稳定性动力准则的圆形洞室岩爆分析

本文根据一般稳定性理论,提出了洞室岩爆发生的扰动响应判别准则,得到了发生岩爆的洞室临界塑性区深度及临界作用应力。认为洞室失稳是其本身结构固有的性质,只要外界应力达到临界值,洞室就可能在扰动下失稳,并指出岩石弹性模量E和峰值后降模量λ之比E/λ是决定洞室稳定性的重要参数。     

考虑损伤的圆形洞室岩爆分析

 假设岩石在峰值强度前无损伤, 峰值强度后为线性损伤, 根据Lemaitre 的应变等效原理, 严格地导出圆形洞室发生岩爆的解析解, 给出了洞室发生岩爆的临界载荷及临界损伤区大小, 研究了升降模量比E/λ对岩爆的影响。     

不同侧压系数的深埋洞室岩爆破坏特征研究

为了探讨深埋地下洞室在岩体自重应力作用下的岩爆破坏特征,采用自主研制的岩爆模型试验装置进行了室内模型试验,分析了洞室岩爆的宏观破坏现象及围岩的应变特征;在此基础上通过数值计算方法模拟分析了不同侧压系数对深埋洞室岩爆破坏过程及破坏区域的影响。研究结果表明:洞室围岩在加载过程中的变形规律基本呈对称状态,侧压系数λ为1/3模型试验,洞室侧壁部位是发生岩爆破坏的主要区域,其破坏范围约为20%的洞室直径,模型试验的宏观破坏范围与数值计算的破坏区域及影响范围基本一致;当侧压系数λ发生改变,深埋洞室发生岩爆破坏时的荷载和区域也随之变化,洞室发生破坏时的临界荷载随λ的增加而增大;当λ为1/3和1/2时,破坏区域主要集中于洞室两侧壁;当λ为1时,破坏区域集中于洞室顶部,并由洞顶向洞壁扩展。采用物理模型和数值分析相结合的方法,进行不同应力状态下的岩爆破坏特征研究具有一定的可行性。     

地震荷载作用下地下岩体洞室位移特征的影响因素分析

用FLAC3D初步分析了地震荷载作用下埋深、洞室形状、地应力特征对地下岩体洞室位移特征的影响。分析结果表明:地震荷载作用下,地下洞室位移响应随埋深的增加而减小,当地应力侧压系数λ≥1(特别是λ>2时),洞室位移响应存在临界埋深(200～300m),并随地应力侧压系数的增加而减小。洞室断面形状对洞室位移响应有一定影响,圆形断面洞室拱顶和拱底位移较矩形和马蹄形小。分析结果还表明,随地应力侧压系数的增加洞室位移明显减小,幅度随埋深的增加有减小趋势,地应力侧压系数λ<1时的洞室位移量值及随侧压系数的变化幅度明显大于地应力侧压系数λ>1时的情况。本文的工作可为工程设计提供一些概念性指导。     

幕墙杆索结构的稳定性研究

阐述幕墙杆索结构的稳定性计算方法,列出杆索结构中平衡杆失稳的屈曲微分方程,通过实验研究提出稳定性丧失的新判据,并引入修正系数,改进压杆失稳的临界应力计算公式,实验结果证明该法是切实有效的。     

地下硐室岩爆的相似材料模拟试验研究

提出了模拟岩爆的新的相似系数Ｅ／λ。指出不同Ｅ／λ的材料，可模拟不同类型、不同震级的岩爆。研制出了模拟岩爆的系列脆性破坏材料，可应用于不同模拟比例、不同类型和不同震级的岩爆模拟试验。对圆形硐室的岩爆进行了模拟试验研究，证明所研制的相似材料可行，试验还证明存在岩爆发生的临界荷载，并验证了理论分析的结果     

岩爆应力状态研究

通过地下洞室围岩的应力状态分析和真三轴压缩试验,研究了岩爆应力及其在围岩中的极限深度问题。研究结果表明,片状劈裂岩爆是在双轴压缩应力状态作用下在洞壁面上产生;剪切错动型岩爆是在真三轴应力状态下在围岩内部产生;围岩内部存在着生产岩爆的极限深度区,极限深度的深浅取决于应力场中的垂直和水平主应力的比值大小。     

