模拟结果表明，动态扰动对巷道变形与破裂的触发与地应力状态密切相关；动态扰动应力波的波形也是影响巷道破裂的重要因素，随着应力波幅值和应力波作用时间的加长，动态扰动给巷道稳定性带来的影响越大。因此，对动态扰动触发巷道破坏的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。     

远场爆破水平应力波扰动下分层胶结充填体矿柱的动力响应机制

为研究远场爆破扰动下分层胶结充填体矿柱的动力响应机制,综合分层充填体的结构特征及其与围岩、周边充填体的相互作用,首次构建不同灰砂比的分层充填体多自由度结构响应模型方法,以冬瓜山铜矿3分层矿柱为例进行计算分析,与数值模拟及现场监测的结果进行对比验证,预判其稳定性,并研究不同应力波频率对其作用机制。结果表明:在远场水平爆破应力波作用下,结构响应模型法的分析结果与数值模拟、现场监测结果基本吻合。灰砂比大小严重影响分层胶结充填体的速度、位移响应,及不同灰砂比充填体的响应峰值大小;灰砂比越小,分层充填体振动周期越大,速度、位移响应峰值越大,结构稳定性越差;低灰砂比分层充填体是矿柱结构中的最薄弱区域,容易发生失稳现象。应力波频率明显影响充填体的速度、位移响应峰值,二者变化趋势线均呈"单峰"特征,前者滞后后者出现拐点;在低频阶段,充填体的振动周期增加,二者增加速率先小后大;当频率接近充填体自振频率时,充填体将发生共振现象,二者峰值达到最大值;在高频阶段,二者峰值不断衰减。研究成果为远场爆破扰动下充填体矿柱稳定性判定提供理论支撑。     

单轴压缩下岩石破坏后区的扰动状态概念分析

岩石的应力一应变全过程曲线以峰值应力为界，通常分为破坏前区和破坏后区两个部分。岩石的破坏后区一般处于非稳定状态，其力学响应难以用经典强度理论来描述。由于岩石破坏后区的力学特性对诸多岩石工程，如地下巷道、矿柱和岩爆等具有重要的工程意义，因此，此方面的研究已受到理论界和工程界的重视。基于扰动状态概念理论，通过定义相对完整状态、完全调整状态和扰动函数，建立了能反映岩石材料破坏后区特性的本构模型。采用RMT-150B型岩石力学试验系统，对5种岩石试样(湖北大悟的红花岗岩、四川雅安的大理岩、江西贵溪的红砂岩、河南焦作的砂岩和花岗岩)进行了单轴压缩破坏试验，得到了各种岩石的应力-应变全过程曲线；利用扰动状态概念分析了各岩样变形和破坏的力学机理。在提出的岩石材料扰动状态本构模型的基础上，对上述几种岩石破坏后区的应力-应变关系进行了数值计算，计算结果与试验结果较为一致。因此，建立的本构模型在一定程度上能描述岩石破坏后区的力学特性。     

基于张量距离的深埋隧洞围岩应力扰动指标及特征分析

针对目前深埋隧洞开挖过程中应力扰动程度难以表征，尤其是主应力方向改变难以量化的问题，基于应力张量间距离建立应力扰动度指标(SDI)，可以定量描述主应力大小和方向的改变。依托加拿大Mine-by深部地下实验室工程和锦屏地下实验室二期(CJPL–II)工程，研究隧洞分步开挖时主应力及其应力扰动度指标的变化特征。结果表明，隧洞开挖过程中，轴向不同位置处应力受扰动度与掌子面位置有关，具有明显的空间分布特征，应力仅在掌子面影响区域内受扰动剧烈。沿隧洞径向方向应力扰动度从洞壁到围岩深部逐渐降低，当掌子面开挖接近监测断面时，应力扰动深度逐渐增大，随着掌子面远离，扰动深度逐渐减小。洞壁处SDI最大，但主应力方向扰动度则不一定最大，峰值位置随掌子面位置变化。扰动度指标物理意义明确，合理地描述隧洞开挖时主应力大小和方向的改变，并且主应力大小和方向的扰动度指标量纲一致，可方便地进行比较。该研究可以为深部地下工程中的围岩稳定性分析和支护设计提供量化的应力扰动评价指标。     

