基于剩余能量释放速率指数的煤岩组合体冲击倾向性判定

煤岩冲击倾向性是煤岩是否发生冲击地压的自然属性，是煤岩发生冲击地压灾害的关键影响因素。为准确评判煤岩冲击倾向性，以煤岩组合体为研究对象，对其开展单轴循环加卸载试验，获得组合体不同应力水平下弹性应变能，建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系，提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。据此，提出一种综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间的剩余能量释放速率指数，并结合现有指标给出冲击倾向性判定区间，最后进行合理性验证。结果表明：(1)随着应力的增大，弹性应变能呈现“缓慢→快速→缓慢”的增长规律，对应了应力–应变曲线的压密阶段、弹性阶段、塑性阶段。(2)输入应变能、弹性应变能、耗散应变能的演化规律与应力演化规律相似，均随应力的增大而增大，输入应变能增幅最大，耗散应变能增幅最小。(3)试验获得了组合体不同应力水平时刻的弹性应变能，建立弹性应变能与应力水平之间的函数关系，即任一时刻应力的平方与弹性应变能具有良好线性关系，据此，提出一种峰值应力时刻弹性应变能计算新方法。(4)综合考虑试件峰值强度、弹性应变能、破坏过程能量耗散及破坏时间等多种因素，提出一种新的冲击倾向性鉴定指标：...     

覆岩厚度变化应力异常机制及冲击矿压诱发机理

顶板覆岩结构是影响煤矿冲击矿压发生的主要因素之一，在坚硬覆岩厚度变化区也容易诱发冲击矿压，这一现象在内蒙深部矿区逐渐凸显。基于弹性力学理论分析了覆岩厚度变化区煤层应力异常的力学机制，采用FLAC3D数值模拟方法研究了覆岩厚度变化对煤层应力分布特征和能量演化的影响规律，揭示了坚硬覆岩厚度变化区煤层开采诱发冲击矿压的机理。研究结果表明：坚硬覆岩较厚区的构造应力比较薄区大，覆岩厚度变化越大或覆岩性质差异越大，构造应力变化越大；工作面在覆岩厚度变化区开采时，受超前支承压力与突变的构造应力叠加影响，覆岩厚度变化区至较厚区应力集中程度较大，该区域积聚的弹性能主要向工作面前方巷道释放，冲击矿压危险更大。两例覆岩厚度变化区工程案例分析表明，在坚硬覆岩厚度变化区及变化区向较厚区过渡时微震事件分布较多，能量释放剧烈，巷道破坏明显，与理论分析较为吻合。     

动荷作用下饱和尾矿砂的孔压和残余应变演化特性

在不同固结状态下对饱和尾矿砂进行动三轴试验,探讨饱和尾矿砂的动孔压和动残余应变发展特性。试验结果表明:(1)动应力、固结围压变化对饱和尾矿砂的孔压增长曲线基本上没有影响,固结应力比变化对其有较明显的影响。(2)均压固结和偏压固结时孔压增长曲线形态不同。均压固结时,可用修正后的Seed应力孔压模型表达式来描述;偏压固结时,可用指数函数来模拟。(3)在均压固结和偏压固结条件下饱和尾矿砂均产生较大的残余应变。固结围压、动应力变化对残余应变增长曲线基本上没有影响,固结应力比对其有明显的影响。(4)残余应变增长曲线在均压固结和偏压固结时具有明显不同的形态。均压固结时,可用反正弦函数来描述;偏压固结时,可用幂函数来模拟。     

RPC材料Hopkinson压杆冲击压缩试验的数值模拟与分析

为了对活性粉末混凝土(RPC)材料hopkinson压杆冲击压缩试验进行数值模拟分析,在有限元计算中采用LS-DYNA软件并引入Holmquist-Johnson-Cook累计损伤材料模型以描述钢纤维混凝土的非线形变形.该模拟建立了初始条件改变与最终结果的关系,再现冲击过程中微秒级的应力脉冲传播的瞬态过程与应力变化,并分析了RPC材料高速冲击时应变率变化和横向约束对该材料冲击抗压强度的影响.     

