声波测试在金伯利岩中的应用—701矿试验区声波测试中的几个问题

前言声波在均质岩体中传播的波速公式为:式中:V_p——纵波波速;V_s——横波波速;E——弹性模量;ρ——岩石密度;μ——泊松比。显然V_p、V_s 是μ、ρ、E 的函数,由于E、μ、ρ是反映岩体特性的指标,因此V_p、V_s 可作为衡量岩体力学特性的一种方法。当岩体存在裂隙、地应力、以及含水等情况时,就会改变原有的E、μ、ρ值,从而使V_p、V_s 发生变化。基于以上原理,波速可用以测定硐室周围     

受载岩体破坏全过程声波响应特征及工程意义

矿井灾害的孕育和发展过程中,常伴随着岩体应力的变化,岩体应力的变化引起岩体发生变形、破坏,从而改变围岩的声学特征,其中岩体的波速变化特征可对煤矿某些地质灾害起到预测预报的作用.通过晋城矿区现场取样,采用岩石力学加载系统和声波测试系统对岩石单轴加载破坏全过程的声波脉冲信号进行实时采集,利用自主开发的脉冲信号初至时间智能处...     

基于台网布置动态修正和岩体波速动态计算的微震监测方法研究

针对矿山开采不同阶段因岩体空间结构、应力分布、各向异性等变化引起微震监测误差,本文提出了一种基于台网布置动态修正和岩体波速动态计算的矿用微震监测方法,采用动态计算岩体波速,弥补矿山采掘过程中岩体参数变化引起的波速误差,利用动态修正台网布置和岩体波速,实现高风险源的针对性监测,从而进一步提高微震监测及分析的准确性。     

基于分段解除的深部空心包体应变计中非线性优化算法

随着浅部资源的日益枯竭,地下开采的深度不断增大,千米级乃至更深的矿产资源开采已成为常态。因此弄清深部岩体原岩应力的赋存环境是至关重要的,目前CSIRO地应力测量作为国际岩石力学学会建议直接测量方法,在世界各地广泛使用。在浅部岩体空心包体应变计地应力测量解析式中,弹性模量和泊松比都是通过室内双轴加载数据拟合获得的常数。进入深部岩体表现出高度的非线性,在对解除岩芯进行高压双轴加卸载试验中发现围压与应变的关系非线性,并且随着围压不断增大非线性关系尤为突出。传统的双轴加载试验设备最大围压加载值试验室内测得20 MPa,不能满足深部岩体解除岩芯的高压双轴试验模拟解除岩石在深部所受的应力环境。因此对传统的设备进行改造,研发了一套高压双轴加载试验装置,所承受的理论最大径向压力为200 MPa以上,目前试验测试的最大围压为100 MPa。对三山岛金矿埋深800 m的解除岩芯进行了高压双轴加卸载试验,分析应力与应变的关系提出一种平均应力与体积模量和剪切模量之间的非线性双曲线模型,明确了模型中3个拟合参数的物理意义,推导出平均应力与应变之间的非线性关系特征公式。基于弹性力学理论原岩应力分量计算在不考虑解除路径时,应用最小二乘法进行计算后获得最大主应力大小为53. 11 MPa,西北312°,倾角为8°。本文提出的考虑解除路径的优化算法,将整个解除过程分成多个阶段,每个阶段的变形模量计算参数与解除岩芯所受应力状态有关,且符合推导的应力与应变的非线性关系公式,各个阶段叠加计算的最大主应力大小为47. 78 MPa,西北311°,倾角为5°。     

HML磷矿露天边坡岩体力学参数测试及折减方法

为了对HML露天矿进行边坡稳定性分析,需要全面了解边坡地质情况和获取可靠合理的边坡岩体力学参数。通过室内岩石力学试验测量得到了HML矿山边坡岩体的抗拉强度、泊松比、弹性模量等力学参数。并采用几种基于室内岩石样本试验和工程地质资料相结合的岩石力学参数的折算方法,对测得的HML边坡岩样力学参数进行处理,得到了可用于实际工程分析和建模计算的较为合理、准确的岩石力学参数。     

