块系岩体动力特性理论与实验对比分析

由于深部岩体存在构造等级现象，因而使作为岩石力学分析基础的连续介质力学缺乏依据。超低摩擦实验效应则集中反映块系岩体动力特性的机制，对超低摩擦实验现象的解释与验证非常重要。首先通过对超低摩擦实验现象的描述及数据的整理归纳出规律，然后建立块系岩体动力模型并进行理论分析及数值计算来验证超低摩擦效应，揭示出产生这一效应的根本原因在于法向力的重分布以及动摩擦因数的变化，而且实验现象与数值计算在趋势上是一致的。在具有构造等级的深部岩体介质的变形过程中，储能及返还性状与介质变形的摩擦因数有关。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征，提出深部岩体的构造、变形与破坏需要研究的科学问题。     

冲击扰动对超低摩擦型冲击地压影响分析

高地应力和开采强扰动下,深部煤岩体极易发生超低摩擦效应,继而诱发超低摩擦型冲击地压。通过建立考虑上覆岩层压力的块系岩体超低摩擦效应理论模型,对块体逐一进行受力分析,推导得到块体间新法向力公式和工作块体新水平位移公式,理论分析其受垂直和水平双向扰动后的动力响应,获得法向力最小值在各块体间的分布特征及水平冲击载荷频率和延迟时间对工作块体水平位移影响规律。研究表明:最容易发生超低摩擦效应的接触面位置为离垂直冲击源最近的3个接触面。块体间法向力减小导致块体间摩擦力降低,如遇水平扰动,极易诱发超低摩擦型冲击地压。水平冲击幅值确定时,工作块体水平运动存在特定的延迟时间及水平冲击频率范围,且工作块体的水平位移随延迟时间及水平冲击幅值的变化呈现周期性变化规律。发现工作块体水平运动开始时刻滞后于水平冲击作用时刻,存在滞后时间,其后将依次经历变加速和变减速运动,最终处于静止状态。块体间法向力变化是超低摩擦效应发生的前提条件,水平扰动是引起工作块体水平位移的直接原因。     

高宽比及应力波扰动对砂岩块体超低摩擦影响试验研究

为揭示层状岩体在应力波扰动作用下岩块尺寸对超低摩擦型冲击地压影响机制,以沈阳红阳三矿顶板砂岩块体为研究对象,将5个块体上下依次叠放置于自主研制块系岩体超低摩擦试验装置加载腔内,始终以中间块体为工作块体,用不同工作块体的高宽比H_s/H_w(0.8～2.0)模拟不同构造层次或同一构造层次不同破碎程度的岩体,通过对块系模型系统施加应力波扰动P_v(频率0～10 Hz、振幅0～1 MPa)模拟爆破、顶板断裂、集中开采等扰动作用,施加轴压F_v和水平冲击F_h分别模拟岩体上覆岩层压力和顶板断裂冲击作用,开展应力波扰动作用下高宽比不同的砂岩块体超低摩擦试验。以高宽比作为反映岩块尺寸的表征指标,以应力波扰动频率和振幅作为反映扰动作用的表征指标,以工作块体水平位移作为超低摩擦效应强度的表征指标,分析得到轴压、应力波扰动及水平冲击组合作用下高宽比及应力波扰动对砂岩工作块体的超低摩擦效应强度影响规律与能量演化特征。研究结果表明：应力波扰动、轴压及水平冲击作用一定时,工作块体水平位移随其高宽比增大而呈递减趋...     

