朝阳煤矿深部冲击倾向性试验研究

冲击地压灾害防治是深部开采面临的重要难题之一。朝阳煤矿采深在600 m水平以上,后期开采将达到1 200 m。开采初期出现了微弱冲击动力现象,为评价深部煤层的冲击危险性,对不同地点煤层的力学性质与动态破坏特性进行了试验研究,获得了深部煤层冲击倾向性评判结果,同时对深部煤岩体浸水后对冲击倾向的影响进行了研究,为防治冲击地压提供了试验依据。     

某矿顶板岩体可崩性评价及其经验

以大厂铜坑矿92号矿体顶板宽条带灰岩为研究对象，通过丰富的野外实测及统计资料，运用赤平投影和AutoCAD技术找出了三组优势结构面，同时利用国际上通用的RMR分类和Q系统分类进行岩体质量分级，得出矿岩体质量等级为Ⅲ级，根据Laubscher的岩体质量地质力学分级法，通过采动力系数修正，求出采矿岩体质量分值MRMR为Ⅳ级，最后根据MRMR和Laubscher的可崩性曲线来评定初步设计中三房两柱法的合理性．该项研究对92号矿体顶板的安全崩落具有重要的指导意义，对类似工程问题也具有参考价值。     

贯通节理砂岩峰后变形试验研究及其在隧道支护中的应用

深部资源开发中地下硐室围岩稳定控制必须面对峰后碎裂岩体的变形和破坏问题,但目前对峰值强度后的变形特征和强度特性研究不足,认识不充分,常导致大体积塌方、大变形等重大工程事故。采用RLW-1000型岩石三轴伺服刚性机对不同围压贯穿裂隙圆柱体标准试件进行常规三轴压缩试验,分析裂隙岩体在不同围压下裂隙岩体的峰后强度和变形特性。试验结果表明:裂隙试件的峰值强度,残余强度和峰值应变基本上是随着围压的增大而增大;围压越小,裂隙岩石峰后扩容现象越明显,岩石扩容随围压增大而减小,且岩石可塑性和围压共同影响岩石扩容。结合试验结果分析发现将峰后非连续体变形控制在残余强度的初始阶段,能以相对较低的支护阻力有效控制过高的破裂膨胀变形发生,保证隧道围岩的稳定。     

充填体矿柱刚度对采动地压分布影响分析

为研究充填体变形特性对采动压力分布的影响规律,采用弹性地基梁理论和结构力学理论,构建了充填体矿柱采动地压分布力学模型,给出了充填体变形参数影响下的矿柱压力理论解析解,分析了不同刚度比对采动地压分布影响规律,并提出了基于充填体与围岩变形参数匹配的充填体力学设计方法。研究结果表明：充填体与围岩变形参数对充填采场采动压力分布影响显著;岩体与充填体弹模比小于1000时,围岩及充填体采动压力对弹模比的参数敏感度较高;在充填体参数设计时,应将岩体与充填体弹模比控制在1500以内,为类似充填开采矿山的充填体力学设计提供了有益参考。     

颗粒煤岩破裂过程声发射与电荷感应试验

考虑颗粒间摩擦和黏结力作用,建立了基于颗粒物质力链失稳的煤岩体破裂判据。分析颗粒煤岩单轴压缩试验结果,得到了颗粒煤岩抗压强度、弹性模量随颗粒煤岩粒径增加而降低的变化规律,从细观尺度证明了煤岩单轴压缩张拉破坏的根源为剪切破坏。分级和循环2种加载试验研究结果表明：颗粒煤岩破裂过程中的声、电荷信号与力链中颗粒摩擦及粘结情况密切相关,声、电荷信号的产生机理存在本质上的差别。从破裂类型看,微裂隙的张拉破坏和颗粒摩擦错动均可导致声发射出现,而煤岩颗粒间的摩擦和微破裂面的相互错动是产生大量自由电荷、发生电荷感应现象的主要原因。可以利用声信号高-低-高的周期变化次数预测采动煤岩体经历的分级和循环加卸载次数;电荷信号首次突变-平稳-突变的出现时间是采动岩体应力阶段的划分标准。声、电荷信号幅值突变的剧烈程度是采动煤岩体失稳的重要前兆物理信息,可由此预测煤岩体稳定性,以便及时做出预警和相应的防护措施。     