动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的数值模拟

处于深部的岩体内部积累了大量的弹性应变能，在外部动力扰动下这些能量以非常猛烈的方式释放，从而导致岩爆的发生。模拟不同侧压力系数条件下动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的整个过程，并揭示动态扰动触发巷道岩爆的力学机制。数值模拟结果表明，动态扰动对巷道变形与破裂的触发与地应力状态密切相关；动态扰动应力波的波形也是影响巷道破裂的重要因素，随着应力波幅值和应力波作用时间的加长，动态扰动给巷道稳定性带来的影响越大。因此，对动态扰动触发巷道破坏的研究具有非常重要的理论价值和现实意义。     

卡姆奇克隧道岩爆的力学机制及主动防控技术

以中亚第一长隧——乌兹别克斯坦卡姆奇克隧道为依托,在隧址区地应力特点、岩爆过程及特点综合分析的基础上,建立岩爆发生的力学模型,并在此基础上提出了主动控制岩爆的超前支护技术。研究表明:卡姆奇克隧道岩爆主要发生在拱顶附近,这主要是由于隧址区地应力最大主应力为水平方向且与隧道轴线接近垂直,隧道开挖后拱顶的切向应力最大的受力特点决定的;岩爆发生过程可分为拱顶围岩劈裂成板、岩板脆性断裂成块和块片弹射3个阶段;岩爆力学模型可简化为拱顶层状薄板在水平力作用下的脆性断裂失稳,岩板脆性断裂失稳的临界水平应力scr与岩板无支承长度L的平方成反比、与岩板厚度t的平方成正比,该力学模型可很好地解释卡姆奇克隧道岩爆的发生特点及主要表现特征。在此基础上,研发了一种通过减少拱顶岩板无支承长度、提高岩板厚度,从而提高岩板脆性断裂失稳临界应力,进而主动防止和减弱岩爆的超前支护技术,并在卡姆奇克隧道得到了广泛使用,取得了很好的岩爆防治效果。     

深部硬岩矿山岩爆的动静组合加载力学机制与动力判据

深部开采是硬岩矿山未来发展的必由之路。深部开采中经常遭遇的岩爆灾害是硬岩矿山未来发展过程中必须要解决的关键科学问题之一。针对岩爆机制这一世界性科学难题,从深部围岩储能特性、高应力赋存环境和开采受力全路径进行科学分析,发现其本质上属于硬岩介质承受"静应力+动力扰动"的动静组合加载力学问题。根据这一思路,在广泛收集国内外典型岩爆案例的基础上,分析了孕育岩爆的"完整弹脆性岩体+高地应力+动力扰动"等必要条件,进一步阐述了深部硬岩矿山岩爆的动静组合力学机制和最近的研究进展。具体研究中,利用硬岩材料,一方面从"静应力+卸载扰动"和"静应力+加载扰动"这2个方面研究了岩爆的力学机制,另一方面在考虑深部工程开挖空间结构效应的基础上,从"静应力+应力调整"和"静应力+动力扰动"这2个方面考察了深部圆形洞室洞壁围岩发生应变型岩爆的破坏特性,分别阐明了不同类型的动静组合加载力学机制。在此基础上,提出了基于动静能量指数的岩爆动力判据和控制思路,岩爆发生的静力和动力组合作用加载的深入研究,为岩爆机制探索提供了新思路和新方法。     

静荷载理论在岩爆研究中的局限性及岩爆岩石动力学机理的初步分析

对围岩切应力与单轴抗压强度的比值、岩爆事件的空间分布、TBM掘进隧道的围岩稳定及超深井井壁稳定等问题的分析表明，静荷载理论在岩爆研究中的局限性是明显的。对于钻爆法开挖的硬岩隧道，岩爆应该是处于非均匀应力状态的围岩在爆炸加载波、卸载应力波及岩爆应力波多次扰动的情况下，裂纹发生大规模瞬时动力扩展的结果，这可以概括为岩爆的岩石动力学机理。卸载扰动在已开挖围岩表面附近将产生P波、S波和Rayleigh波，对围岩扰动最大的是P波和Rayleigh波。P波和Rayleigh波的性质、分布及衰减规律可以较好地解释地应力量级对岩爆的控制及岩爆事件的空间分布等。     