Q345钢材动态力学性能研究

采用MTS材料试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)装置,对我国钢结构建筑中常用的Q345钢进行准静态压缩试验和不同应变率下的冲击性能试验。试验结果表明:Q345钢在动态冲击下的强度明显高于准静态压缩下的强度,具有显著的应变率强化效应;但在分别比较准静态和动态冲击各自区域的应力水平时,发现不同应变率下其值相差不大,表现出对应变率变化不敏感的性质。在试验基础上,拟合得到了可用于冲击荷载作用下进行结构分析的材料本构模型。     

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。     

主动围压下地下工程岩石的冲击压缩特性试验研究

 岩石等脆性材料的力学性能与其所受围压的大小密切相关。为了研究地下工程岩石在围压下的冲击压缩特性,采用具主动围压加载的分离式Hopkinson压杆,对岩石进行主动围压下的SHPB冲击压缩试验,得到岩石在不同围压和不同应变率下的轴向应力–应变曲线,并对试验过程中试件的应力均匀性进行分析。研究表明：岩石类脆性材料在围压作用下其抗压强度和韧性大大提高,并且具有向延性特征发展的趋势,显现出较强的围压效应;在同等级围压下,岩石的峰值强度和峰值应变随应变率的变化表现出显著的应变率相关性,动态强度增长因子与应变率的对数呈近似线性关系,动态强度随应变率的增加而近似线性增长。单轴动荷载下,岩石在以拉应力为主,其他应力联合作用下发生破坏,表现出明显的脆性特征;随着围压的增加,岩石试件将发生脆性向延性的转变,破坏形态以压剪破坏为主,同时发生拉应变破坏和卸载破坏。     

基于非线性储能与释放特征的煤冲击倾向性指标

煤的冲击倾向性是煤矿冲击地压灾害发生与否及致灾程度的重要影响因素,冲击倾向性指煤积聚应变能并产生冲击破坏的性质,因此,峰值强度时刻弹性能量积累是冲击倾向性评价的关键。因煤富含结构缺陷,破坏过程和能量演化更加复杂,针对此种煤样峰值强度时刻弹性能量无法准确求得的难题,对标准煤样进行单轴循环加卸载试验,以获取煤样不同应力状态下弹性应变能积累量,发现弹性应变能积累与应力–应变曲线变化趋势一致,在峰值强度时刻达到最大值。能量输入、弹性能量积累及能量耗散随煤样受载变形呈非线性演化规律,但在任一时刻应力的平方与弹性能量积累表现出良好线性关系。基于此改进峰值强度时刻弹性能量积累量计算方法,更加准确获取试件峰值强度时刻弹性应变能积累量。进一步提出综合考量煤体强度、能量演化及破坏时间的有效弹性能释放速率指数K_(ET)评价煤的冲击倾向性,并结合现有指标给出冲击倾向性分类临界值。最后采用远场碎屑质量占比w及平均粒径d_a表征的煤样破碎程度验证评价结果合理性。研究结果表明:K_(ET)可有效解决现有各项指标评价结果离散性大且相互之间存在冲突的局限性;冲击倾向性K_(ET)评价结果与煤样破坏状态对比,发现K_(ET)与w及破碎程度正相关,与d_a负相关,评价结果更符合实际。     

三维静载与循环冲击组合作用下砂岩动态力学特性研究

 利用动静组合加载试验装置,对具有不同轴压和围压的砂岩进行循环冲击试验,研究砂岩抵抗循环冲击载荷能力的变化特性,并重点讨论围压和轴压对砂岩动态疲劳力学特性的影响。围压分别设置为4,8,10和12 MPa四个系列,轴向静载荷分别设置为49,84,105和125 MPa四个系列,入射杆上的入射波大小相等,入射能大小为230 J。结果表明,相同围压下,总循环冲击次数随轴压的增大而减小;相同轴压下,随围压的增加,岩石承受的总循环冲击次数增加。随循环冲击次数的增加,岩石动态峰值应力、加载段的变形模量和弹性应变逐渐减小,动态峰值应变和残余应变逐渐增加。动态峰值应力和平均应变率具有良好的负线性关系;相同围压情况下,随轴压的递增,动态峰值应力和平均应变率拟合直线斜率的绝对值越来越大;相同轴压情况下,随着围压的增加,拟合直线斜率的绝对值越来越小。三维静应力情况下,减小轴压或增加围压有利于提高岩石抵抗外部循环冲击的能力。     

