扰动诱发高应力岩体开挖卸荷围岩失稳机制

地下开挖过程中高应力区域围岩易发生动力破坏,对地下工程施工人员及施工设备构成了重大威胁。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行单面卸荷扰动试验,研究高应力岩体开挖单面卸荷围岩渐进性破坏规律,分析不同初始应力、不同扰动振幅、不同扰动频率静动组合条件下高应力岩体单面卸荷力学、破坏特征。结果表明:①单面瞬时卸荷时,轴向应变存在瞬时回弹-压缩流变现象,轴向应力越大,回弹量越小,压缩量越大;②随着第二主应力的增大,破坏强度呈现一个先升高后降低的一个过程,第二主应力为20 MPa处是破坏强度的转折点;③高应力岩体单面卸荷破坏为拉伸-劈裂-剪切复合破坏,第二主应力对卸荷破坏的最终形态呈现着关键因素,在第二主应力为10 MPa时,试样出现拉伸-劈裂-剪切裂纹,随着第二主应力的增加,试样内部剪切现象逐渐消失,出现的劈裂裂纹增加,在第二主应力为20 MPa时,试样内部基本全部处于劈裂破坏;④动静组合作用下,静载的大小与岩样的强度是决定破坏的主要因素,同等扰动条件下,当静载为破坏强度的80%时,破坏强度为148. 6 MPa,静载为破坏值的90%时,岩样的整体破坏强度为142. 4MPa,静载越大岩体破坏所需的触发能量越小破坏值越低,静载相同时,随着扰动振幅、频率的增加,岩体的破坏强度越低,对高应力岩体开挖卸荷围岩支护理论起到了重要的作用。     

基于实时CT扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律

实时准确掌握岩石破坏全过程中内部裂隙扩展演化规律,对于科学指导地下岩体工程稳定性控制,推动矿山资源安全开采具有重要的工程意义。研制一套能够与CT扫描系统配套的真三轴加载试验设备,位于CT扫描区域的设备部件均采用新型碳纤维材料的设计,包含竖向加载系统、横向加载系统、真三轴压力室等核心部件,使得X射线能够有效通过装置中预先设计的CT扫描区域,实现了真三轴应力环境下实时CT扫描的功能。利用该设备开展了三轴不同应力条件下完整岩石和含裂隙岩石加载实时CT扫描试验,获得了整个加载过程中岩石应力-应变曲线。获取了不同工况下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征,结果发现:与CTT条件下岩石内部裂纹复杂的空间扩展形态相比,TTT条件下岩石内部裂纹空间形态简单,为一沿σ₂方向的平面裂纹。说明了真三轴条件下岩石内部裂隙具有明确的扩展方向(沿σ₂方向扩展)。TTT-c2(含裂隙且沿σ₂方向)和TTT-c3(裂隙沿σ₃方向) 2种工况下岩石内部均出现了4条萌生裂纹,但前者萌生裂纹均与预制裂纹前缘线共面,而且预制裂纹面仍然基本保持完整;后者均与预制裂纹前缘线垂直,呈现横切预制裂隙的趋势,最终形成了复杂的裂隙网络,导致预制裂隙多处出现挤压破坏。真三轴3种工况下所有的裂纹倾角分布极为集中,均与σ₂方向大致平行,表明了中间主应力对岩石内部萌生裂纹扩展方向起到决定性的作用,岩石内部裂隙扩展发育过程强烈依赖中间主应力方向。     

