煤岩体应力动态监测系统开发及应用

煤岩体应力是矿井支护设计、矿压分析、冲击地压等煤岩动力灾害预测与防治的重要依据。为了定向测试煤岩体多向应力及其演化规律,自主研发了三向缸体压力感应器和煤岩体应力动态监测系统。感应器上设置的感应片可实现与煤岩体主动有效耦合,通过感应片伸缩变形和油压变化来反映煤岩体应力大小,进而通过该监测系统实现煤岩体应力多向、实时连续测量。将该系统应用于煤矿现场采动应力监测,分析了采场应力分布及演化规律。监测结果表明,多测点应力测量可反映巷道围岩应力分布及随采动等演化规律,可以确定巷道围岩卸压带范围、应力集中范围及应力集中程度等。实测分析得到了工作面巷道内帮煤体的三向正应力分布规律;各测点应力变化趋势基本一致,同一测点3个方向正应力并非完全同步;测试工作面巷旁存在2个应力峰值区及2个卸压带。该系统为定向监测煤岩体应力提供了有效手段和方法,可用于矿山应力监测分析、围岩稳定性监测分析、冲击地压等煤岩动力灾害监测预警等。     

反应釜支撑梁的温度应力分析

主要分析了某实际反应釜支撑梁在一点集中温度作用下的温度场分布,与实测温度比较可得,有限元方法求得的结果与实测结果基本一致;同时分析了支撑梁在该温度场作用下支撑梁宽度、材料的导热系数、梁表面热交换系数对梁内最大主拉应力的影响。     

复杂应力状态下岩体强度的各向异性研究

 岩体中存在着大量的节理裂隙等不连续面,这些不连续面对岩体的强度起着重要的作用,岩体可能会沿着这些不连续面发生破坏。在分析中间主应力对岩体强度影响的基础上,验证统一强度理论,并在此基础上,建立可以反映中间主应力变化的强度参数,同时采用试验对其进行验证。针对含有不连续面的岩体,分析不连续面上的应力分布,建立复杂应力条件下的岩体各向异性强度准则,并针对该强度的特殊情况作简化,分析适用条件。采用节理岩体的真三轴试验对其验证,结果表明所建立的各向异性强度准则可以恰当的反映岩体的强度。分析中间主应力,结构面倾角和走向对岩体强度的影响。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

 采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法，研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力(开挖荷载)动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下，隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起；高地应力条件下，开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段(地应力水平10 MPa)和尾水隧洞洞身段(地应力水平20 MPa)钻爆开挖过程的实测围岩振动资料，对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

龙羊峡水电站水压致裂应力测量

我们采用小型轻便水压致裂应力测量设备对位于黄河上游的龙洋峡水电站大坝左坝肩附近的四个约100m深的钻孔进行了原地应力测量。结果表明,在所测深度范围内三向主应力之间的关系S_H>S_h>S_v,水平主应力S_H和S_h以及最大剪应力τmax的值随高程的降低有增加的趋势.由对实测孔部分压裂段的印模得出坎区S_H方向近南北。龙羊峡地区现今构造应力场复杂,S_H方向在深部为NE—NNE,浅部大致为近南北—NE向.在现今构造应力场作用下F_7断层带有复活的可能,其形式将表现为浅部逆断层型、深部右旋走滑型错动.然而,四个实测孔周围的岩体稳定性计算结果说明,处于活动断裂带以外的岩体完整部位基本上处于稳定状态。     

高地应力条件下隧洞开挖诱发围岩振动特征研究

采用理论分析、动力有限元数值模拟和振动监测数据对比等综合方法,研究高地应力条件下隧洞钻爆开挖诱发围岩振动的特征。发现高地应力条件下深埋隧洞钻爆开挖诱发的围岩振动由爆破振动和岩体初始地应力（开挖荷载）动态卸载诱发振动两部分叠加而成。在低岩体初始应力条件下,隧洞钻爆开挖过程围岩振动主要由爆炸荷载所引起;高地应力条件下,开挖荷载瞬态卸荷诱发振动的幅值可超过爆破振动而成为围岩振动的主要因素。利用四川省瀑布沟水电站引水隧洞进口段（地应力水平10 MPa）和尾水隧洞洞身段（地应力水平20 MPa）钻爆开挖过程的实测围岩振动资料,对理论分析和数值模拟结果进行验证。     

