岩爆硬岩应力松弛特性试验研究

针对硬岩应力松弛特性及监测研究的不足,基于全过程超声波监测,开展了具有岩爆倾向性的辉长岩试样单轴压缩峰前应力松弛试验,得出了硬岩峰前应力松弛特性和超声波波形规律,建立了应力松弛模型,定义了应力松弛能量耗散率指标,探讨了应力松弛过程的能量储耗,得出了基于应力松弛试验的岩石均质度的确定方法。结果表明,硬岩应力松弛过程经历了迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段,应力松弛度非常低;Burgers模型能较好的反映硬岩的应力松弛特性,可用于实际工程长期稳定性分析中;在加载应力水平为其单轴抗压强度的70%以内时,其应力松弛过程的波速未发生变化,首波波幅均在11～12mV之间起伏波动变化,可结合超声波监测揭示其应力松弛过程中的变形损伤演化进程,研究成果对硬岩长期稳定性分析、预测及岩爆监测预警具有很好的指导和借鉴意义。     

基于扰动和层间作用的硬岩层爆演化及预测

针对工程岩体层爆研究的不足,根据现场及室内试验硬岩层爆现象,分析硬岩层爆演化,建立层爆演化模型,定义爆裂松脱力,考虑工程扰动和层间关系,结合巷(隧)道开挖前后岩爆层演化,针对演化进程分别建立层爆预测模型,确定层爆发生的必要条件和充要条件。结果表明：理论分析结果与现场实际情况基本一致,给出的预测模型和层爆发生条件是合理和适用的;考虑卸荷致拉、工程扰动和层间关系,得出层爆演化过程爆裂松脱力计算式,层爆第1层可认为是岩爆关键层,控制关键层是控制连锁性层爆的关键,应该把强化和加固关键层作为岩爆控制重点;根据能量演化情况,得出工程岩体发生层爆的层数计算式,在同等情况下,岩爆倾向性硬岩更易诱发层爆并产生更多的层数;得出工程岩体围岩发生层爆的临界载荷、最小值及临界厚长比,随着厚长比的减小,临界应力降幅明显,随着垂直应力减小,临界厚长比减小;考虑工程扰动和层间关系情况下,层爆更易发生,层爆范围也更大,也更符合实际;提出层爆控制的关键层理论,通过施工高密度预应力短锚杆,构建锚杆组合梁,形成由锚固区深度决定的新的关键层,将有效降低层爆发生概率及层数,控制层爆的发生。     

硬岩树脂锚杆锚固体岩爆破裂演化试验研究

针对岩爆巷(隧)道树脂锚杆锚固机制研究的不足,利用真三轴加卸载试验系统,开展了两种加载模式下的具有岩爆倾向性的树脂锚杆锚固硬岩试样在一侧约束情况下的双轴压缩试验。分析和探讨了树脂锚杆锚固体岩爆破裂演化及锚固控制。结果表明,在逐级连续加载模式下,锚固体试样产生了小幅度应力降,没有垫板约束的部分可见明显裂纹并呈现层裂现象,观察锚固体内部断面发现锚固体本身基本完好;在逐级断续加载模式下,试样发生整体成层爆裂,小直径锚杆发生断裂,随着锚杆直径的增大,锚固体在控制层爆方面的效果越明显,可用岩爆控制的锚杆组合梁理论来解释其锚固机理;锚固体呈现出比较小的应力松弛现象,是试样内部能量传递、吸收和耗散变化调整的结果,在加载后期一旦应力松弛过程存在非弹性变形极易诱发岩爆;两种加载模式下树脂锚杆锚固体破裂演化不同,原因在于锚杆锚固体内部能量传递和吸收的程度不同。     

岩爆的超声波监测及预测预报方法试验研究

针对岩爆监测研究的不足,开展了完整硬岩岩爆单轴压缩试验及全过程超声波监测,分析了完整硬岩岩爆破坏特征及超声波前兆规律,探讨了完整硬岩岩爆的预测预报。结果表明:对于完整硬岩岩爆,当加载载荷达到其峰值强度便产生噼啪声响,随之发生爆裂,通过分析碎片,发现试样靠近外部区域劈裂现象明显,越靠近试样内部其破裂面的粉化程度越严重,剪切现象越明显,是源于内部被约束程度的增加导致的强烈摩擦作用和高耗能的结果;通过对完整硬岩岩爆全过程超声波监测,发现波速由平稳不变发展到波动状态、首波波幅由微小的起伏波动发展到较大的起伏波动、衰减系数从增加转为下降均可作为岩爆发生的前兆;首波波幅由总体上减小转为明显增加也可作为岩爆发生的前兆,首波波幅由一直减小发展到微小起伏波动可作为岩爆发生的前兆;硬岩超声波频谱图可反映硬岩试样在载荷作用下其内部由变形发展到产生损伤再到破裂随即岩爆的过程。     

