拐折非连通断层加载失稳的热辐射演化特征

 为研究构造活动及其失稳过程的红外异常特征,选择拐折非连通断层作为模拟对象,利用单轴加载试验系统和红外热像仪,对模型受力及失稳过程的热辐射时空演化特征进行试验研究。结果表明：(1) 随着应力的增高及阶段性变化,热像首先在下部断层出现1个高温异常点,强度逐渐增强,临近失稳前在岩桥端部又出现2个高温异常点,并具有交替出现的特征,最终演化为一热条带,继而断层连通失稳。“三点高温”和“交替演化”的红外辐射异常特征,与断层预滑、岩桥区应力集中及迁移有因果关系;(2) 岩桥区的平均红外辐射温度(AIRT)在断层活动过程中呈现3个阶段的变化特征,表现为低应力阶段的基本不变或变化很小、中间应力阶段的缓慢上升和临失稳阶段的加速上升。AIRT短暂降温之后的加速上升是断层破裂失稳的重要前兆;(3) 断层周围不同区域的AIRT变化特征不同,与不同区域应力性质差异存在密切关系。应力、应变、红外辐射等多参数的对地集成观测是未来构造活动及其灾变分析的关键。     

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。 义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下： (1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。 (2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。 (3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。 (4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。     

基于粘滑理论的断层冲击地压发生机理研究

冲击地压是目前我国煤矿开采发生的主要动力灾害之一,并常发生在断层、褶曲和煤层变化带等构造异常区域,给矿井造成严重的破坏后果。针对断层冲击地压频繁发生的情况,采用相似模拟和数值模拟的方法,对断层冲击地压发生过程及其应力场演化规律进行了研究;并基于"粘滑理论",从力学的角度对断层冲击地压发生机制进行了阐释。研究结果表明:工作面接近断层时,断层冲击地压的发生过程可分为"起始活化"—"剧烈活化—"冲击显现"三个阶段;开采活动引起了覆岩破坏,导致裂隙带向断层扩展,断层应力场受到扰动,从而诱发了断层冲击地压;采动影响使得断层带应力场呈现应力比先减小后增大的变化规律,当应力比达到极值时,断层错动失稳;开采扰动导致断层开始粘滑的临界剪应力值降低,使得断层剪应力更易达到该阈值,是断层冲击地压的根本原因。     

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制研究

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压具备高隐蔽性、强破坏性、难防护性和长延续性的破坏特征,煤矿现场难以有效预警和防治。以巨野煤田某矿2305S工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,研究深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制。探讨了深厚表土综放采场岩–土地层初次、周期联动的空间结构和力学特征,设计了深厚表土综放采场断层煤柱承载地层传递载荷、上覆自重载荷和断层构造载荷的估算方法,提出了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压的力学判据。根据模拟应力增速演变规律将断层煤柱回采过程划分为蓄能阶段和临界阶段,其中临界阶段整体失稳冲击危险水平快速提升。揭示了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制：断层与沿空面斜交形成的断层煤柱具备高水平的基础应力,当工作面推进至岩–土地层初次联动阶段时,走向地层传递载荷提高了断层煤柱的应力水平,同时连续推采条件下其承载面积不断减小,当载荷量超过弹性承载区的失稳阈值时即发生整体失稳型冲击地压。设计了此类型冲击地压治理方案,包括采前整体冲击危险评估、井地联合区域监测–弹核应力局部预警、分级承载多层卸压设计。     

义马煤田复杂地质赋存条件下冲击地压诱因研究

从义马煤田强冲击倾向性、高地应力水平、F_(16)逆冲断层和上覆巨厚坚硬砾岩顶板的复杂地质赋存环境等多因素多角度入手,研究义马矿区冲击地压的主要诱因、机制和特征。结果显示,义马煤田强冲击倾向性和高地应力环境是其频繁发生冲击地压的主要内因;F_(16)逆冲断层赋存条件下水平构造应力的极不均匀分布,使得高应力环境中断层面及附近区域产生应力集中和能量激增,而且F_(16)逆断层斜切穿过巨厚砾岩顶板,使得两者赋存极不稳定,是冲击地压发生的主要外因。冲击地压发生前,F_(16)断层和巨厚顶板积聚的变形能,在电磁辐射强度和支架阻力的监测结果中均显示为步调一致的增大–减小–再增大–再减小的循环变化过程,而突降的现象可作为冲击失稳的前兆信息。     