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。     

低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程的真三轴试验研究

 利用自主研发的真三轴岩爆试验系统,以中粗晶粒花岗岩为岩石试样,在实现低频周期扰动荷载与静载联合作用下岩爆过程模拟的前提下,研究不同荷载影响因素对岩爆的影响。研究结果表明：在其他荷载参数固定的条件下,在轴向低频周期动力扰动荷载作用下,轴向静应力、第三主应力和扰动荷载幅值均存在岩爆方面的门槛值,当达到或超过门槛值时,试样发生岩爆的可能性急剧增大,此时这3个影响因素的小幅变化可导致岩爆弹射动能与岩爆碎块破碎程度的显著变化;在其他荷载参数固定的条件下,在0～3 Hz频率范围内,随着扰动荷载频率的增加,岩爆弹射动能呈先增大后减小的变化规律;静载作用下试样积聚足够大的弹性能和扰动荷载持续输入足够大小和合适速率的能量是此类岩爆发生的能量条件;试样弹性应变能小幅度突增且弹性应变能极限存储能力快速下降的“双向背离效应”是此类岩爆发生的能量机制。     

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。     

Rockburst response in hard rock owing to excavation unloading of twin tunnels at great depth

This study aims to investigate the rockburst characteristics of hard rock during the successive excavation unloading of twin circular tunnels subjected to high active stresses. The entire evolution process of the rockburst phenomena around the tunnels is reproduced. The numerical results indicate that the unloading rates, burial depths, and presence of structural planes between the twin tunnels play important roles in the occurrence and damage degrees of rockbursts. The failure intensity and dynamic responses are aggregated with the increase of the unloading rate of the subsequent adjacent tunnel. The rockburst damage degree is exacerbated with increasing buried depth, and the rock response of the twin tunnels becomes more sensitive to the dynamic disturbance (as compared to a single tunnel at a great depth). The presence of a structural plane between the twin tunnels has both favourable and unfavourable effects on the stability of the surrounding rock. When the structural plane is parallel to the maximum tangential stress, the dynamic disturbance from the adjacent tunnel can be attenuated by the structural plane or rock joints via reflection and scattering, thus reducing the dynamic response between the twin tunnels. However, for those structural planes oblique to the maximum tangential stress, a violent rockburst is more prone to be induced, owing to the integrated response to shearing and sliding along the structural plane, and slabbing from the excavation unloading process. It is also found that the effect of the structural plane on the rockburst response is largely dependent on the burial depth.

     

煤矿开采冲击地压启动理论

 依据微震监测结果,通过总结分析,指出冲击地压发生过程经历3个阶段,将冲击地压重新分为集中静载荷型和集中动载荷型,建立2种类型的工程结构模型,分析各自冲击启动的能量判据,引进“不确定性系统分析法”,提出统一的煤矿开采冲击地压启动理论。结果表明,采动围岩近场系统内集中静载荷的积聚是冲击启动的内因;可能的冲击启动区为极限平衡区应力峰值最大区;应用冲击启动理论能够揭示2类典型冲击案例冲击过程,并将冲击地压的时间序列与空间序列对应起来,为冲击地压监测与防治提供指导。     

煤体振动方法防治冲击地压的机理研究

 研究了一种新的冲击地压控制方法, 即煤体振动方法的机理。在实验上, 采用分形几何方法, 研究了煤体在受振后裂隙的变化规律, 发现受振后煤体的分形维数增大, 表明煤体的裂隙增加, 且经过一定振动时间后, 分形维数趋于稳定; 研究了振动对煤体力学性质的影响, 发现受振后煤体的抗压强度、弹性模量和降模量降低, 且受振时间越长或初应力水平越高, 振动对煤体力学性质的影响越明显。应用采煤工作面和巷道冲击地压的分析结果, 从理论上证明了煤体受振后煤岩体的稳定性增加。     

孔隙水压力对饱和砂的剪切模量和阻尼比的影响

本文通过动三轴进行饱和砂的液化试验,考察三种砂的剪切模量和阻尼比随孔隙水压力变化的规律。由试验可知:①饱和砂的剪切模量与阻尼比随孔隙水压力的增加而降低;②在一般情况下,剪切模量、阻尼比与孔隙水压力及剪应变幅之间的关系可分别表示为可分离变量的函数:G（u,γ）=f（u）·Gm（γ）及λ（u,γ）=g（u）·λ_m（γ）,对试验所用的三种砂已给出表达式;③在接近液化时,橡皮膜对试验结果有较大的影响,应进行修正。