真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体渗流及力学破坏特性

深部开采扰动下“煤体-岩体”复合系统发生整体破坏失稳是导致煤岩瓦斯复合动力灾害发生的主要原因之一。为了研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生机理,采用真三轴气固耦合煤岩渗流试验系统,以人工压制具有过渡界面的复合煤岩体试件为研究对象,进行了5种不同真三轴应力路径下含瓦斯复合煤岩体渗流特性及力学破坏特征试验研究。结果表明,真三轴路径下含瓦斯复合煤岩体强度符合Mogi-Coulomb准则,相比于其他试验路径,真三轴加载路径下试件强度最大,复合加卸载路径下试件强度次之,σ₂、σ₃发生转换时,试件强度显著降低;试件破坏时,真三轴复合加卸载路径下试件渗透率增长倍数最多,真三轴卸载路径次之,真三轴加载路径下试件渗透率增加倍数最少,σ₂、σ₃发生转换时试件渗透率显著增大;此外,复合煤岩体试件破坏特征具有规律性,真三轴加载路径下,σ₁-σ₂平面煤体中出现剪切裂纹,并在煤岩交界面处交汇,真三轴卸载和复合加卸载路径下,σ₁-σ₂平面上裂纹从煤体...     

真三轴应力路径下花岗岩岩爆特征试验研究

为分析高应力条件下开挖卸荷对巷道围岩破坏特征的影响,利用真三轴岩爆试验系统,通过三向六面加载、单面快速卸荷的方法对花岗岩的破坏形态、能量演化特征和声发射基本特征参数进行研究.试验结果表明:岩石破坏过程分为小颗粒弹射、岩板劈裂、板折剥落、块状弹射４个阶段.试样在卸荷面形成“V 形”岩爆坑,内侧出现剪切裂纹,其整体破坏形态在空间分布上呈二元分布;通过对岩爆能量的研究发现,卸荷过程前岩石所吸收的能量主要以可释放的弹性应变储蓄在岩石自身,在卸荷过程后所累积的弹性应变能释放,促进岩石的破碎;声发射 AF 和RA 特征值的变化规律表明,试验过程中岩石试样产生张拉裂纹和剪切裂纹,且以剪切破坏为主.岩石的损伤变量曲线与应力曲线有较好的对应关系,可以反映岩石内部结构的破坏程度,为深部工程灾害监测提供一定的理论依据.     

考虑σ2及围岩—支护结构相互作用的隧道力学模型

目前的隧道力学模型未能同时考虑中间主应力σ₂及围岩—支护结构相互作用对围岩塑性区等隧道力学特性的影响。为此,首先采用岩石统一强度理论替代目前常用的Mohr-Coulomb（M-C）强度准则以考虑σ₂对隧道围岩塑性区的影响。其次,针对Kastner方法未能很好地考虑支护前隧道围岩初始弹性位移及围岩—支护结构相互作用的不足,在其基础上,结合圆形隧道实际施工特点,提出了能够同时考虑σ₂、隧道围岩初始弹性位移及围岩—支护结构相互作用的圆形隧道力学模型。最后,通过算例研究了σ₂、隧道围岩初始弹性位移、原始地应力、支护结构刚度和岩石内摩擦角等对围岩塑性区、隧道洞壁位移和支护力的影响规律。研究结果表明：σ₂的影响不可忽略;一定的隧道围岩初始弹性位移可以减少支护应力,但会导致围岩塑性区和隧道洞壁位移的增加;支护结构刚度的增加可以有效减小围岩塑性区及隧道洞壁位移,但会增加支护结构应力;初始地应力的增加将增大围岩塑性区、隧道洞壁位移及支护结构应力;随着岩石内摩擦角的增加,围岩塑性区、隧道洞壁位移及支护结构应力均减小。最后,通过工程实例对模型的合理性进行了验证。     

花岗岩卸荷损伤演化及破裂前兆试验研究

采用双轴伺服试验系统,开展花岗岩卸荷试验,借助RFPA3D-Engineering数值模拟软件和声发射监测技术对花岗岩卸荷损伤演化及破裂失稳过程进行深入研究。研究结果表明,花岗岩卸荷损伤可分为弹性变形阶段和塑性变形阶段,弹性变形阶段有小尺度裂纹产生,塑性变形阶段岩石内部裂纹不断扩展、贯通,最终形成大尺度裂纹导致岩石破裂;根据花岗岩卸荷损伤过程中声发射事件率、能量变化特性,可将声发射事件率平静期和能量的快速释放作为岩石破裂失稳前兆。花岗岩卸荷损伤演化过程中,轴向应力边界与卸荷边界相交处易出现破裂区域,并最终形成"V"形宏观破裂带,整个过程以剪切破坏模式为主。     