基于压电陶瓷和DIC的软硬互层岩石内外损伤试验及模型研究北大核心

为探究软硬互层岩石在破坏后的损伤演化规律,利用相似模型理论制作3组类岩石试块(软岩、互层岩石、硬岩),在对类岩石试块进行单轴压缩的同时辅以压电陶瓷试验和数字图像相关技术(digital image correlation,以下简称DIC)来实时检测岩石的内外损伤,分析其破坏状态和损伤演化规律。试验结果表明:软硬互层岩石的强度、变形特性介于类软岩、类硬岩之间,在达到峰值点前其力学规律类似于软岩有一定的膨胀变形,而在破坏后其力学特性为接近硬岩的脆性破坏;将压电陶瓷时域信号和DIC应变图像与岩石从加载至破坏的过程相结合,发现各类岩石呈现初始平缓、中期加速、末期减缓的“S”形损伤演化规律;压电陶瓷时域信号的衰减幅度与岩石损伤中前期过程正相关,而DIC图像应变变化特征与岩石损伤中后期过程关联密切;软硬互层岩石损伤中前期过程主要是软岩部分的变形及硬岩部分少量的裂纹发育导致的损伤累积变化,而后期则主要是硬岩部分微裂纹相互连接贯通导致的损伤累积,最终表现为软岩部分的粉碎、硬岩部分呈现明显的贯通裂纹。结合压电陶瓷与DIC技术的损伤监测特点,基于尖点突变理论量化岩石损伤曲线中的突变区间和突变交点,以突变交点为岩石内外损伤的分段点,提出内外损伤结合的岩石本构模型。     

岩爆分类与预测分析

在分析前人岩爆分类的基础上,根据岩爆发生时岩体的破坏形式将岩爆分为松弛型和爆脱型,从岩爆烈度来看,前者属于轻微、中等岩爆,后者应归于强烈或极强等级.另外根据应力状态还可将岩爆分为构造应力型、垂直应力型和混合应力型.通过齐热哈塔尔引水隧洞施工支洞施工过程中的岩爆现象进行验证与对比,认为该分类方案有较好的实用性.在分析总结已发生岩爆的基础上,对引水隧洞的主洞进行了预测.提出在断层带和节理裂隙密集带发生的岩爆有可能会使断层带内物质和节理较发育岩体发生结构性失稳,从而造成较大规模的破坏.因此,在较大规模的断层带的下盘或者节理较发育的岩体两侧发生岩爆的可能性较大时,需要对断层带和节理较发育的岩体进行预处理,并且应区分岩爆破坏和岩爆诱发大规模破坏的特征,依此提出处理方案.     

真三轴压缩下硬岩破裂过程超声波演化特征

为研究真三向应力下硬岩破裂过程3个主应力方向超声波波速变化规律及其与岩石破裂的关系,对云南砂岩开展了一系列真三轴试验,获得了砂岩破裂过程中3个主应力方向的波速变化特征,发现了3个方向波速具有明显差异,主要表现在三个方面:最大波速、波速初始下降时的σ₁和峰后波速变化特征。波速分析表明,最小主应力方向波速最能够反映岩石破裂过程。将基于最小主应力方向波速计算的损伤变量与裂纹体应变进行了对比分析,发现损伤变量能较好地反映岩石破裂演化过程。为了更好地描述岩石破裂演化过程,用Power函数拟合了岩石破裂增长阶段损伤变量的演化曲线,建立了多阶段破裂演化方程。试验数据拟合结果表明,该方程与试验数据拟合良好。     

煤体爆破损伤断裂过程与机理研究

设计模拟了煤体爆破损伤断裂试验,对模拟煤体中的超声波波速、应变和裂纹扩展速度进行测试,综合试验结果和损伤断裂力学理论揭示了煤体爆破损伤断裂过程与机理。煤体爆破损伤断裂过程可分为快速发展、稳态发展和缓慢发展3个阶段,首先是爆炸应力波引起并促进径向裂纹快速扩展,随后是爆生气体和远场应力共同作用驱动裂纹稳态扩展,最后是爆生气体与瓦斯气体准静态应力场和远场应力共同作用促使裂纹缓慢扩展,该阶段是煤体爆破损伤断裂的主要阶段。瓦斯对煤体爆破损伤断裂全过程均有积极作用,但主要体现在缓慢损伤断裂阶段。     

试论深井硬岩矿山岩爆巷道支护

本文总结了国外深井硬岩矿山岩爆巷道支护的概况、岩爆引起的巷道破坏形式 ,论述了岩爆巷道支护的一般原理、支护单元的特点及支护应考虑的因素。最后 ,根据我国深井开采的实际 ,指出了我国深井硬岩矿山岩爆支护研究的方向。     

