冲击矿层的层裂板模型及实验研究

片帮型冲击矿压是煤壁局部失稳,与煤壁层裂板结构的形成有关,分析了煤壁层裂板结构形成及压曲失稳破坏规律,给出了裂纹扩展,贯通的应力判据以及随后形成的层裂板结构压曲失稳的条件,并据此对冲击矿井进行模拟试验研究,实验结果与理论分析基本一致。     

冲击矿压模拟试验研究

采用相似材料和煤质材料模拟煤矿冲击矿压发生的过程和现象,揭示了煤壁局部突然失稳形成片帮型冲击矿压的机制,即巷道附近压应力集中区内裂纹平行壁面扩展、贯通,形成层裂板结构,在一定压力下发生压曲破坏。此外,试验采用三维模型和现场煤样,更接实际情况,为此类试验提供了新的途径。     

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。     

冲击地压的一维层裂模型

提出了煤层冲击地压的一维模型.该模型把煤体破坏分为两个阶段层裂和失稳,并用支承压力分布特征描述煤体的失稳破坏.该模型描述了重力场条件下的冲击煤层失稳机制.     

深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究

 针对断层区采掘时冲击矿压频频发生的严峻现状,运用理论分析、实验室试验、数值模拟以及工程实践等方法,研究断层区的冲击机制。主要研究内容及结论如下：(1) 建立断层闭锁与解锁滑移的力学模型,理论推导得出上行解锁和下行解锁的判定公式,公式表明断层解锁与断层摩擦强度、断层倾角以及水平应力和垂直应力之比有关。(2) 提出断层区断层煤柱型冲击矿压的概念,认为断层煤柱型冲击分为断层活化型冲击、煤柱破坏型冲击和耦合失稳型冲击,并阐释各自的冲击作用机制。(3) 分析跃进矿25110工作面20次冲击震源分布规律、冲击影响因素和冲击作用机制,认为大部分冲击为断层滑移、老顶断裂和煤柱破坏诱发的断层煤柱型冲击。(4) 从弱化断层滑移和减弱煤柱冲击破坏两方面提出针对25110工作面断层煤柱型冲击矿压的治理措施,现场实践表明,控制工作面推进速度可减少断层活化型冲击,提高巷道支护强度和爆破卸压、大直径钻孔卸压可有效降低冲击矿压灾害。     

三河尖煤矿冲击矿压发生机制分析

探讨了三河尖矿发生的片帮型冲击矿压机制。在压应力集中区内，巷道自由表面附近裂纹生成、扩展和贯通，在巷道壁内部由表及里重复顺壁形成薄煤岩层，在应力增加或外界扰动下薄壁层屈曲破坏，剥落崩出，形成冲击矿压，其主要形式为突然的煤层片帮。此外，结合煤层的倾斜赋存环境，讨论了巷道底角突出的力学机制     

徐州东部软岩矿区冲击矿压机理分析

从软煤层的冲击倾向性等方面分析了软岩矿区发生冲击矿压事故的机理,并结合生产实践总结出了软岩矿区冲击矿压事故的三大特征,提出了相应的防治措施     

冲击地压、岩爆、矿震的关系及其数值模拟研究

全面论述了冲击地压、岩爆与矿震现象，对其进行了具体定义，指出三者之间的关系。采用数值计算手段对冲击地压与岩爆现象进行对比分析，指出它们的异同。在此基础上，建议对“冲击地压一、“岩爆”和“矿震”这3个术语区别使用。     

综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究

 基于砌体梁理论提出综放面覆岩运动的双向发展模式,分析综放面冲击矿压的能量来源和力源,利用微震监测技术对综放面覆岩运动的矿震效应进行监测。结果表明：覆岩运动的矿震活动呈周期性,冲击发生前矿震能量持续增大,冲击发生时达最大值,之后产生突降;冲击发生前,矿震频次先增大后有一定程度减小,冲击发生在频次下降沿,之后急剧下降;平均标高能够反映覆岩运动的空间形态,冲击发生前,平均标高逐渐增大,冲击发生或临近发生时,达到最大值,之后产生突降;矿震活动周期内,矿震空间分布先逐渐向上层位发展,冲击发生前,矿震空间分布达到最大值,工作面近距离岩层矿震活动强烈。指出综放面冲击矿压主要发生在覆岩运动下发展过程,可通过覆岩运动上发展过程的监测预防冲击矿压。     

利用ANSYS程序分析软岩冲击矿压及广义应力(应变)率准则

利用ANSYS程序分析了权台煤矿软岩冲击矿压。通过对所得数据的处理。总结出一种用于判断冲击矿压的广义应力(应变)率准则。即冲击矿压发生时。冲击点附近的应力(应变)变化比其他时刻同地的变化和其他位置同时刻的变化都为剧烈。并将这一准则用于工作面回采时的冲击矿压预测。结果是合理的。     

