流-固耦合相似材料的研究

结合山东三山岛海下金矿的地质力学模型试验, 在借鉴了大量固相模型材料研究的基础上, 研制了流-固两相模型材料, 较好地解决了固体模型材料遇水容易崩解的问题。通过对相似材料进行试验, 重点研究了材料中不同骨料配比、骨料与胶结物的配比以及胶结物中胶结材料的配比等因素对试块强度的影响规律。通过调整材料配比可得到参数变化幅度较大的模型材料, 从而可用来更广泛地模拟不同的岩体材料。这些研究成果为岩石力学相似模型试验提供了参考。     

渗透水压作用下类岩石材料张开型裂纹启裂特性研究

 在探讨渗透水压和远场应力共同作用下张开型裂纹的启裂规律及裂纹尖端应力强度因子的演化规律的基础上,建立压剪应力场和渗流场共同作用下含预置裂纹类岩石材料的损伤断裂力学模型和裂纹尖端应力强度因子演化方程,提出运用裂纹尖端应力强度因子作为判断压剪岩石裂纹的启裂准则。研究结果表明：张开型裂纹尖端应力强度因子受围压、渗透水压力、裂纹尖端曲率半径以及裂纹倾角等因素的影响;裂纹启裂角随预制裂纹角度的变化不大,其值约为70.5°;裂纹启裂强度与渗透水压力、裂纹长度、裂纹尖端曲率半径成反比,与围压的大小成正比,此外还与裂纹倾角有关。算例验证表明,运用不同的断裂判断准则均可得出岩石裂纹初裂强度随渗透水压力的增大而呈减小的趋势。且进一步的试验也验证了启裂强度与渗透水压成反比而与围压成正比;当裂隙角度为30°时裂纹启裂强度最大,60°次之,45°最小。提高渗透水压可显著降低张开型裂纹的启裂强度,这一结果可为深部高应力岩体诱导破裂提供新的思路。     

滨海大型金矿床取消矿柱及房柱交替采矿的新工艺

针对三山岛金矿条件,研究了深部开采取消点柱的工艺技术。首先,调查测试了矿岩物理力学参数,并对矿岩质量进行了分级。其次,在详细分析上下盘及矿体的物理力学特性的基础上,对三山岛金矿深部开采取消矿柱进行了有限元数值模拟,研究得出-555m水平以下矿体的开采可全面取消矿柱。最后,结合矿床条件,提出了房柱交替式盘区上向分层充填采矿新工艺。工业试验结果显示,该新工艺大幅度提高了单位面积开采强度,对岩层扰动小,盘区生产能力大,矿石损失贫化小,获得了显著的经济效益。此外,对三山岛金矿由于深部开采而导致的地表沉降利用ANSYS软件进行分析,同时对岩层变形进行了监测。结果表明,三山岛金矿深部开采取消矿柱和采用房柱交替采矿新工艺后能够有效控制岩层变形,从而可实现滨海大型金矿床安全高效低贫损开采。     

围压卸载下高应力岩石动力扰动的破坏特性(英文)

利用改造后的动?静组合加载SHPB装置,系统研究砂岩预先经三维加载再围压卸载的动?静组合加载的破坏特性。结果表明:采用动?静组合加载,当动载荷较大时,试样整体失稳,应力—应变曲线为典型的I型曲线;随着动载荷的减小,应力—应变曲线逐渐向II型曲线转变,即向岩爆曲线过渡,揭示了高应力下动力扰动诱发岩爆,释放弹性储能的现象。使用高速摄像仪拍摄试样破坏过程,直观反映试样的动态破坏过程。剥落碎片的断口表面形貌特征分析显示,用较低能量冲击时,试样受到张剪性破坏和膨胀性破坏的共同作用;当用较高能量冲击时,试样以膨胀破坏为主。碎块分形结果表明,采用高应力动?静组合加载,当用小能量冲击时,引发弹性储能释放能提高试样的破碎程度。     

水下开采顶板突水相似物理模型试验研究

针对山东三山岛海下金矿复杂的地质条件,根据相似理论建立其地质力学模型,采用固体石蜡和液体石蜡混合物作胶凝剂配置相似材料,基于开发的深部开采承压突水机制相似物理模型试验系统对其水下开采过程进行相似模拟.应用PCI-2声发射仪对实验过程进行声发射监测,对全过程模型开挖裂隙发展进行定位分析.结果表明:开挖至隔离层厚度为100mm时形成突水,并且在试验过程中,运用体式显微镜可以监测到顶板细观裂缝图,采用细观测量分析软件可测得裂缝平均裂缝宽度为0.08mm,上部裂缝水平倾角为32.26°.通过对水下矿山开采扰动过程中的位移变形进行统计分析、对微裂隙发展进行观测,可以较全面的掌握水下开采过程中采场顶板裂隙渗流诱发突水的机理.