离散元模拟碎裂结构岩体应力传播特征

采用UDEC数值分析软件,建立碎裂结构岩体数值模型,研究碎裂结构岩体应力传播的结构效应。碎裂结构岩体既不同于块裂结构岩体,又不同于完整结构岩体,这种结构岩体在无围压和低围压条件下应力传播和变形特征具有明显的结构效应,在无围压和低围压条件下,对缝式碎裂结构岩体为单向应力传播机制,而错缝式碎裂结构岩体为扩散传播机制。但在高围压条件下均呈现扩散传播特征。     

利用岩石断裂强度来估算地下岩体水平应力的范围

 地下岩体的垂直应力一般可用其上部覆盖岩体的平均比重乘以其深度来估算,但是水平应力却很难估算。基于岩石断裂韧度是一个常数,利用共线裂纹模型建立裂隙岩体的稳定条件,并应用该稳定条件来估算水平应力的范围。估算结果符合现场的测试结果,表明这一估算方法是有效的、可行的。利用该裂隙岩体稳定条件能很好地解释水平应力与垂直应力之比在浅部地壳中分布在较宽的范围内,但在深部区域内却分布在一个狭小的范围内这一现象。     

基于全应力–应变曲线及起裂应力的岩石脆性特征评价方法

脆性作为岩石重要的力学指标,准确评价岩石脆性特征对岩体工程稳定性具有重要意义。目前,常用的岩石脆性指数评价方法主要基于岩石压缩过程中峰后应力–应变曲线变化规律,而对岩石峰前应力状态关注较少。综合考量峰后应力跌落速率及起裂应力值至峰值应力值之间的应力增长速率,建立一种基于岩体应力–应变全过程的脆性指数计算方法,更加准确、合理地描述岩体脆性特征。试验结果表明:单轴条件下当全程采用轴向位移控制时,脆性较强的岩石难以准确获得其峰后曲线,容易降低基于峰后应力曲的常规脆性评价方法的准确性,而所建立的脆性指标可根据峰前曲线进行判断,能够准确评价岩石脆性程度。在三轴条件下,该脆性指标更为全面地反映了围压对大理岩脆性的抑制作用。建立的脆性指标基于岩石整个压缩过程的应力状态,能够更加显著地体现不同因素对岩石脆性特征的影响。试验结果很好地验证了该指标的准确性与优越性,研究结果对丰富与完善岩体脆性评价体系具有重要的作用。     

基于三向应力监测装置的地应力测量方法研究

地应力的大小和方向决定着地下煤岩体的形变及稳定性,研究地应力实时测量技术对于煤岩动力灾害监测具有重要意义。基于此,研发基于静水压原理的三向应力传感装置,对该装置的应力传感性能进行测试分析,并分析了三维地应力解算公式;在平顶山首山煤矿安装两套应力传感器,测量并求解测点的三维地应力大小及方向。研究结果表明:装置感应应力与实际加载应力呈线性对应关系,相关系数R=0.989 57,并且三向应力感应相互独立;首山一矿最大主应力为22.86 MPa,方位角为140°,倾角2°,地应力以水平应力为主,侧压系数为1.22,属于典型的构造应力场,实测结果与前人研究结果相吻合。研究表明该装置和方法能够较为准确的测量地应力大小及方向,测量方法简单便捷,具有工程应用前景。     

三维地应力BWSRM测量新方法及其测井机器人在重大工程中的应用

地壳上层岩体的应力状态是地壳最重要的性质之一,获取岩体应力状态最直接、可靠的手段是原位地应力测量.首先简要回顾地应力测量的研究历程及其发展现状,分析岩石力学与工程中常用的几种地应力测量方法和技术.重点介绍钻孔局部壁面应力解除法(BWSRM)这一新的三维地应力测量方法的原理,以及基于BWSRM的地应力测井机器人研制过程和...     