开采深度和垂直冲击荷载对超低摩擦型冲击地压的影响分析

随开采深度增加,冲击地压发生的频度和强度愈趋严重,而现有深部冲击地压机制的研究尚不明了。基于深部开采实际情况,提出超低摩擦型冲击地压这一新概念,引入岩体超低摩擦效应,以深部块系煤岩体为研究对象,考虑垂直冲击荷载和垂直地应力作用,建立超低摩擦型冲击地压块体模型,推导得到了块系煤岩体接触界面法向动力荷载随时间变化关系表达式。研究结果表明:垂直冲击荷载作用下深部块体接触界面法向荷载随时间呈周期性波动变化,冲击地压的发生存在临界深度区域,即400~600,800~1 000,1 200 m时接触界面法向动力荷载波动周期较小,波动频率较快,与现场观测结果和已有结论基本一致,说明所建模型较合理;开采深度不同,接触界面法向荷载随时间变化而急剧变化,800~1 200 m深度对应接触界面法向荷载随时间变化率的最大值与深度之间满足三次多项式关系;随冲击荷载强度增大,接触界面法向荷载最大降幅先减小后增加,最后趋于恒定,且冲击荷载强度为1 MPa时,接触界面法向荷载最大降幅最小,接触界面的摩擦力由静摩擦变为动摩擦,如遇水平扰动,煤岩体将突然滑出和抛出,产生岩体超低摩擦效应,极易诱发冲击地压。     

应力波扰动对砂岩块体超低摩擦效应影响分析

以砂岩块体为研究对象,利用自主研制的超低摩擦试验装置,进行垂向应力波扰动条件下砂岩块体超低摩擦效应试验研究。通过对砂岩块体施加垂向应力波扰动、垂向轴压和水平冲击共同作用,模拟深部岩体所处应力环境。分析垂向应力波扰动频率、应力波扰动振幅对砂岩工作块体超低摩擦效应影响规律。研究结果表明:垂向应力波扰动、垂向轴压和水平冲击共同作用下砂岩块体超低摩擦滑动失稳过程分为应力波扰动、超低摩擦加速滑动、非稳定滑动、稳定滑动4个阶段。垂向应力波扰动作用既是块体发生超低摩擦效应的关键因素,又是诱发块体发生超低摩擦效应的催化剂。应力波扰动频率对砂岩工作块体超低摩擦效应存在低频显著影响区,应力波扰动频率在1～3 Hz低频时,砂岩工作块体超低摩擦效应最为明显。相同水平冲击作用下,砂岩工作块体水平位移、水平加速度峰值与应力波扰动强度间均呈线性关系。     

一维块系地质块体波动特性的试验和理论研究

深部岩体具有块系等级构造特性,俄罗斯深部矿山原位量测得到的摆型波(μ波)产生于动力冲击作用下(如深部地震、岩爆和封闭核爆等)块系岩体的运动,是一种不同于传统纵波和横波的新型非线性弹性波。为了证明μ波的存在,并对块系块体介质中应力波传播特性及块体材料、尺寸和结构形式的影响进行研究,利用自主研发的深部岩体动态特性试验系统,分别对6种具有不同特征尺寸的花岗岩和水泥砂浆块系块体模型和连续块体模型进行一维低速冲击试验。试验表明:对于两种结构形式的介质,一维冲击作用下,块体(测点)三向加速度幅值均随冲击能量提高近似线性增加。对于块系块体介质,块体三向加速度幅值随块体个数增加呈一阶指数衰减,并且衰减系数与冲击能量无关;冲击能量仅仅改变加速度波谱密度幅值,而对三向振动极值频率没有影响,并且块体越多,能量越大,块体振动波谱趋于低频波的趋势越强;通过对比试验结果和原位量测结论(关于μ波无量纲冲击能量判据,波速和振幅,波谱峰值频率等),证明了块系介质中出现的低频低速波就是μ波;通过对5种块系块体模型三向加速度频谱进行分析,证明其振动极值频率满足定量的规范序列关系(2~(1/2))i f 0,推广了原位测量试验结论。并且上述规律中,块体材料和尺寸效应不明显,而对于连续块体介质上述规律均不成立。最后,分别采用黏弹性夹层和刚性块体、集中质点以及弹性块体三种理论计算模型对冲击作用下块系块体运动参数进行分析,计算结果和试验曲线吻合较好,并讨论了夹层参数的敏感性。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(I)：一维块系岩体波动特性的试验研究