真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究EI北大核心CSCD

采用真三轴试验系统对煤岩组合体开展加卸载实验,探究不同煤厚比例组合体的力学行为响应特征,分析煤厚比例对组合体冲击破坏特征的影响规律。结果表明:(1)随着煤厚比例的增加,试样形成较多的X型共轭剪切裂纹,强度呈现出明显的下降趋势,下降梯度逐渐减小,冲击破坏特征逐渐明显;(2)试样变形主要发生在初始应力加载阶段及垂向应力再加载阶段,最大主应变是试样变形的最主要构成部分;(3)不同煤厚比例试样的全应力–应变曲线特征相似,随着煤厚比例的增加,试样的塑性变形逐渐增加。根据实验结果分析,在开采及地质条件相似情况下,底板冲击趋势随底煤厚度的增加而增加,增加梯度逐渐降低;当底煤厚度增加到一定程度时,底煤厚度的再增加对底板冲击无明显叠加影响。研究成果可为深入认识底板冲击地压发生机制及建设防控技术中试平台并开展工程仿真研究提供参考。     

真三轴加卸载条件下组合煤岩冲击破坏特征研究

采用真三轴试验系统对煤岩组合体开展加卸载实验,探究不同煤厚比例组合体的力学行为响应特征,分析煤厚比例对组合体冲击破坏特征的影响规律。结果表明:(1)随着煤厚比例的增加,试样形成较多的X型共轭剪切裂纹,强度呈现出明显的下降趋势,下降梯度逐渐减小,冲击破坏特征逐渐明显;(2)试样变形主要发生在初始应力加载阶段及垂向应力再加载阶段,最大主应变是试样变形的最主要构成部分;(3)不同煤厚比例试样的全应力–应变曲线特征相似,随着煤厚比例的增加,试样的塑性变形逐渐增加。根据实验结果分析,在开采及地质条件相似情况下,底板冲击趋势随底煤厚度的增加而增加,增加梯度逐渐降低;当底煤厚度增加到一定程度时,底煤厚度的再增加对底板冲击无明显叠加影响。研究成果可为深入认识底板冲击地压发生机制及建设防控技术中试平台并开展工程仿真研究提供参考。     

断层冲击地压发生的理论与试验研究

把断层冲击地压看成是断层带与上下盘围岩系统的变形失稳，建立了扰动响应稳定性判别准则，并对断层冲击地压的一个简单模型进行了解析分析。通过粘滑失稳模型，解释了断层冲击地压的间歇性。对断层冲击地压进行了模拟试验，解释了只有达到一定开采深度才可能发生冲击地压，证实了冲击地压发生的间歇性。     

矿震震动传播与响应规律

针对距离震源不同距离的采掘区域冲击地压显现响应程度不同的问题,采用ARAMIS M/E微震监测系统、PASAT-M便携式微震监测系统和冲击地压多参量过程监测系统开展了矿震发生与响应过程规律研究,并通过井下爆破激发震动试验研究了震动传播衰减规律。结果表明:(1)冲击地压多参量过程监测系统监测到矿震的单参量(煤体应力)、多参量(煤体应力、围岩位移及锚杆受力)的响应过程,实现了震动与响应信号捕捉与记录;(2)矿震单参量响应规律,响应时间短(368 ms),响应过程引起距震源75 m的煤体应力最大升高0.9 MPa,响应终值为煤体应力升高0.5 MPa,矿震的响应并非都是多参量同时响应;(3)矿震引起多参量响应规律,响应时间不同步,响应时间几百毫秒至几分钟不等,响应过程引起距震源150 m的煤体应力整体降低0.7~0.8 MPa、锚杆受力降低7~8 k N、顶煤位移增加4 mm,且捕捉到矿震发生10 h前的岩层位移信息,持续时间1000 ms,位移量最大24 mm,可作为矿震前兆信息;(4)矿井围岩介质中震动能量传播呈指数E=E0eηD关系衰减,距震源200 m范围能量衰减快;震动主频的衰减变化规律也呈指数f=f0eηD关系。距离震源200 m范围的采场、巷道对矿震响应比较显著,与矿震诱发冲击显现区域比较吻合。矿震发生至响应的传播衰减过程的定量关系研究,对进一步提高冲击地压监测预警与防治技术水平具有一定的现实意义。     