软岩地应力测量新方法的试验研究

本文采用一种新方法测量软弱岩体中的初始应力和扰动应力场。该方法与目前已采用的方法不同,无需套孔解除,不用弹性公式换算,便可直接测量出地应力的大小和方向;利用单孔既可测量空间初始应力场,又可测量其扰动应力;不受电磁效应干扰,数据可靠,且可用于破碎岩体中测量,具有广阔的应用前景。文中介绍了这一方法的原理、模拟试验过程以及对试验结果的分析。     

花岗岩中化爆的自由场应力波传播规律分析

总结分析了在花岗岩中进行的l～150kg TNT系列化爆试验的应方波测试数据，按岩性区分，给出了相应的自由场应力波衰减规律，其地运动参数的规律较强。与核爆结果对比表明，化爆试验的应力波衰减较快，其原因在于小药量化爆的应力波传播对岩体状况较敏感。基于化爆试验测试结果和现场岩性及工程施工状况，分析了应力测值偏低和分散的原因，讨论了现场应力波测试中所需注意和解决的问题，指出用粒子速度测值转换的应力比直接测量的应力更能反映现场岩体中的应力状况。     

基于声弹理论的地应力超声测量方法

首先描述岩石的声弹理论,给出岩石的应力与弹性波波速之间的理论关系;其次利用岩石应力与弹性波波速之间的理论关系提出地应力超声测量方法,即通过测量套孔应力解除前后的孔壁超声波波速的变化,利用声弹理论反演出地应力。通过数值算例讨论地应力对孔壁超声波速的影响,其结果表明,该方法可以有效地确定地应力的大小和方向。     

基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究

高地应力诱发的岩爆灾害是目前深部地下工程经常遇到的工程地质问题。现场地应力测量是岩爆预测的重要前提,根据三山岛金矿深部测量和岩体赋存状况的特点,优化应力解除测量技术并在矿区深部进行现场实测。提出采场岩爆发生的2个必要条件,即岩石具备储备高应变能的特性和采场具备高应变能积聚的应力环境。基于地应力实测与岩石力学室内试验结果,采用多准则判据对矿区深部发生岩爆的倾向性做出定性分析与评价。FLAC3D数值模拟分析揭示深部开采引起的采场围岩能量积聚、分布状况及变化规律。首次采用地震学的知识,对三山岛金矿未来深部开采过程中可能诱发岩爆的地点和级别做出预测。研究成果为深部地下工程岩爆的预测、预报提供新的思路和途径。     

利用地应力实测数据讨论地形对地应力的影响

首先详细描述了研究区域内2个钻孔的水压致裂地应力测试结果，包括测试段深度、最大和最小水平主应力的量值以及诱发破裂的印模定向试验结果。此外，还对测区内地质构造、地形地貌条件以及地层岩性进行了简要的介绍。经过对地应力测试结果以及相关数据的初步分析，发现对于相距仅280m左右的2个钻孔，其地应力状态及其分布规律存在较大的差异。为此，结合三维有限元数值模拟技术，对研究区域的地应力赋存状态和分布规律进行了更为详尽的分析，进一步研究和讨论了地形条件对地应力状态的影响和控制作用。     