环氧树脂三轴应变计与岩体应力量测

圆筒形环氧树脂三轴应变计用于单孔测定岩体三维应力。它的力学性质、几何尺寸与岩体应力的测量结果有密切关系。应对环氧树脂材料的力学性态作多方面测定,并由此确定温度及蠕变对弹性模量的影响、蠕变引起的虚假应变,以便供应力测量时选用合适的弹性模量之用及修正测得的应变值。为检验应变计,将其粘结于铝试块中央直径36mm 的圆孔内,做单向压缩实验。实验表明这种应变计的测量精度是好的。现场应力测量在旗山矿-700m 水平的石灰岩中进行。经过对含应变计岩芯截开检查及应变-解除距离曲线的检查分析,可以证实提供的岩体应力状态资料是可靠的。     

麻栗场隧道施工仿真反演分析

根据麻栗场隧道现场监测结果,采用弹塑性位移反分析的方法,得到反映围岩综合性状的弹性模量E、地应力侧压力系数K的值.通过与临近断面的监测结果进行对比,检验反演参数的合理性.结果表明,反演所得参数基本反映了工程区岩体的实际物理力学性状,对隧道施工和设计具有一定的指导意义.     

深部损伤岩体弹性模量的确定方法

深部地下洞室开挖后,洞室表层围岩会出现大量微裂隙,在二次应力场调整过程中,这些微裂隙逐步扩展贯通导致围岩出现片帮、板裂以及塌落等损伤现象,从而无法利用钻孔取样对表层损伤区岩体的弹性模量进行确定。本文基于损伤力学原理,利用现场声波测试与经验公式对损伤岩体的弹性模量进行初步判断,确定其大致范围,然后联合神经网络与损伤本构模型RDM对岩体的弹性模量进行精确反演,进而获得损伤岩体弹性模量的分布规律。通过红透山27采场的实际应用,证明了该方法确定深部损伤岩体弹性模量以及岩体完整性分布规律的可行性。     

岩石黏性系数的超声波法测试与敏感性分析

基于超声波在Kelvin-Vigot黏弹体传播过程中的幅值衰减规律,推导了岩石黏性系数的理论计算公式。通过室内岩样的超声波试验,获取不同发射波频率下的黏性系数。引入相关系数,进行岩石黏性系数与密度、波速、弹性模量的相关性分析。结果表明:岩石的黏性系数随超声波发射波的频率呈负指数函数关系;岩石的黏性系数对弹性模量的变化最为敏感,而对纵波波速的变化最不敏感,可用岩石的弹性模量来表征黏性系数;建立岩石黏性系数随发射波频率变化的统一拟合公式,拟合参数C₁对弹性模量的变化最为敏感,拟合参数C₂对纵横波波速比的变化最为敏感。研究成果可以为岩石力学参数测试和岩石动力学特性研究提供参考。     

注浆加固工作面底板岩体力学性质“增强-损伤”的定量测定

应用超声波检测技术现场探测了"原岩(包括断层带)-注浆-开采"全过程中底板岩体弹性模量,研发了一种用于斜孔探测的探头保护装置。并结合岩块破裂与注浆效果的超声波探测室内试验,应用损伤力学分析了注浆增强及开采损伤对底板岩体弹性模量的影响规律。以岩体弹性模量数值及其变化率为基准,提出了"弹模增强度"和"弹模损伤度"的参量,定量测量了注浆加固及开采对底板岩体弹性模量的"增强-损伤"程度。结果表明:注浆加固对泥岩弹模增强度最大,达到640%~733%;砂岩次之,为241%~300%;灰岩最小,为146%~216%;受开采影响,不同岩性的岩体弹模损伤度差异不大,为21%~35%。研究成果将注浆和开采对岩体力学强度的影响细化到主要岩性,对具体岩性的影响提升为定量。这有助于全面认识注浆加固防治工作面底板突水的机理及定量分析其效果;有助于诸多防治水理论和方法在注浆加固工作面的应用。同时,形成了全过程中岩体弹模的现场定量观测方法,丰富了注浆加固效果检测手段,对制定注浆加固工程方案具有指导意义和实用价值。     

