大规模开采矿山地震视应力和变形与区域性危险地震预测

 大规模开采的矿山存在复杂的诱导地震活动,在高应力硬岩条件下具有产生区域性危险地震和岩爆灾害的可能性,震源的地震视应力和变形参数是地震机制和地震活动性预测研究的重要参数,对此开展研究具有重要意义。针对冬瓜山铜矿深井开采诱导地震活动,对地震视应力和位移在矿区开采过程中的时空特征开展研究,发现地震活动具有区域性分布特征,其时空分布与开采活动及矿区矿柱分布具有较强的对应关系。以此为依据,结合矿区地质构造和地应力状态,研究该矿区区域性地震机制,指出可以利用天然地震复杂震源的凹凸体理论来解释该矿区区域性地震成核机制,从而提出该矿区区域性危险性地震成核概念模型,并针对该矿地震活动的特征讨论识别成核区的方法。针对该矿区域性岩体破坏实例,分析地震视应力和变形参数时间序列特征,讨论潜在区域性地震成核区的地震活动危险性和岩体破坏性态的评价与预测。研究结果在工程实践中得到实际应用。     

岩石的声发射对比试验研究

通过单轴压缩条件下四种岩石的声发射的对比研究,分析了不同岩石破坏的声发射机理和规律。研究表明,岩石的声发射特性主要取决于岩石本身,且岩石的声发射事件率与其能量率规律并不完全一致。     

冬瓜山铜矿深部硬岩SHPB动态巴西劈裂试验

利用中南大学SHPB试验系统,结合高速摄影技术,对冬瓜山铜矿深部采集的矽卡岩进行了动态巴西劈裂试验,分析并验证了影响试验结果的因素。运用Flac3D数值模拟软件分析了动载荷下试样内部的应力分布,验证了试验的有效性。试验研究了矽卡岩在动态劈裂下的应变率和破坏强度、破坏应变之间的相互影响规律。试验结果表明,应变率对试样抗拉强度的影响较为显著,岩石试样的劈裂强度体现出一定的率相关性,动态抗拉强度随着应变率的增加而增大。结合高速摄影分析了试样内部裂隙萌生、发展规律,随着应变率的增加,试样的破坏应变也随之增加。试验结果对预测和防治深部岩体工程灾害和解释深部岩石力学基本特征提供参考依据。     

基于应变率损伤本构模型的围岩分区破裂化现象数值模拟

为了探究深部巷道围岩的分区破裂化现象,利用ANSYS/LS-DYNA软件数值模拟,使用Cowper-Symonds本构模型结合GISSMO模型,将巷道的开挖视为动力过程。从岩石的细观角度出发,考虑岩石的应变率效应以及损伤对岩石的力学性质的影响,构建应变率损伤本构模型。同时结合应力三轴度,以更全面地描述岩石在各种应力条件下的力学特性,并基于最大应变和最大拉应力准则建立单元破坏准则。对岩石进行单轴压缩数值、掘进开挖法模拟及实际观测的结果表明:岩石单轴压缩全应力-应变曲线拟合效果较好;掘进开挖速率对分区破裂化现象有影响;掘进开挖法的分区破裂化模拟结果与实际观测数据具有一定的一致性。提出的模型对于围岩分区破裂化现场的模拟及预测有一定的参考意义。     

SHPB动态巴西劈裂裂纹起裂及扩展研究

利用中南大学SHPB试验系统,对冬瓜山铜矿深部采集的大理岩进行了动态劈裂实验。结合高速摄影技术和在试样上粘贴一系列的应变片开展动态劈裂时试样裂纹起裂及扩展研究。结果显示,高速摄影可以清晰地看出试样的破坏全过程,简便直观。应变片可以记录加载直径上各点的应变时程曲线,从应变曲线上可以看出,试样的破坏并不一定从中心开始,当试样存在损伤或是弱面时,可能从损伤的部分开始起裂。裂纹扩展的速率大约是其P波波速的一半左右。高速摄影可以清楚地看出试样的整个破坏过程,但是成本较高,不能直接得到加载直径上各点的应变历程和破坏时间。在试样上粘贴一系列的应变片简单易行,成本较低,而且可以捕捉试样上各点的应变历程和破坏时间。     

基于颗粒流的矽卡岩静态加载速率效应研究

采用颗粒流离散元软件PFC2D,通过Fish语言编写程序,模拟了矽卡岩岩样3级不同加载速率下的室内单轴压缩试验,并分析了其静态加载速率效应。模拟结果表明:模拟得到的岩样破裂形态、应力-应变曲线、峰值强度变化等与试验结果较为吻合;加载速率增大,峰值强度及其对应的应变增大,且在10-2数量级内增幅明显,峰后变形能力减弱,弹性模量、泊松比基本不变;加载速率增大,临界扩容应力和扩容点对应应变增大,扩容曲线软化段都很平缓,体积膨胀急剧;岩样主要破坏形态为剪切破坏,且随着加载速率增加,由单一剪切破裂过渡到共轭剪切破裂,更易形成锥形破坏。研究结果可为相关岩体的室内试验及岩土工程的稳定性评价提供参考。     

用于分析岩爆倾向性的剩余能量指数

通过分析岩石变形破坏过程中的能量变化，提出以岩石在峰值强度前储存的弹性应变能和峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之差（即剩余能量）与峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之比作为剩余能量指数，以反映岩石在峰值强度后区的动态特性；推导了剩余能量指数计算公式，并给出了其试验测定方法。此外，分析了将剩余能量指数作为岩爆倾向性指标的合理性，并采用铜陵有色金属冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行了峰值前的循环加，卸载试验和变形破坏全过程试验，结合该矿床实际岩爆资料，对剩余能量指数与现有基于能量理论的岩爆倾向性指标进行分析，结果表明该指标能够较好地反映岩石的岩爆倾向性。     

一种新的岩爆倾向性指标

从岩石的变形和破坏过程中的能量储存和能量耗散出发，指出岩石的单轴抗压强度与单轴抗拉强度之比值可以表征结构较完整岩石的弹性变形能的储存能力以及峰值前后的应变量之比值可以表征岩石的能量储存与耗散之间的相对大小，提出用这两种比值的乘积作为岩爆倾向性指标。采用铜陵有色金属公司冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行试验，对这种新的岩爆倾向性指标与现有的岩爆倾向性指标进行对比分析，结合该矿床实际的岩爆调查，说明新指标可以较好地表征岩石的岩爆倾向性，并提出了这种新指标判据的初步建议。