轴压下薄壁管断裂的可能性分析

在车辆的防撞设计中薄壁管作为耗能构件被广泛采用,轴压力是防撞部位承受的最典型荷载之一。为了减轻重量,薄壁管采用轻质材料诸如高强度钢材、铝和镁制成。然而,这些轻质材料中的大多数与传统的钢材相比更脆且易断裂。由于材料的应力、应变状态通常被作为判断其构造断裂点的依据,故对薄壁管的三轴应力分布和时程及其等效应变进行了有限元模拟。分析结果显示,三轴应力和等效应变沿着管长波动,方形薄壁管的断裂更可能发生在边缘而非其他位置。对于相同的轴压冲击,当初始冲击速度在6～24m/s变化时,方形薄壁管内部的应力、应变变化不大。对影响应力、应变状态的参数,包括横截面角的形状、壁厚和横截面形状分别进行研究。所得结果可为薄壁管的设计及轻质材料力学性能的试验特性研究提供参考。     

Discussions on rockburst and dynamic ground support in deep mines

The paper is a summary of discussions on four topics in rockburst and dynamic ground support.Topic1 is the mechanisms of rockburst.Rockburst events are classified into two categories in accordance with the triggering mechanisms,i.e.strain burst and fault-slip burst.Strain burst occurs on rock surfaces when the tangential stress exceeds the rock strength in hard and brittle rocks.Fault-slip burst is triggered by fault-slip induced seismicity.Topic 2 is prediction and forecasting of rockburst events.Prediction for a rockburst event must tell the location,timing and magnitude of the event.Forecasting could simply foresee the probability of some of the three parameters.It is extremely challenging to predict rockbursts and large seismic events with current knowledge and technologies,but forecasting is possible,for example the possible locations of strain burst in an underground opening.At present,the approach using seismic monitoring and numerical modelling is a promising forecasting method.Topic 3 is preconditioning methods.The current preconditioning methods are blasting,relief-hole drilling and hydrofracturing.Defusing fault-slip seismicity is difficult and challenging but has been achieved.In very deep locations(3000 m),the fracturing could extend from the excavation face to a deep location ahead of the face and therefore preconditioning is usually not required.Topic 4 is dynamic ground support against rockburst.Dynamic ground support requires that the support system be strong enough to sustain the momentum of the ejecting rock on one hand and tough enough on the other hand to absorb the strain and seismic energies released from the rock mass.The current dynamic support systems in underground mining are composed of yielding tendons and flexible surface retaining elements like mesh/screen and straps.Yielding props and engineered timber props are also used for dynamic support.     

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。     

深埋硬岩隧洞岩爆的结构面作用机制分析

 岩爆是深埋硬岩隧洞开挖过程中常遇到的动力地质灾害,从锦屏二级水电站深埋隧洞施工中发现结构面对岩爆具有重要控制作用。本文在总结国内外结构面型岩爆研究现状、列举典型结构面型岩爆案例的基础上,分析了不同结构面类型、产状、不同生产环境、施工方法等条件下结构面对岩爆的作用机制;提出了依据不同作用机制的结构面型岩爆分类方法。分析认为：结构面型岩爆可分为滑移型、剪切破裂型和张拉板裂型;边墙竖直产状的结构面易使围岩压制拉裂而诱发张拉板裂型岩爆,倾斜产状的结构面则会诱发滑移型或剪切破裂型岩爆;未揭露的倾斜产状的结构面诱发的剪切破裂型岩爆强度可能要大于相同条件下揭露出的结构面诱发的滑移型岩爆;采矿工程中容易发生大尺度的滑移型岩爆,而水电交通隧洞更容易发生小尺度的滑移型岩爆,且结构面控制爆坑深度和边界;对剪破坏主导的结构面型岩爆,结构面的力学性质、强度特征因控制所诱发岩爆的能量来源,因而影响岩爆的强度等级。本研究将对深埋硬岩隧洞结构面型岩爆的发生机制、控制方法等具有一定指导意义。     