与岩体构造层次相关的摆型波现象正逐渐形成非线性岩石力学的重要研究方向,并在诱发地震、岩爆及其他地震动事件的研究中展现出了重要的应用前景。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行一维块系岩体模型的波动特性试验研究,测得一维冲击条件下块体振动的的频谱、振幅、波速特征,获得了迥异于连续介质中波动特性的摆型波特征现象,试验结果表明：一维冲击作用下,在冲击振动通过块系构造岩体向前传播的过程中,发生了从高频振动向低频振动的转移;相邻岩块间发生位移相差很大、甚至位移符号相反的相互对应的摆动;随着冲击比例距离的增加,块系岩体各块体加速度、位移幅值按指数形式衰减;摆型波传播的速度远远小于连续介质中纵波的传播速度,主要取决于块体间的裂隙宽度以及块体的运动速度。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(Ⅰ):一维块系岩体波动特性的试验研究

与岩体构造层次相关的摆型波现象正逐渐形成非线性岩石力学的重要研究方向,并在诱发地震、岩爆及其他地震动事件的研究中展现出了重要的应用前景。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行一维块系岩体模型的波动特性试验研究,测得一维冲击条件下块体振动的的频谱、振幅、波速特征,获得了迥异于连续介质中波动特性的摆型波特征现象,试验结果表明:一维冲击作用下,在冲击振动通过块系构造岩体向前传播的过程中,发生了从高频振动向低频振动的转移;相邻岩块间发生位移相差很大、甚至位移符号相反的相互对应的摆动;随着冲击比例距离的增加,块系岩体各块体加速度、位移幅值按指数形式衰减;摆型波传播的速度远远小于连续介质中纵波的传播速度,主要取决于块体间的裂隙宽度以及块体的运动速度。     

岩块尺度对摆型波传播影响研究

基于深部非连续自应力岩体介质的等级块系构造理论,研究块系岩体不同等级尺度对摆型波传播的影响。对冲击载荷作用下块系岩体介质动力模型进行求解得到各岩块的加速度响应。计算在相同的冲击能下,不同等级尺度块系岩体中,各岩块加速度及相应的频域特性包括频域曲线中心频率和中心频带宽度。通过比较得出,块系岩体等级越高,在冲击扰动下块体加速度衰减越快且衰减区域主要集中在初始端块体,同时相比于纵波和横波在块系岩体介质中传播的摆型波是一种低速波且块系岩体等级越高波速越低;块系岩体等级越高初始端岩块中心频率越大、中心频带宽度越宽,随着摆型波的传播块体中心频率向低频移动,中心频带宽度逐渐缩小表现出低频波的特性,且等级越高这种变化趋势越明显。借助于时域和频域内的分析结果和相应的测试技术,有助于反演岩体的破碎程度和节理的发育情况。     

深部巷道块系围岩分析模型及稳定性探讨

深部岩体具有典型的不均匀、不连续的自应力块系等级构造结构。由于浅部巷道围岩应力场分析是基于连续介质力学理论,没有考虑岩体的块体特性,因而无法应用于深部巷道块系围岩的应力场分析。考虑到深部巷道块系围岩破坏类型主要表现为峰后岩块沿软弱接触面的剪切滑移破坏,通过建立深部巷道的平面应变块系围岩模型,得到了轴对称条件下岩块相互作用的解析解;分别假设岩块之间的接触满足刚塑性和Mohr-Coulomb屈服条件,推导得出上述两种屈服条件下的块系围岩模型和连续介质模型的围岩支护力的计算公式。对比分析表明:围岩块体构造特性对深部巷道施工和承载力设计计算有重要的影响;通过假设块体间剪应力与剪切滑移满足分段线性关系,得到了块系围岩径向位移,剪应力和剪切滑移量的解析表达式,引入无量纲化的深部巷道块系围岩稳定性参数λ,并得出当λ<1时块系围岩是稳定的,当λ>1时块系围岩是不稳定的。     