单轴压缩过程砂岩破坏特性研究

岩体灾害孕育过程中引起的岩体变形、破坏,会改变岩体的声学特征,在工程中可通过观测声波在岩石内部传播变化判别岩石的稳定性和承载状况。为了确定砂岩裂纹扩展不同阶段声波传播规律与破坏模式,通过声波监测装置及岩石破裂全过程分析系统RFPA^2D研究单轴压缩下砂岩在不同应力水平下波速变化及破坏模式。结果表明:砂岩在进入弹性加载阶段前波幅增速最大,在随后的弹性加载阶段纵波波速增长速度最快,在发生宏观破坏前纵波波速达到最大;根据裂纹应变模型得到裂纹闭合应力σ_cc约为0.19σ_c;裂纹起裂应力σ_ci约为0.28σ_c;在体应变达到极值时,得到试样的损伤应力,砂岩的损伤应力σ_cd约为0.66σc;由RFPA^2D得到由于拉破坏和压剪破坏产生的声发射数,得到在加载初期岩石微裂纹的产生均为压剪破坏,由于压剪破坏产生的剪切面出现时,拉破坏成为主导因素,并导致裂纹扩展及贯通,最终试样失稳破坏。可见砂岩破坏经历的压密阶段—弹性阶段—裂纹稳定扩展阶段—裂纹加速扩展—峰后...     

高应力巷道开挖围岩损伤分析

首先运用岩石破裂过程分析RFPA分别对有、无裂纹情况下的高应力巷道开挖围岩损伤过程进行了分析,随后,对有、无裂纹情况下的高应力巷道开挖围岩损伤进行了理论分析.模拟结果再现了巷道围岩开挖卸荷后声发射变化全过程.数值模拟与理论分析表明:高应力巷道围岩卸荷破坏是个损伤逐渐累积最终演致破坏的过程;垂直方向为最大主应力情况下,损伤主要从两帮开始,然后向两帮深部扩展,扩展到一定程度后沿大主应力方向扩展;卸荷损伤过程受裂纹影响很大,裂纹改变巷道围岩损伤演化过程,对损伤演化过程起主要控制作用;提出的理论分析方法可用于巷道围岩开挖卸荷后损伤破坏情况的分析.     

水-力耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比

岩石的水力学特性与矿山突水灾害密切相关,为揭示不同的水岩力学相互作用,对比研究在水-力耦合与隔离2种不同力学状态下孔道砂岩力学特性的差异性。采用MTS815岩石力学试验系统,进行不同围压和孔压下孔道砂岩的常规三轴压缩试验。整个试验围压σ₃分成10,20,30 MPa共3个系列,每个系列围压试验中,孔压P设为4个级别,分别是围压σ₃的20%,40%,60%和80%。对水-力耦合下的岩石试件用热缩管进行包裹,对水-力隔离下的岩石试件加装隔水装置,在三轴静水压力状态(σ₁=σ₂=σ₃)下采用0.005 mm/s的加载率对试件进行轴向加载,直到试件破坏。结果表明:水-力耦合状态下,孔道砂岩的峰值偏应力强度、扩容起始偏应力、残余偏应力强度和变形模量与围压呈正相关关系,与孔压呈负相关关系,而泊松比的关系则正好相反,试件呈现出明显的单一剪切面破裂,破裂角分布在53°～69°变化;水-力隔离状态下孔道砂岩峰值偏应力强度、扩容起始偏应力和残余偏应力强度均与围压和孔压在总体上呈正相关趋势,水-力隔...     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。     