页岩渗流-损伤演化特征试验研究

页岩属于低渗致密岩石,页岩储层渗透性是页岩气开采过程中的关键问题,基于岩石力学三轴渗透性试验,研究黔北下寒武统牛蹄塘组页岩渗流-损伤演化过程的特征。试验结果表明:页岩渗透率的变化与损伤作用与应力状态有着很强的关联性,页岩损伤演化过程存在不同阶段性特点,损伤主要发生在弹塑性变形阶段与在应变软化阶段;页岩渗透率演化落后于页岩损伤破坏演化过程;中等围压条件下试样出现局部变形带压缩带,造成页岩渗透率有一定程度的减小,压缩带是造成了页岩渗透率演化过程落后于页岩损伤破坏演化过程的原因。     

虹梯关隧道围岩岩爆分析

虹梯关隧道隧址围岩以硬质岩为主,该隧道属特长深埋隧道,其附近地质构造也十分发育,工程地质条件复杂,发生岩爆可能性很大。通过对岩爆影响因素的分析,采用水压致裂法地应力测试,经陶振宇判别法、切应力准则等应力判断方法,认为虹梯关隧道隧址部分地段可能会发生轻微～中等岩爆。     

岩爆倾向性巷（隧）道围岩破裂的试验研究

针对硬岩岩爆问题,研制岩爆倾向性材料和断面围岩成形和卸荷的一体化装置,同时为得到因钻爆法或TBM施工造成的围岩损伤对岩爆破裂的影响,在围岩左侧帮预制与临空面平行的非贯通裂隙,制作物理模型,对具有岩爆倾向性的方形巷（隧）道围岩破裂模式进行物理模拟试验。通过数值试验,对比分析含裂隙（损伤）围岩与完整围岩破裂演化的特点。结果...     

深部巷(隧)道围岩的劈裂岩爆试验研究

围岩浅部发生的爆裂松脱、片状剥落、有声响、岩片弹射等岩爆现象,多属于劈裂破坏机制.针对硬脆完整围岩浅部的劈裂岩爆现象,采用辉长岩试样,进行真三轴加卸载试验,真实模拟实际围岩的应力演化并且实现了小主应力方向的单面卸载.为便于对比分析,同时进行了双轴压缩试验,最后根据试验结果分析了卸荷劈裂岩爆机理.两种试验方法均得到了不同程度的劈裂岩爆现象,但卸荷岩样发生劈裂岩爆所需的大主应力比双轴压缩试验下的要小很多;两者的劈裂岩爆范围不同,卸荷劈裂岩爆均产生在卸荷面附近区域,这与实际的岩爆情况一致;中间主应力对围岩发生劈裂及劈裂程度起重要作用;研究结果为分析劈裂岩爆发生条件和劈裂岩爆机理以及工程预测预报提供依据.     

岩爆孕育发生过程中的微震活动规律研究

为提高采用微震监测技术预报岩爆的准确率,基于最小耗能原理,通过理论分析,花岗岩室内试验和数值分析等方法,揭示了岩爆的孕育发生机理,提出了岩爆发生的准则,建立了岩爆的孕育发生过程的本构方程,探讨了由声发射频次确定的损伤演化曲线与岩爆的损伤演化曲线之间的关系,揭示了应力、能量积累转移与微震活动空间分布规律之间的内在联系.研究结果表明:岩爆的孕育过程是以损伤耗散为主的储能过程,发生过程是以塑性耗散和弹性能释放为主的能量释放过程;同时满足裂纹扩展完成准则和极限储能准则时发生岩爆;由声发射频次确定的损伤演化曲线与岩爆的损伤演化曲线有很好的一致性;通过监测微震活动空间分布规律可揭示岩爆孕育发生过程中应力和能量分布情况,为建立岩爆预报模型提供依据.     

单轴压缩岩石相似材料损伤特性及时空演化规律

为了研究岩石相似材料的损伤特性和损伤时空演化规律,利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及PCIE-8型声发射(AE)监测系统,监测了岩石相似材料试样在单轴压缩过程中的应力应变变化和AE事件活动,建立了基于AE事件累计数的单轴压缩岩石相似材料损伤模型,进一步分析了岩石相似材料在单轴压缩过程中的损伤发展阶段,研究了单轴压缩下岩石相似材料的损伤时空演化过程。结果表明：岩石相似材料试样在单轴压缩过程中,AE事件活动大致经历了初始压密少量段、弹性变形稳定增长段、塑性变形和破坏剧烈增长段3个阶段;损伤过程可分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段;损伤时空演化过程较好地反映了损伤特性,以1号试样为例：损伤由试样底部开始发展集中,而后中部和上部出现损伤并向底部和顶部稳定发展,随后中部和上部损伤迅速增多并与底部损伤区连通,最终试样发生破坏。研究成果可为相似材料模型损伤演化规律的研究提供一定的参考。     