断层冲击地压发生的理论与试验研究

把断层冲击地压看成是断层带与上下盘围岩系统的变形失稳，建立了扰动响应稳定性判别准则，并对断层冲击地压的一个简单模型进行了解析分析。通过粘滑失稳模型，解释了断层冲击地压的间歇性。对断层冲击地压进行了模拟试验，解释了只有达到一定开采深度才可能发生冲击地压，证实了冲击地压发生的间歇性。     

抛掷型岩爆机制与模拟试验技术

 为探讨高地应力隧洞岩爆机制,在岩爆试件试验的基础上,对抛掷型岩爆机制提出4点新的认识,即围岩中要发生抛掷型岩爆,单靠岩爆体本身积蓄的能量还不够,必须要有周围岩体对其破坏过程进行能量补充;工程中发生岩爆时,洞壁围岩会对岩爆体产生能量汇聚,这是抛掷型岩爆发生的重要前提;在抛掷型岩爆发生过程中,动、静状态转化是由洞壁围岩对岩爆体释放的能量有剩余造成的;在岩爆应力判据中,围岩在 = 0.3～0.7的条件下就可能发生岩爆,甚至可能发生强烈岩爆,这是因为围岩不是均质体,围岩内存在应力集中区和软弱结构区。现有的岩爆模拟试验采用油压控制系统加载无法实现抛掷型岩爆,这是因为油路供油速度缓慢所致。对抛掷型岩爆模拟试验技术,提出新的试验方案,研发新的试验装置,开展新的岩爆模拟试验。实践证明提出的试验技术和试验装置均能较好地模拟抛掷型岩爆现象,可供岩爆机制研究、教学及相关工程建设参考。     

深部金属矿山RS-TOPSIS岩爆预测模型及其应用

基于逼近理想解排序法的基本原理,选用岩石的单轴抗压强度σc、压拉比 c tσ/σ、岩石的应力系数 cσθ/σ、弹性变形指数Wet以及岩体的完整性系数K v等影响因素作为预测指标,以实际工程中的20个岩爆实例为样本,依据岩爆预测分级标准,运用粗糙集理论计算各预测指标支持度和权重,建立深部金属矿山的RS-TOPSIS岩爆预测模型,并在实际工程进行应用。结果显示,通过计算相对贴近度来确定分类区间的方法方便易行;建立RS-TOPSIS岩爆预测模型具有较高的准确度,预测精度达90%;对锌铜矿的岩爆预测结果与工程实际吻合,表明RS-TOPSIS岩爆预测方法具有工程实用价值,可以运用于深部金属矿山的岩爆预测。     

地下深井矿山岩爆发生规律及形成机理研究

岩爆是一种动力失稳地质灾害。根据会泽铅锌矿麒麟厂矿区工程地质钻探和现场调查中所发现的岩芯饼化和穿脉巷道侧帮片状剥落现象。总结了该矿岩爆发生的基本规律；并根据调查和实验结果分析了岩爆的形成机理。为选择合理的深部采矿方法和岩爆控制提供了重要依据。     

大理岩颗粒及试样尺寸对冲击倾向影响的试验研究

试样的冲击倾向是反映岩石发生冲击地压难易程度的重要参数。对4种不同颗粒和5种长径比的大理岩试样进行了单轴压缩试验，通过分析应力．应变全程曲线发现，大理岩冲击倾向指标Et/ER随矿物颗粒的增大而逐渐增大，随试样长径比的增大却逐渐减小，这种趋势随颗粒和长径比的变化而逐渐变缓，不同颗粒的大理岩表现程度有所不同。大理岩强度随试样长径比的增大逐渐减小，试样强度与颗粒的关系比较复杂，没有明显的规律。     

深埋特长公路隧道岩爆预测综合研究

岩爆预测一直是地下工程世界性难题之一。以台缙高速公路苍岭隧道的岩爆预测为例,从隧道区围岩的岩体特征和隧道区初始应力场两方面着手,通过工程地质调查研究和区域地质资料分析,对隧道区进行工程地质分类。划分隧道沿线各洞段隧道围岩类别,通过室内岩石力学试验,掌握隧道沿线围岩的物理力学特性;分析区域地震震源机制解、地应力实测资料,揭示区域构造地应力场环境。在研究过程中选取典型部位,采用水压致裂法实测工程区地应力的大小和方向。通过三维有限元反演工程区的初始应力场,在初始应力场和隧道围岩岩石力学性质研究的基础上,结合各洞段隧道断面开挖数值分析结果和现有国内外多种岩爆判别准则,对苍岭隧道岩爆发生的部位和等级进行预测,为制定合理的开挖支护方案提供依据。     

岩爆的相似材料物理模拟研究

 根据不同配合比相似材料的物理力学性质测试结果,选取最具岩爆倾向的相似材料,结合一水电站引水隧洞典型断面,制作大尺寸模型,采取后开孔的隧洞成洞方式进行岩爆物理模拟试验研究。结果表明：在模型的边界条件保持工程区天然应力状态下,隧洞开挖过程中拱顶、拱肩和边墙部位在不同的时间段内分别有较明显的应力、应变突变现象,围岩声发射次数也表现出剧烈增大现象,说明围岩出现明显的岩爆表征。模型在超载条件下出现围岩剥落、鼓折和开裂现象,表明原型隧道段以剥落、鼓折式张性岩爆为主。     