潘三煤矿13号煤层地应力分布规律研究

利用空心包体应力计法在潘三煤矿二水平东翼13-1煤采区、西三C组中部采区共计6个测点进行了地应力测量工作,分析得出了潘三煤矿深部地应力分布规律:最大主应力接近水平,且明显大于垂直应力,地应力场中水平主应力占主导优势地位,水平主应力接近于南北向,采区巷道受水平主应力方向性影响显著。深部地应力场中最小主应力σ₃略小于垂直应力σ_v,中间主应力σ₂略大于垂直应力σ_v,地应力场呈现σ₁>σ₂>σ_v>σ₃的应力关系,测试结果可为潘三煤矿开采过程中的巷道支护和煤炭安全高效开采提供科学依据。     

中间主应力影响下含瓦斯复合煤岩体变形渗流及能量演化特征研究

深部环境中,复合煤岩体处于三向不等应力状态,中间主应力的存在对煤岩体变形、强度特性及能量演化特征有着重要影响。本文利用真三轴气固耦合煤岩渗流试验装置,开展了不同中间主应力条件下含瓦斯复合煤岩体变形-渗流试验研究。结果表明：(1)随着中间主应力的增大,当达到峰值强度时,试件最大主应力方向应变呈现先增大后减小的变化,中间主应力方向应变和最小主应力方向应变之间的差值越来越大;(2)低中间主应力下试件中间主应力方向呈现出膨胀变形,中间主应力较大时,ε₂-Δσ曲线达到峰值后发生回弹,中间主应力方向最终表现为压缩变形;(3)随着中间主应力的增大,试件相对渗透率系数谷值降低,相对渗透率系数曲线峰值拐点与ε₁-Δσ曲线的拐点一致;(4)达到应力峰值时,试件总输入能量先增大后减小,与试件强度变化趋势类似,弹性应变能先增大后减小,耗散能持续增大,U_e/U先升高后降低,U_d/U先降低后升高。     

采动应力路径下深部煤体扰动特征

为研究采动条件下工作面前方煤体应力变化规律与扰动破坏特征,以平煤十二矿己15-31030工作面为研究对象,通过现场原位实验与三维数值模拟研究,给出了不同应力状态下的扰动强度判别指标,以煤体主应力为中间量,将采动应力与工作面前方煤体破坏特征联系起来,得到了采动应力演化规律及采动应力路径下煤体变形特征。原位单轴实验表明工作面前方煤体采动应力不是单纯的增加,而是经历了原岩应力、缓慢上升、急剧升高、突然卸荷4个状态,而三维数值实验得出侧压力系数大小与扰动状态具有一定的相关性。根据已有的应力路径,数值再现了单向、三向采动应力状态下煤样的变形规律和塑性分布状态。     

四体构件真三轴数值试验的底板冲击失稳研究

 摘要：针对深部地下工程底板冲击失稳的相关特点,提出了采用四体构件模拟煤岩体结构,运用Flac3D数值软件模拟试件真三轴压缩过程,通过不同中间主应力系数和卸载路径模拟深部开采环境,从构造应力和能量角度出发,分析了深部开采底板冲击相关特点。结果表明：当从最小主应力方向卸载时,卸载后到底板冲击发生所经历的时间较卸载中间主应力时长;不同的卸载方向导致底板冲击所经历的时间步与中间主应力系数呈指数关系,当卸载最小主应力时,煤层开采到发生冲击所经历的时间步与中间主应力系数成指数关系上升,而卸载中间主应力时反之;发生冲击的岩体经历了脆-延-脆-塑的转化过程。     