循环加载高应力对大理岩Kaiser效应影响的试验研究

声发射法(AE)广泛用于地应力测量。当单次加载Kaiser效应不明显时,可采用循环加载方式。通常各循环峰值加载应力大于岩石在地壳中所受最大应力?m,将大于?m的加载应力称为高应力。为研究高应力对岩石Kaiser效应的影响,对取自铜绿山矿的垂直钻孔岩芯进行循环加载试验,根据声发射特征曲线变化趋势及变形率分析法(DRA)地应力测量结果,对比水压致裂法所测地应力量值,确定不同加载阶段Kaiser效应点位置。研究结果表明:当循环加载峰值应力大于?m时,高应力将削弱与?m对应声发射事件的能量,使后续加载循环Kaiser效应不明显,同时会改变岩石之前记忆的应力值,使AE法地应力测量结果产生偏差;多次循环加载可导致岩石内部微结构面的破坏,其产生的大量声发射事件会混淆Kaiser效应点的辨识;因岩石差异性,高应力可能会取代岩石之前所受最大应力,成为岩石记忆的新应力。鉴于此,采用循环加载方式时,首次加载峰值应力A?应不超过?m,同时应使岩石跨过压密阶段进入线弹性阶段。铜绿山矿所取岩样循环加载试验结果表明,A?较合适的取值范围为岩石单轴抗压强度的6%~28%。此外,还给出声发射法和DRA法联合用于地应力测量的合理加载方式。     

孔径变形法测试地应力弹性模量参数选取分析

 随着大型水电工程和地下空间工程建设的发展,势必会加大研究岩体的应力测量技术及应力对工程岩体、工程建设的影响。以黄登水电站坝区岩体地应力测量为背景,通过岩芯围压试验、室内岩块压缩变形试验等方法测试弹性模量,其测试成果在各种试验中有很大的不同,因此采用岩石损伤力学、高围压下岩体特性等理论对该现象进行分析;同时,根据卸荷岩体特性对地应力测试中应力解除过程进行分析,确定扩容对地应力测试的影响。研究结果表明,随着围压的增加,岩体弹性模量可能出现正增长关系,主要原因是岩体裂隙的压紧导致结构的致密;岩体在卸荷的情况下会出现一定程度的扩容;同时,机械振动势必也加大扩容对于变形的影响。考虑上述因素,提出黄登水电站地应力测试中弹性模量的选取原则,该方法可为类似工程提供一定的参考价值。     

三向高应力状态下深埋大理岩变形特性试验研究

为获得深部岩体的变形模量,在真三轴试验机上,对中等尺寸大理岩试样进行不同侧压下的变形试验,重点对同一试样进行多个等侧压和不等侧压的对比试验。试验表明：(1) 大理岩的变形模量与侧压之间具有显著的非线性关系,且当侧压增大至30 MPa后,变形模量不再随着侧压的增大而显著增大,该侧压值反映了大理岩脱离母岩后的弱化程度;(2) 建立大理岩的变形模量与三向应力之间的关系,用试样所对应部位地应力值计算出深埋大理岩的变形模量为66.7～68.2 GPa;(3) 变形模量计算值与采用其他间接方法获得的变形模量相当,并显著高于常规室内和现场变形试验值。由此说明,深部岩体在释放应力后容易使其力学性质弱化,弱化程度与所处的地应力大小有关。该方法对研究极高～高地应力环境下深部岩体及偏应力较大的边坡的变形特征具有重大意义。     

深部岩盐矿地应力的确定及特征分析

针对深部岩盐矿溶腔稳定性分析及地应力场分析的要求和深部岩盐矿钻孔水溶开采的条件，结合长山岩盐矿深部地应力研究的实际情况，确定了矿区地应力测试方法、地应力测点和试样选择的一些要求：按照声发射Kaiser效应测地应力的基本原理，提出了沉积岩层非定向钻孔岩芯坐标方向建立的方法和多方向取样及地应力椭球回归分析的声发射Kaiser效应地应力测试方法。该方法根据三维空间多方向试样的Kaiser效应实验结果，采用多元非线性拟合方法确定测点地应力椭球的一般方法，再由二次正交变换确定测点地应力椭球的标准方程，以求得地应力的大小和方向。此方法能避免实验误差的较大影响。长山岩盐矿实验矿井深部地应力测试结果及分析表明，长山岩盐矿深部存在水平构造应力，最大主应力方向在离地表800m深左右由水平方向转为垂直方向；距离地表1000m左右深的岩盐层中，最大主应力一般为30MPa左右。