断层岩爆是应变局部化导致的系统失稳回跳

讨论了应变局部化、岩爆及Ⅱ类变形行为的关系，并利用梯度塑性理论得到了4种等效的回跳准则。局部化是岩爆的前兆之一，也是出现Ⅱ类变形行为的原因。利用最小势能原理及梯度塑性理论，可得到系统的失稳判据；利用位移法，可以得到系统的Ⅱ类变形行为。若非弹性剪切位移(或平均塑性剪切应变)的增加快于弹性剪切位移(或平均弹性剪切应变)的降低，将出现Ⅰ类变形行为；反之，将出现Ⅱ类变形行为。弹性区与剪切带宽度的比率越大，或剪切弹性模量与剪切降模量的比率越小，系统越容易失稳。     

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。     

一种新的岩爆倾向性指标

从岩石的变形和破坏过程中的能量储存和能量耗散出发，指出岩石的单轴抗压强度与单轴抗拉强度之比值可以表征结构较完整岩石的弹性变形能的储存能力以及峰值前后的应变量之比值可以表征岩石的能量储存与耗散之间的相对大小，提出用这两种比值的乘积作为岩爆倾向性指标。采用铜陵有色金属公司冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行试验，对这种新的岩爆倾向性指标与现有的岩爆倾向性指标进行对比分析，结合该矿床实际的岩爆调查，说明新指标可以较好地表征岩石的岩爆倾向性，并提出了这种新指标判据的初步建议。     

岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。     

煤系岩石的成分、结构与其冲击倾向性关系

煤岩体的冲击倾向性是发生冲击地压的固有属性和必要条件,且影响煤岩体冲击倾向性的因素很多;而煤岩体的物质成分、岩性组构是煤岩体的内在属性,是决定煤岩冲击倾向性的内在因素。从煤岩的微观结构出发,研究煤岩的受力情况、强度特征、变形破坏过程,构建煤岩的微观组构与煤岩的宏观力学性质之间的关系模型;分析煤岩蓄能和耗能的作用机理,从而构建煤岩体的物质成分、岩性组构与煤岩的冲击倾向性大小之间的定性、定量关系。试验研究与理论分析结果表明,随着碎屑颗粒(石英)含量的增加,岩石的强度和刚性增强,受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少,发生应变型冲击地压的可能性增加。随着碎屑颗粒粒径的减小,粗粒的粒柱状矿物(石英、长石等)逐渐减少,而细粒的片状矿物(云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等)增多,岩石的刚性减弱,在集中应力作用下,产生塑性变形所耗散的永久变形能增加,发生脆性破坏的可能性减小,岩石的冲击倾向性减小。     

不同开挖方式下深埋隧洞微震特性与岩爆风险分析

在分析钻爆法和TBM法开挖下围岩应力状态的基础上,基于锦屏二级水电站深埋隧洞微震监测数据,对比研究了钻爆法和TBM法开挖条件下深埋隧洞的微震特性及岩爆风险。结果表明:1钻爆法开挖引起的围岩应力集中距洞壁较远,形成的应力梯度较小;而TBM法开挖引起的围岩应力集中临近洞壁,形成的应力梯度较大。2钻爆法开挖时围岩应变能主要集中在爆破后数小时,尤其是在1 h内释放,而TBM法以连续的方式开挖卸载,剧烈的能量释放伴随着施工全过程。3TBM法开挖导致的事件震级及震源破裂尺度均比钻爆法开挖引起的大。4钻爆法开挖时,围岩积聚的应变能大多以岩体破裂的形式耗散,以岩爆形式显现的较少;而TBM法开挖时,围岩应变能常逐次释放,导致事件频繁发生,而且部分应变能以岩爆形式显现,一般地,同一小范围内常多次发生轻微岩爆,高等级岩爆孕育过程中常伴有低等级岩爆,如中等岩爆发生前伴有轻微岩爆,强烈岩爆孕育过程中伴有轻微和(或)中等岩爆,以此类推。综合上述研究结果认为,在具有强岩爆风险的深埋隧洞中,就防治岩爆而言,钻爆法优于TBM法。     

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。