采动应力下急倾斜煤层顶板砂岩的力学及渗透特性

针对煤矿开采过程中垂直应力集中及水平应力卸载所引起的岩体变形破坏和渗透特性等问题,运用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验装置,以急倾斜煤层顶板砂岩为研究对象,开展不同静水压力条件下,砂岩定轴压卸围压瓦斯三轴渗流试验,研究应力集中状态对砂岩卸围压破坏过程中变形规律及渗流特性的影响。得出的主要结论有：岩样屈服阶段存在一点,为岩样卸荷由张拉破坏向压剪破坏的转折点,且卸荷点越接近屈服强度,岩样卸荷破坏越突然和剧烈,岩体破碎度越高;初始围压(轴压)相同时,砂岩的峰值强度随初始轴压(围压)增大而有所提高;砂岩卸荷破坏卸荷量百分比随轴压增大而减小,随初始围压增大而增大;砂岩卸荷破坏后,峰值瓦斯流量与体积应变之间存在指数函数关系;砂岩卸荷破坏形态主要表现为沿层理方向的张剪混合裂缝,且微裂缝十分发育,岩样的渗透性与裂缝的发育程度具有较好的相关性。岩体渗透性与其所处的应力状态密切相关,开展采动应力下煤系砂岩的变形破坏规律及瓦斯流动特征研究对指导急倾斜煤层开采中瓦斯抽采钻孔的合理布设、提高瓦斯抽采效率具有重要的理论及现实意义。     

自然崩落法矿山深部地应力场分布规律的测试研究

采用LUT 地应力测试系统对中条山集团铜矿峪铜矿深部矿区进行了地应力测量, 发现该矿区地应力的主应力随埋深增加呈近线性增加, 埋深最大的340 m中段测点处最大主应力值达到了37.83 MPa; 最大主应力的方位在浅部和深部表现出较好的一致性, 均为北东东向。深部矿区的原岩应力以水平构造应力为主, 上部岩层垮塌使下部邻近区域的最大主应力的倾角明显增大, 其影响程度随深度增加而减弱。该研究成果将对自然崩落法矿山的采矿工艺设计和安全生产具有指导作用。     

岩石在不同应力幅值下受低频循环扰动的力学特性试验

设计3种不同类型的岩石在不同应力幅值下的循环扰动试验。试验结果表明:当扰动应力幅值较小时,岩石在循环加载下出现弹性模量强化效应,不同类型的岩石弹性模量强化程度不同;循环动力扰动加载试验存在应力上限门槛值,只有大于应力上限门槛值,试样才会发生破坏;扰动应力幅值对岩石的破坏影响显著,在高应力幅值下,循环次数迅速减少;在低应力幅值下,试件破坏形态为剪切破坏,在高应力幅值下,破坏形态复杂,出现板裂化破坏和碎块弹射。建立了循环扰动作用下的应变损伤模型,通过分析不同应力幅值下损伤变量的变化规律,得出如下结论:岩石损伤可划分为迅速增长阶段、平稳发展阶段、快速增大阶段,且随着扰动应力幅值的增加,平稳发展阶段的循环数显著减少;当应力幅值提高,损伤变量变化率显著提高,应变迅速增加,岩石破坏。     

多层矿床同阶段相邻矿层安全回采顺序分析

回采顺序不同,其相邻矿层间的扰动影响差别很大,直接关系到矿床的安全开采。分析扰动影响高度对同阶段相邻矿层安全回采顺序的影响,当2层矿体同时从上至下开采、先开采上层矿后采下层矿和先开采下层矿后采上层矿时,探讨2矿层的超前关系及安全回采顺序。研究表明,不同赋存条件下的倾斜-急倾斜多层矿床都可以采用从上至下分层并行开采。在岩石移动角γ₁为60°~75°、矿层倾角α₂≤γ₁+5°、矿层间距a＞15 m或γ₁为45°~60°、α₂≤γ₁+25°、a＞20 m这2种赋存条件下,可以采用从上至下分段并行开采。在γ₁为45°~60°、α₂≤γ₁+10°、a＞5 m或γ₁为45°~60°,α₂≤γ₁+20°、a＞10 m这2种赋存条件下,2层矿体先开采上层矿后采下层矿,只能按分层或分段下向开采,上层矿开采最大可超于下层矿11个分层或1个分段;在γ₁为60°~75°、α₂≤γ₁+5°、a＞15 m或γ₁为45°~60°、α₂≤γ₁+25°、a＞20 m这2种赋存条件下,层矿开采最大可超于上层矿6个分层或1个分段。研究结果可为多层矿床阶段内开采顺序提供定量参考依据。