岩爆模拟试验及岩爆机理研究

在岩爆模拟材料筛选试验的基础上，选取了最具岩爆倾向的材料制作含孔试件进行了含洞室岩体的岩爆模拟试验，试验中考察了加载条件，开孔方式、几何特性等诸因素的影响，探讨了岩爆发生机理，得到了一些规律性的结果。     

结构面剪切破坏特性及其在滑移型岩爆研究中的应用

 从锦屏二级水电站深埋隧洞施工中发现结构面的剪切滑移可能诱发极强岩爆,因此为研究结构面对滑移型岩爆的控制机制,利用水泥砂浆作为模型材料制作了3种不同起伏高度的不规则锯齿形结构面并进行了直剪试验,研究了不同起伏高度、剪切速率和法向压力下的结构面的强度特征和破坏机制,并对现场的滑移型岩爆进行了初步的机制分析。研究结果表明,每种起伏高度的结构面的峰值抗剪强度和残余强度均随法向压力增大而增大;随着起伏高度的增加,结构面的抗剪强度、内摩擦角逐渐增加;随着剪切速率增加结构面抗剪强度具有先增加后减小的趋势;不同工况下结构面的破坏机制可归纳为锯齿的滑移错断机制、结构面上下盘的拉伸断裂机制和上盘前端下盘后端的冲击断裂机制,结构面的起伏高度越大、法向应力越高,冲击断裂的规模越大;现场结构面的应力集中程度、结构面面壁凸台的尺寸、强度和位置等决定了滑移型岩爆发生的等级、爆坑深度。     

煤矿岩爆发生机制研究

 博士学位论文摘要　以煤矿岩爆为工程背景, 采用岩石力学、断裂力学、粘弹性力学、稳定理论以及试验模拟相结合的方法,从煤岩体结构局部失稳的角度, 提出并建立了煤矿片帮型岩爆的力学模型。在理论分析和试验研究方面作了一些新的探索和尝试, 取得了下列主要研究结果:(1) 以岩石裂隙演化及其力学特性的研究为出发点, 着重研究了受自由表面影响的近壁面裂纹的扩展条件与扩展方向。研究表明, 在压应力集中区内, 近自由表面的裂纹在低侧压(或无侧压) 时, 将平行于壁面沿最大压力方向扩展, 在一定的压力下,受自由表面的影响, 这种扩展是不稳定的。通过滑移开裂裂纹模型, 给出了近壁面两种情况下裂纹扩展的临界应力计算公式。(2) 通过对巷道和采场围岩的受力分析, 定义了由壁面到煤体深处的应力过渡区。在高压应力(包括采动应力) 作用下, 过渡区内裂纹将扩展贯通, 并在一定范围内形成顺壁层裂结构区, 讨论了层裂结构区的尺度。提出并建立了煤矿片帮型岩爆的力学模型———层裂板模型, 即认为巷道或采场壁面的局部稳定是由高应力集中区内形成的层裂板结构区的稳定控制的, 片帮型岩爆是煤壁层裂板结构区的局部压屈。分析了层裂板结构两种约束状况下的稳定性。(3) 考虑裂纹的亚临界扩展, 研究了裂纹扩展的时间相关性, 讨论了裂纹贯穿前壁面位移与时间的关系。(4) 基于板梁结构和层裂板模型, 采用线粘弹性本构关系, 研究了煤矿片帮型岩爆的时间延迟问题, 这是对岩爆发生的时间延迟研究的一个新的尝试。得到了不同载荷水平下, 板梁结构和层裂板模型失稳的延迟时间计算公式。此外, 简单讨论了缓慢底鼓与急剧底鼓的机制以及扰动应力对岩爆发生的影响。(5) 用研制的相似材料模型和煤块混合模型, 对煤矿岩爆进行了模拟试验研究, 验证了本文建立的层裂板模型的正确性和适用性。试验成功地模拟了巷道或采场岩爆的过程。壁面及顶底板的相对位移变化的记录曲线表明, 岩爆发生时, 位移曲线发生相应的突跳, 这种现象在一定的间歇后, 可再次发生, 反映了岩爆的间歇性和动力失稳的特征。试验后的壁面观测发现, 残存壁面呈层裂结构, 突出物为片状块体。此外, 还对相似材料模型和煤块混合模型的试验现象和结果进行了对比分析, 认为后者更能反映实际状况。混合模型在此类试验中是首次使用, 为该类试验模型制作提供了新的途径。(6) 以三河尖煤矿岩爆为例, 运用层裂板模型对片帮型岩爆发生机制进行了分析。通过模型的实例估算, 得到了发生岩爆的临界深度与该矿当时的开采深度相一致的结果, 这表明层裂板模型对片帮型岩爆机制的分析是合适的。