盘区开采过程矿柱动态模糊可靠度研究

地下金属矿山盘区开采需构筑大量的人工矿柱,随着开采过程的进行,矿柱内的应力、应变状态不断发生变化。为分析盘区开采全过程的矿柱稳定性,用Midas/GTS软件进行矿柱稳定性的有限元数值模拟,并充分考虑矿岩、混凝土材料参数的随机模糊性。建立矿柱开采全过程的功能函数和动态模糊可靠度方程,并采用MATLAB软件编制相应的求解程序进行求解。通过对昭通铅锌矿某复杂环境条件下矿体盘区开采矿柱的动态模糊可靠性计算和分析,表明了动态模糊可靠度能较好地反映盘区矿体开采全过程的矿柱稳定性变化状况。     

Rock damage and fracturing induced by high static stress and slightly dynamic disturbance with acoustic emission and digital image correlation techniques

A series of coupled static-dynamic loading tests is carried out in this study to understand the effect of slightly dynamic disturbance on the rocks under high static stress. The acoustic emission(AE) and digital image correlation(DIC) techniques are combined to quantitatively characterize the damage and fracturing behaviors of rocks. The effects of three influencing factors, i.e. initial static stress, disturbance amplitude, and disturbance frequency, on the damage and fracturing evolution are analyzed. The experimental results reveal the great differences in AE characteristics and fracturing behaviors of rocks under static loads and coupled static-dynamic loads. Both the Kaiser effect and Felicity effect are observed during the disturbance loading process. The crack initiation, stable and unstable propagation in the highly-stressed rocks can be triggered by cyclic disturbance loads, and more local tensile splitting cracks are found in the rocks subjected to coupled static-dynamic loads. The damage and fracturing evolution of rocks during cyclic disturbances can be divided into two stages, i.e. steady and accelerated stages, and the increase rate and proportion of each stage are greatly affected by these influencing factors. High initial static stress, low disturbance frequency, and high disturbance amplitude are considered to be adverse factors to the stability of the rocks, which would induce a high increase rate of the steady stage and a high proportion of the accelerated stage within the whole disturbance period.Based on the two-stage damage evolution trend, a linear-exponential damage model is employed to predict the instability of the rocks under coupled static-dynamic loads.     

冲击煤层煤柱变形与地面建筑物保护关系研究

保护煤柱合理宽度(或停采位置)是确保地面重要设施长期稳定的关键。以山东某矿地面引水渠("南水北调"工程组成部分)下不规则下山保护煤柱宽度设计为工程背景,首先,通过分析煤柱变形可能引起地面建(构)筑物的破坏方式,提出了控制长期高应力作用下冲击煤层煤柱变形的原则:1走向方向煤柱不发生冲击失稳破坏;2走向方向煤柱不发生煤体长时强度降低而导致的失稳破坏;3倾斜方向煤柱保持均匀变形,从而使地面不发生明显拉伸破坏。其次,依据煤柱上方覆岩空间结构形式,建立了煤柱应力估算模型,提出了保持煤柱长期稳定及地面建筑安全的煤柱设计方法。最后,应用研究成果,分析了工程案例的煤柱应力、围岩稳定性和变形特征,并对该引水渠工程和井下开采设计进行了安全评估。该研究成果对类似开采条件下的保护煤柱宽度确定具有指导意义。     