岩石单轴压缩变形场演化的声发射特征研究

 对单轴压缩条件下一种红砂岩试件变形场演化过程中声发射特征进行研究。以数字散斑相关方法进行试件加载全过程的变形场演化观测,利用声发射系统采集试件加载全过程的声发射信号,对岩石变形演化过程中的变形局部化演化、变形局部化带拉伸以及变形局部化带错动对应的声发射特征进行研究,研究结果表明：(1) 由加载曲线与声发射振铃计数、声发射能量演化对应关系可知,应力突降时声发射振铃计数和声发射能量出现激增,但振铃计数激增和声发射能量激增,应力不一定突降;(2) 加载应力与声发射振铃累计计数在演化趋势上具有较好的对应关系,但声发射振铃累计计数增幅与对应的应力降低量值无关;(3) 声发射峰前“平静期”并不代表岩石变形场演化处于平静阶段,此阶段变形局部化带的宽度、长度以及变形量值在不断增加;(4) 变形局部化带的宽度、长度以及变形量值的演化对声发射振铃计数及声发射能量影响很小,变形局部化带的拉伸速率及变形局部化带的滑动速率变化对声发射振铃计数和声发射能量影响较大,其中变形局部化带滑动影响最大。     

基于剪切应变梯度塑性理论的断层岩爆失稳判据

应用应变梯度塑性理论及能量准则，提出了断层岩爆的失稳判据的解析解。断层带被视为一维剪切问题，断层带尺寸由岩石内部长度确定。断层带的一半及带外一侧的弹性岩石被视为一个系统。得到了依赖于断层带尺寸的断层带的耗散势能及峰后刚度表达式。应用能量准则，得到了断层带-围岩系统的失稳判据，它不仅与岩石材料的本构参数有关，也与岩石结构的几何尺寸有关，说明系统的稳定性具有尺寸效应。断层岩爆失稳判据与矿柱岩爆失稳判据具有类似性。目前的断层岩爆失稳判据的优越性在于：断层带的宽度、断层带的耗散势能、峰后刚度及失稳判据等都可以解析表示；而且，断层带内部具有不均匀的(塑性)剪切应变，这一点与有关的实际观测结果相符合。     

岩石结构的不稳定性和突跳现象

 将结构稳定性理论和方法应用于岩石力学问题。分别采用2个简单的力学模型,研究竖井开挖过程中岩爆的发生和逆冲断层地震。通过理论研究,对于竖井开挖过程,分析无量纲孔壁位移和孔壁压力构成的平衡路径曲线;对于逆冲断层,分析远场无量纲位移和约束反力构成的平衡路径曲线。岩石结构失稳属于极值点型失稳,岩爆和逆冲断层地震是2种不同类型的极值点型失稳。从平衡路径曲线上来看,竖井开挖中的岩爆是一种应力极值点型失稳,伴随有位移突跳;而逆冲断层地震是一种位移极值点型失稳,并伴有力的突跳。     

考虑应变率及应变梯度效应的断层岩爆分析

从理论上研究了考虑应变率效应及微小结构相互影响的断层带．弹性岩石系统的剪切不稳定性。在经典弹-塑性理论的屈服函数中引入应变梯度及考虑应变率效应的函数。将断层岩爆简化为一维动态剪切问题，利用：局部塑性剪应变的对称性；在断层带的边界上，其应变值为零；断层带的宽度由塑性剪切应变取极值来确定等条件，得到了断层带内部的局部塑性剪切应变及局部塑性剪切位移，二者都随应变率的增加而趋于明显增加。同时，还得到了应变软化阶段系统结构响应的理论表达式。令峰后刚度为无穷大，则可得到岩爆发生的临界加载应变率，该参数不仅与岩石材料的本构参数有关，而且还与岩石结构的几何尺寸(即弹性区域的尺寸)有关。应变率增加使断层．弹性岩石系统容易发生失稳回跳。此外，若不考虑应变率效应，则本文的理论结果可以退化为对断层岩爆的静力分析结果。     