基于简支梁模型的岩体超低摩擦效应理论分析

 考虑深部煤层开采情况,基于塑性动力学理论建立岩体超低摩擦效应简支梁模型,通过理论推导得到动载荷作用下顶板在弹性阶段和弹塑性阶段,岩层与顶板间接触界面法向应力解析表达式,分析动荷载P(t)作用下接触面法向应力与初始接触面法向应力的比值(q/p)与顶板位置参数&#61560; 及时间t的关系曲线,据此得到岩体接触界面摩擦力变化规律,从塑性动力学角度解释岩体超低摩擦效应。研究结果表明：动载荷作用下,顶板在弹性和弹塑性状态,岩层与顶板间接触界面法向应力均有所降低,且降低幅度十分显著,即其接触界面摩擦力急剧下降,具有“摩擦消失”效应,这充分说明岩体超低摩擦效应的存在;比较弹性变形阶段与弹塑性变形阶段接触界面法向应力变化,前者降低幅度更大,说明顶板在弹性阶段岩层与顶板间接触界面更易发生超低摩擦效应。     

应力波扰动下孔洞块体超低摩擦效应试验研究

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能量变化特征。研究结果表明:应力波扰动通过顶板向下传播会使巷道块体在长时间拉压作用下形成疲劳损伤,巷道稳定性大幅降低,此时巷道极易在水平冲击作用下产生超低摩擦效应,尤其是垂直方向应力波扰动频率趋于2 Hz时超低摩擦效应强度最大;含孔洞砂岩块体超低摩擦效应强度与应力波扰动强度成正比;同一水平冲击及应力波扰动作用下,含孔洞砂岩块体单位质量动能幅值及功率谱密度幅值均大于完整砂岩块体,含孔洞砂岩块体稳定性远低于完整砂岩块体稳定性。     

摆型波传播过程块系岩体能量传递规律研究

深部岩体工程存在一种特殊的岩体动力现象即摆型波传播现象,摆型波在岩体中低频低速传播并伴随着较大的岩体能量传递。针对摆型波传播过程块系岩体的能量传递规律,基于深部岩体的非连续自平衡应力等级块系构造理论,研究摆型波传播过程块系岩体中岩块与其周围软弱介质之间的能量转化规律,分析自应力块系岩体中的能量传递规律。经分析得到:摆型波传播过程块系岩体的能量转化表现为岩块的动能和其周围软弱介质的势能之间存在相互转化,动能和势能在相互转化过程中不断向前传递,给出块系岩体能量传递与转化的表达式,并通过计算分析得到块系岩体局部区域能量变化呈现周期递减规律以及整个块系岩体的动能和势能变化符合指数耗散规律。     

深部岩体块系介质变形与运动特性研究

通过对残留应力的研究表明:其大小不仅仅由变形的增降确定,也由所考察的构造集合体单独区段的变形模量的差值所确定。在具有构造等级的深部岩体介质的变形过程中,储能及返还性状与介质变形的摩擦系数有主要的关系。利用块体动力模型研究表明:块体界面的动力变形与稳定性的影响效应规律与块体及界面的体变能力及块体大小密切相关。     

深部岩体非线性力学能量作用原理与应用

 本文以物体高速撞击局部效应与冲击能量因子密切关系为启迪,首次提出了深地下围岩“一高二扰动”等效平均振动能量原理及其表达式,根据深部岩体准共振和摆型波现象出现的无量纲能量条件,深入阐释了该条件的物理基础并定义之为地冲击能量因子。推导了深部围岩岩爆、分区破裂时空构造与地冲击能量因子的关系;结合地下大规模爆炸地冲击运动的传播规律,根据地冲击能量因子发生动力灾变的阈值界定了防护工程安全埋置深度。研究表明：地冲击能量因子为探明深部岩体力学复杂静动力学现象与工程响应关键机制开辟了新的研究途径。     