煤体爆破作用机理模拟试验研究

为进一步改善煤体爆破效果,在岩石爆破理论基础上分析了煤体爆破作用特点与原理,确定了煤体爆破损伤断裂准则。试验结果表明：煤体中爆炸应力波一般包含两段波形,爆炸应力波的衰减速度较一般岩石更快,爆炸应力波的主要作用是形成少量新裂隙、激活原生裂隙并打破瓦斯气体的平衡状态;煤体爆破损伤包含爆炸波作用的初始阶段和爆生气体与瓦斯气体作用的后期阶段,在近区,爆破损伤以爆炸波的衰减速度迅速减小;中远区在准静态爆生气体和瓦斯气体压力作用下爆破损伤缓慢减小。LS-DYNA数值模拟结果表明,瓦斯对煤体爆破具有积极作用,瓦斯压力可以增大应力波作用时间和应力峰值。煤体爆破是爆炸应力波、爆生气体和瓦斯气体共同作用的结果。     

考虑残余应力的砂岩损伤理论模型

采用自行研制的重力恒载蠕变渗流实验系统开展了砂岩恒定围压下的循环加载试验,得到不同围压下砂岩的应力应变过程。考虑岩样加载过程中的非线性变形特性,假定了轴向应力是轴向应变和球形应力函数;利用热力学基本原理,分析岩样损伤演化过程中能量耗散及转化关系;将受载岩样应力分为有效弹性部分和损伤部分,弹性部分受载损伤演化,损伤部分最终演化为残余应力;基于损伤力学基本原理,理论推导建立了三轴压缩情况下考虑残余应力的砂岩损伤本构关系,并对理论模型进行实验验证。研究结果表明所建立的损伤本构模型能很好地反映岩石受载损伤全应力应变过程,也能反映出围压对岩石损伤能量耗散的影响规律,随着围压的增大,砂岩需要损伤演化消耗的机械能也越大。     

瓦斯气体在煤体爆破损伤断裂过程中的作用机理研究

利用试验结果、数值计算结果和理论分析结果综合分析了瓦斯气体在煤体爆破损伤断裂过程中的作用机理。煤体爆破损伤断裂过程包括爆炸应力波作用的初始阶段和爆生气体与瓦斯气体共同作用的后期阶段,瓦斯气体在整个过程中具有积极作用,它能增大爆破损伤程度和爆破裂纹扩展速度。在爆炸应力波作用阶段,瓦斯气体的存在能增大应力波峰值和作用时间,降低拉伸相内应力波衰减速度;在爆生气体作用阶段,瓦斯气体参与爆生气体驱动裂纹扩展,随后瓦斯压力场与爆生气体准静态应力场叠加促进爆生气体驱动裂纹的进一步扩展。     

循环加载下冲击倾向性煤能量耗散与损伤演化研究

为研究强冲击倾向性煤在多级循环加载条件下的能量耗散特征及损伤演化过程,在实验室开展了陕西某矿煤样的多级循环加载试验,试验研究结果表明:在多级应力循环下煤样的耗散能先迅速降低,后缓慢增加,当循环上限应力达到63%破坏载荷时,耗散能开始急剧增加;而能量耗散率先迅速降低,后逐渐稳定;煤样加卸载阶段弹性模量均有增大趋势,加载阶段弹性模量先迅速增大,后缓慢增加,而卸载阶段弹性模量变化较为平稳。采用累积耗散能定义循环加载中试件的损伤变量,并建立煤样损伤演化方程,通过试验和数值计算测定各个参数。理论和试验研究表明,基于能量耗散分析建立的冲击倾向性煤损伤演化方程能够较好反映煤样的损伤演化过程。     

真三轴单面临空花岗岩岩爆自组织临界特征研究

为探究不同应力状态下花岗岩岩爆失稳特征,开展真三轴单面临空岩爆试验,结合声发射监测系统,根据自组织临界理论,分析岩爆过程应力变化及声发射能量序列的时间属性和定位信息的空间属性。试验结果表明:将岩爆自组织过程分解为时间线与空间线,最大程度地实现了岩爆自组织过程的可视化及岩体状态的量化,且能量时域性通过了幂律特征的验证,具有较强自相似性;岩爆孕育过程第二阶段的临界指数相对第一阶段较大,说明岩爆发生的概率随着自组织演化加剧;岩爆自组织行为存在中间主应力效应,随着中间主应力增大对岩石破裂限制作用增强,临界点出现越晚,临界指数越大,同时高中间主应力下亚临界点至临界点的平静期较长,自组织行为较弱,易诱发突发性强、破坏性大的岩爆灾变,预测难度增加。本研究结果为精确预测岩石岩爆提供了更为前沿、完善的思路。