基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望

深部围岩开采前处于高静应力状态,开采(开挖)过程中不可避免承受机械或爆破开挖带来的开采扰动、卸载扰动以及应力调整扰动作用,属于典型的动静组合受力状态。用动静组合加载力学研究深部开采岩石力学问题更加符合深部围岩开采的实际情况。从深部围岩开采受力全过程出发,介绍了"岩石动静组合力学"概念和试验研究的提出过程,阐述了岩石动静组合力学试验研究从一维状态到二维状态再到三维状态的发展历程,并重点介绍了真三轴动静组合加载岩石力学试验系统的研制情况和取得的研究进展。根据对深部开采岩石力学科学认识的不断深入,结合动静组合加载岩石力学试验相关研究结果,揭示了深部岩石在各种动静组合受力状态下的力学响应、破坏特征以及能量规律,科学再现并解释了岩爆、板裂及冲击地压等非常规岩石破坏现象和机理。在此基础上,系统总结了真三轴动静组合加载岩石力学试验机的共同特点,并提出了未来研究的4个重点发展方向:(1)发展能实现"三维高静应力+卸载+冲击扰动"功能的真三轴SHPB动静组合加载试验机;(2)发展大尺寸岩石内部卸荷真三轴试验机;(3)基于三维动静组合加载岩石力学试验聚焦深部围岩发生岩爆灾害的能量机理;(4)开展深部原位保...     

英安斑岩物理力学参数与声波速度之间的关系

对英安斑岩进行了声波波速测定,并测试了静力学参数,研究了英安斑岩的动弹性力学参数,建立了动静弹性参数之间的关系以及与波速的关系,并与已有结论相比较.研究结果表明,英安斑岩的密度和动弹性模量与纵横波波速有良好的线性相关性.其单轴抗压强度与声波波速有二次函数关系.最后,对岩石密度和声波波速之间具有的正向相关性关系的应用进行...     

含结构面岩体三轴压缩试验数值模拟研究

基于现行岩体力学试验方法, 建立三轴压缩试验数值模型并辨识模型的可行性。以风滩水电站为背景, 对含结构面的岩体进行三轴压缩试验数值模拟, 研究了岩体等效弹性模量各向异性的尺寸效应以及岩体结构面倾角、间距等因素对岩体等效弹性模量的影响。采用此法模拟岩体三轴压缩试验0求解岩体等效弹性模量, 克服了承压板变形试验求解岩体等效弹性模量的理论缺陷, 避免了现场岩体三轴试验周期长、代价昂贵等不足, 为求解含结构面岩体的宏观力学参数开辟了一条新的途径。     

岩石声发射Kaiser效应研究现状及展望

由于原岩应力现场测量存在着施工困难、测量过程复杂、测量环境要求高等问题,通常只能利用较少的现场测量点获取地下空间区域的原岩应力信息,岩石力学与工程界一直在寻求相对简便易行的原岩应力测量方法.其中,岩石声发射Kaiser效应是一种可以在室内测量原岩应力的重要方法.岩石声发射Kaiser效应已有超过半个世纪的研究历程,至今...     