围岩中原始垂直地应力对圆形隧洞全长注浆 岩石锚杆应力分布模式的影响分析

 通过分析原始垂直地应力对圆形地下洞室塑性区半径、围岩体塑性区和弹性区内岩体的位移变化以及对锚杆应力分布的影响,揭示原始垂直地应力对锚杆锚固效果的影响。研究结果表明,弹性区内任一点的应力大小与垂直地应力有关,而塑性区内任一点的应力与原始垂直地应力无关;随着垂直地应力的增大,巷道塑性区半径也在不断增大,二者之间呈明显的非线性关系;塑性区的径向位移及隧洞壁的最大位移也随之增大。同时,根据围岩与锚杆的相互作用,建立全长注浆岩石锚杆在圆形隧洞围岩中的应力分布解析本构方程。在此解析模型的基础上,对不同垂直地应力作用下锚杆的应力分布模式进行较详细分析,得出随着垂直地应力增大,锚杆的摩阻力和轴向载荷也随之增大,并且锚杆端部的应力集中现象更加明显,当锚杆端部的摩阻力超过围岩的容许抗剪强度时,则锚杆与围岩发生开裂破坏,故在设计与施工中应予以考虑。最后,提出提高和改善由于锚头开裂导致锚固效果降低的方法,对全长注浆岩石锚杆施加垫板,能有效改善锚杆的锚固效果。     

一维动静组合加载下岩石冲击破坏试验研究

 利用研制的岩石动静组合加载SHPB试验装置,系统研究岩石在一维动静组合加载下的冲击破坏特性。首先按照一维应力波传播理论,对动静组合加载的试验原理进行理论论证。试验过程中预先在轴向施加不同载荷,按照静载强度的20%,30%,40%,70%,80%和90%等6个系列进行,然后沿轴向进行冲击加载,考察岩石的临界破坏承载强度。研究结果表明：在临界破坏的情况下,动态冲击的应力–应变曲线(包括常规冲击和动静组合加载)最后都会出现总应变减小的现象,这是由于冲击过程中岩石内部储存弹性能释放所致。在轴向静压较小时,岩石的组合加载应力–应变曲线跟常规的冲击试验曲线类似;轴压较大时,岩石的组合加载应力–应变曲线没有初始的近似线弹性段,直接从非线性段开始。随着轴向静压的增大,岩石的抗冲击强度呈现出先增大后减小的趋势,大约在静载强度60%时,抗冲击强度达到最大值。在入射能较小时,岩石吸收的能量会缓慢增加,在入射能较高时,岩石吸能会快速增加。常规冲击下岩石的临界破坏模式为劈裂形式,动静组合加载下呈现压剪形式。     

一维动静组合加载下砂岩动力学特性的试验研究

 基于对深部岩石承受高地应力并在动力开挖扰动下发生破坏这一问题的科学认识,利用改造的劈裂霍普金森压杆动静组合加载试验装置,开展一维动静组合加载下砂岩的动力学特性试验研究。选取无轴压和3个典型轴压水平4种情形,开展不同应变率下的冲击试验。研究结果表明,相同应变率下岩石对外界冲击的响应受轴压比影响很大,冲击强度会随着轴压比的增加出现先增加后减小的趋势,在轴压比为0.6～0.7时达到最大值。相同轴压下,冲击强度会随着应变率的增加而增加,呈现指数函数关系。在一定的轴压比范围内,随着入射能的递增,岩石在加载破坏试验中先后会经历“吸收能量–释放能量–吸收能量”3个阶段。这3个阶段可以较好的解释高应力下岩石的动态强度递增、岩爆发生和诱导致裂三者之间的互相转化机制,对深部岩石工程的实践可以提供理论上的指导。