断层岩爆是应变局部化导致的系统失稳回跳

讨论了应变局部化、岩爆及Ⅱ类变形行为的关系，并利用梯度塑性理论得到了4种等效的回跳准则。局部化是岩爆的前兆之一，也是出现Ⅱ类变形行为的原因。利用最小势能原理及梯度塑性理论，可得到系统的失稳判据；利用位移法，可以得到系统的Ⅱ类变形行为。若非弹性剪切位移(或平均塑性剪切应变)的增加快于弹性剪切位移(或平均弹性剪切应变)的降低，将出现Ⅰ类变形行为；反之，将出现Ⅱ类变形行为。弹性区与剪切带宽度的比率越大，或剪切弹性模量与剪切降模量的比率越小，系统越容易失稳。     

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。     

我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究

在对我国冲击地压分布状况进行研究的基础上，将冲击地压分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型等三种基本类型，并分别研究其发生机理，提出了通过煤层注水、卸压爆破、机械振动致生岩体裂隙改变煤体性质防治煤体压缩型冲击地压，通过开采解放层、本层煤解放的高压水射流钻孔割缝、留设煤柱改变顶板运动规律防治顶板断裂型冲击地压，通过限制断层移动防治断层错动型冲击地压等有针对性的治理措施。     

卸载岩爆过程数值试验研究

 为探讨岩石试样卸载岩爆的发生机制,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)再现岩石试件卸载发生失稳破坏的过程。根据花岗岩的基本力学参数,首先对方形岩石试样进行单轴加载破坏的二维数值试验,然后在双向载荷条件下进行了基于同等试样的围压卸载试验模拟。数值试验结果表明：(1) 单轴加载试验与卸载失稳试验的岩石破坏机制和破坏模式存在很大差异。(2) 单轴加载试验的破坏过程以渐进式的微破裂发展为主,且微破裂主要集中在局部破裂面上;在发生主破裂之前,有许多微破裂前兆声发射现象出现,是典型的渐进破裂诱发失稳的岩爆模式。(3) 双轴加载时的围压卸载试验中岩样卸荷破坏时脆性特征更加明显,主要以突然、高密度的能量释放为主;同时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征,破坏模式则以大面积剪切破坏与局部拉裂破坏为特征的组合破坏模式;与单轴加载的情况相反,在主破裂发生前,几乎没有任何微破裂前兆,是典型的瞬时岩爆的破坏模式。     

非均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析

 按Mises 增量理论,将提出的均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析推广到非均匀围压下的断层冲击地压分析,得到非均匀围压下的断层失稳半错距和弹性能释放量表达式。对由于断层失稳导致围岩产生的荷载、位移效应进行了分析。     

高黎贡山深埋隧道地应力特征及岩爆模拟试验

 以中国西南地区地质作用最复杂的高黎贡山越岭隧道为例,在隧道工程地质条件分析的基础上,对最可能发生岩爆的花岗斑岩进行真三轴岩石力学试验测试,并结合原位地应力测量结果,确定不同工况下岩爆模拟试验的三向应力量值和加载、卸载方式。岩爆模拟试验结果表明,单纯卸载和卸载–加载方式都可以出现岩爆,但卸载–加载方式的岩爆明显比单一卸载方式的岩爆要强烈,说明隧道开挖后二次应力分布引起的应力集中对岩爆的发生起着十分重要的作用。岩爆破坏过程通常具有渐进性,一般先在试件表面出现岩屑剥落,有时伴有裂纹的扩展,最后才会发生岩块的弹射现象。绝大多数试件岩爆具有明显的滞后性,表现为加载或卸载一段时间后才发生岩爆;而岩爆过程持续时间却非常短(1 s左右),具有明显的瞬时性。声发射监测结果显示,花岗斑岩在外部荷载作用下声发射强烈,对岩爆具有较好的前兆性。上述模拟结果和认识对于地质条件复杂的造山带深埋隧道工程建设具有重要的参考价值。