动静荷载作用下硬岩峰后力学试验研究

对3种典型岩石分别进行了峰后循环加卸载试验和峰后振动试验, 研究了围压对岩石变形和弹性模量的影响。结果表明:抗压强度随峰后循环加载静荷载次数增加而衰减, 弹性模量在循环加载中也出现软化现象; 峰后每个循环的卸载过程及加载初期无明显声发射现象, 在应力加载到新峰值的60%~90%时才开始出现声发射激增现象, 使用“应变历史”作为凯瑟效应判断标准可以较好地解释这一现象; 在振动荷载作用下, 围压的初步增加对粉砂岩和花岗岩的损伤闭合有积极作用, 但进一步增加会抑制粉砂岩损伤的继续闭合。     

基于应变耦合渗流模型的裂隙岩体弹性模量研究

原地直接测定裂隙岩体的弹性模量E_m,由于各种原因,在工程实践中往往有一定的困难。作为一种替代方法,通常人们利用实验室测得的岩石弹性模量E来确定裂隙岩体弹性模量E_m。提出的耦合应变渗流模型,建立了裂隙岩体中裂隙与岩块在应力作用下的变形协调和应力平衡关系,通过考虑裂隙岩体中地下开挖体涌水量大小可直接反映裂隙的贯通情况和密度大小这一事实,用地下开挖体涌水量大小和岩体弹性模量折减系数E_m来计算岩体弹性模量。为计算岩体弹性模量提出了一个可能的新途经。 该模型的结果与实际数据吻合良好。     

深部岩体力学与开采理论研究进展

随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭,深部矿产资源开采已然趋于常态。然而,由于深部岩体典型的"三高"赋存环境的本真属性及资源开采"强扰动"和"强时效"的附加属性,导致深部高能级、大体量的工程灾害频发,机理不清,难以预测和有效控制,传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家"十三五"重点研发计划"深部岩体力学与开采理论"针对上述难题进行了系统研究,本文详细总结了项目研究进展,包括:①初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;②系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为,构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式,开发了批数据处理网络算法反演深部地应力场,系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚、能量耗散特性;④提出了"强扰动"和"强时效"特征的判定依据,探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论,研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型,实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化,研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟,提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法,研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制,提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法,创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素,初步构建了"高保低损"型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型,提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容,初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。     

基于高精度位移测量的水平差应力系数计算方法

地应力参数的获取对于页岩气的勘查评估以及开发工作十分重要。其中,水平差应力系数是决定地层可采性的基础参数之一。为了更为准确地确定地应力参数,克服传统应力解除法测试深度有限、解除作业时间较长、测试成功率较低的问题,提出了一种基于高精度位移测量的水平差应力系数计算方法,并采用有限元方法对公式进行验证。考虑钻井液液柱压力对维持井壁稳定性的重要作用,进一步修正公式,使其能适用于深孔有压环境下,并分析了主要误差来源,给出控制误差的方法。研究得出:通过比较理论反算结果与数值计算结果,表明推导出的公式的正确性;有限元计算表明,在岩芯直径为30 mm的条件下,环切深度达到48 mm即能达到完全应力解除的目的,与传统取芯方法相比大大减少;在同一平面布置间隔120°三处测试点,能够满足测试需要;该方法的误差来源主要包括位移测试精度、岩体不连续面存在以及岩体变形参数、钻孔形态参数精度等,并给出了相应的控制方法。这种新方法不受孔深限制,具有测试时间短、测试成功率高的特点,对于页岩气的勘查以及开发具有重要的意义。     

基于空心包体应变计的扰动应力云监测系统构建

扰动应力是导致地下工程岩体破坏失稳的原因,扰动应力监测岩体工程稳定性及地下结构应力状态的及时反馈,为地下结构的安全提供重要保障。目前,扰动应力监测使用电磁辐射技术或微震测试技术易受到电磁干扰影响测量精度;钻孔应力监测技术又受到设备长期供电、数据采集复杂等因素制约。本文基于数字化完全温度补偿型的空心包体监测应变计,优化岩石力学实时扰动应力计算方法,通过研发并构建扰动应力云监测系统,实现了对金川镍矿二矿区1 150m水平有轨联络道实验洞段的线上扰动应力长期监测。近416d的应力监测数据表明,该系统数据传输稳定,系统运行过程稳定可靠,实现了远程云端长期采集和数据传输,提高了扰动应力监测的效率,为后续其他项目中应力测量数据和监测数据的实时入网上传提供接口和平台。研究方法和监测方案对同类型工程具有借鉴意义。