辛置煤矿间歇开采岩移机理及沉陷规律研究

为了研究巨厚黄土层下间歇开采岩移机理及地表沉陷规律,基于辛置煤矿的地质采矿条件,对条带开采煤柱的稳定性进行了理论分析,得到了倾斜煤层煤柱稳定性的判别函数;采用UDEC数值分析方法反演了百亩沟村庄下前期条带开采覆岩及地表沉陷特征,揭示了岩层移动的机理,获取了研究区域主断面的地表沉陷值。隔离煤柱回收后,依据现场实测数据,分析了间歇开采地表动态和静态地表沉陷特征,求取了地表移动角值参数和概率积分预计参数。研究结果表明,前期条带开采煤柱能够形成稳定的核区,煤柱安全系数为2.34,关键层不破断,地表最大下沉217 mm,最大水平拉伸变形为0.41 mm/m,小于窑洞的Ⅰ级抗拉伸水平变形的临界值。间隔煤柱回采后,地表移动初始期和活跃期偏短累计219 d,最大下沉点下沉量与下沉时间服从负指数函数关系;地表终态最大下沉1 537 mm,水平拉伸变形为3.98 mm/m,地表建(构)筑物所受的采动损坏程度超过了Ⅱ级。间歇开采后地表沉陷下沉系数为0.74,开采影响传播角系数为0.6。     

浅埋近距离房式煤柱下采动应力演化及致灾机制

浅埋近距离房式煤柱下长壁工作面回采将受到上煤层采空区遗留煤柱和本煤层工作面动压的共同影响。针对石圪台矿3–1–2煤层工作面顶板压力大、支架被压死等问题,采用理论分析、数值模拟及现场试验等方法,探讨采动应力演化规律及压架致灾机制。研究结果表明,与莫尔–库仑准则相比,应变软化准则能够准确地反映上层遗留房式煤柱在下层长壁工作面采动应力影响下的变形破坏机制;当上层遗留煤柱较完整,下煤层工作面位于煤柱下方时,受煤柱应力集中及采动影响,下煤层工作面顶板沿煤柱边缘直接切落,载荷集中造成支架压死。通过采前或回采过程中爆破上层遗留煤柱,将顶板压力转移到工作面前方煤岩体内,有效减小工作面围岩应力集中,保证下煤层工作面安全开采。     

Numerical simulation on rockburst of underground opening triggered by dynamic disturbance

The dynamic disturbance, which is termed as the time-dependent loading such as explosion, vibration, stress impact from neighboring rockbursts, earthquakes, may trigger the rockbursts around the underground opening at depth. A numerical model capable of studying the dynamic failure process of rock under coupled static geo-stress and dynamic disturbance is proposed, and it is implemented into the Rock Failure Process Analysis (RFPA), a general finite element package to analyze the damage and failure process of engineering materials such as rock and concrete. Based on the consideration of the static geo-stress, the RFPA-Dynamics is used to simulate the rockburst that is deemed to be triggered by dynamic disturbance around the deep underground opening. The effect of lateral pressure coefficient and dynamic disturbance waveform on the development of failure zone around the underground opening is numerically simulated. The numerical results indicate that the dynamic disturbance is one of the most important mechanisms that trigger the rockbursts around underground opening. Therefore, it is of theoretical and practical significance to investigate the effect of dynamic disturbance on the rockbursts of underground opening, especially for the underground excavation at depth where the surrounding rockmass is highly stressed. The numerical results also reveal that the contribution of the dynamic disturbances is closely pertinent to both the static geo-stress condition and the waveforms of the dynamic disturbance. In general, dynamic disturbance brings about the greater influences on the stability of underground opening with its increasing magnitude and prolonged duration. However, with regard to the specific static geo-stress condition and characteristics of dynamic disturbance, the contribution of dynamic disturbance to trigger the rockbursts must be examined based on numerical analysis according to the specific geo-stress conditions and characteristics of the dynamic disturbance.     

动力扰动导致巷道围岩层裂结构及冲击矿压的数值模拟

煤矿生产中存在着大量的动力扰动,常导致采矿巷道和采场围岩局部失稳,诱发冲击矿压发生。在一定条件下,动力扰动可简化为平面应力波。针对片帮型冲击矿压,采用数值方法模拟应力波作用下巷道围岩层裂结构的形成过程,探讨巷道围岩层裂结构的形成与巷道埋深、岩体弹性模量及应力波强度、时程特性的关系,进而讨论“小进尺、弱爆破”可减小扰动应力波诱发冲击矿压的机制,得到一定地质条件下动力扰动诱发冲击矿压的条件。     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。