基于位移增量的高地应力下硐室群围岩蠕变参数的智能反分析

深部高地应力下硐室围岩蠕变力学参数不准已成为制约岩体工程理论分析和数值计算发展的"瓶颈"问题,因而确定可靠的岩体蠕变参数服务于工程实际成为重点关注的课题,为此提出基于位移增量敏感性分析的高地应力下硐室群围岩蠕变参数的智能反分析方法。该方法基于描述深部高地应力条件下围岩蠕变随时间破坏特征的分数阶微积分的蠕变本构模型,取较为典型的主硐室顶拱位移、拱肩位移和边墙位移作为表征围岩的特性指标,从参数敏感性分析着手,确定模型中对位移较为敏感的5个蠕变参数(瞬时剪切模量、黏性系数、黏弹性剪切模量、黏弹性系数、分数阶系数β),并遵循"大值原则"和"敏感性原则"提取位移增量数据,输入主厂房和主变室等不同位置的现场位移增量监测信息建立多数据融合的适应度函数,采用均匀设计方法构造各参数不同水平组合的学习样本和训练样本,通过遗传算法与神经网络相结合的智能优化算法在解的全局空间进行搜索,确定反演蠕变参数值,最终通过灰色关联度和后验差法联合校核位移增量实测值与计算值。实例分析结果不仅表明智能优化算法获得的硐室围岩蠕变参数可靠性高,也验证了该法的有效性和合理性,同时为深部高地应力大型硐室长期稳定性评价时参数确定提供一个新手段。     

会泽铅锌矿深部围岩岩爆倾向性分析

会泽铅锌矿8#矿体埋深大、原岩应力高,局部地段已有岩爆发生,为保证井下安全回采,有必要进行围岩岩爆倾向性方面的研究.根据矿体地质赋存条件,基于岩石Kaiser效应的测试结果,测得了该矿1451～901m中段的地应力方向和大小,同时结合室内岩石力学参数测试结果,采用应力判据,分析了8#矿体深部矿岩岩爆倾向性,总结了现场岩爆特征.研究表明:8#矿体1451～901m中段均有中等至强烈岩爆倾向性,为8#矿体回采顺序、采场结构参数优化和微震监测系统布置提供了基本资料.     

Induced Seismicity Monitoring and Procedure of Rock-Burst Focus Localization

On the basis of concentration criterion of solid body failure, an approach is proposed for identifying and determining the location of failure foci in the rock mass. The efficiency, stability, and possibility of using the approach in question are considered for predicting the rock bursts.     

冲击荷载下轴压对峰后破裂砂岩力学特性的影响

针对深部工程围岩常处于峰后破裂状态且遭受动力扰动影响的特点,利用动静组合加载SHPB实验装置对经静态压缩制备的峰后破裂砂岩进行冲击压缩试验,开展一维动静组合加载下破裂岩石的力学特性研究。试验中预先设置轴向静载为8,24和48 MPa三个系列,然后进行不同应变率下冲击加载,研究轴向静载对峰后破裂砂岩动力学特性的影响。对比完整砂岩试验结果表明:轴向静载8 MPa和相近应变率条件下,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均低于完整砂岩组合强度与冲击强度,两者变形模量相差不大,但峰后破裂砂岩单位体积吸收能大于完整砂岩单位体积吸收能。轴向静载相同时,峰后破裂砂岩组合强度与冲击强度均随着应变率的增大而增大;轴向静载不同时,峰后破裂砂岩组合强度随着轴向荷载的增大而增大,而冲击强度随着轴向静载的增大先增大后减小。随着轴向静载的增大,峰后破裂砂岩单位体积吸收能也随之增大。动静组合加载下峰后破裂砂岩呈剪切破坏模式,且原始裂纹影响破裂面的扩展方向。     

大红山铁矿深井大规模开采岩爆综合评价

大红山铁矿是特大型深埋矿床,在深井开采时遇到的一个技术难题就是岩爆。为评价岩爆倾向性烈度,对该矿深部5种岩样进行室内岩爆倾向性试验,并采用声发射方法确定岩石接近峰值强度时的卸载点;通过地应力现场实测和三维有限元数值模拟,获得深部最大主应力和巷道开挖后最大切向应力;采用最大主应力判别法、切向应力准则、强度脆性系数法、变形脆性系数法、弹性应变能储存指数法这5种评价方法,对岩样的岩爆倾向性进行单项指标评价,分别得到各矿岩岩爆倾向性烈度。然后采用模糊数学法,对各单项指标评价结果进行综合评价。结果表明:深部主要矿岩体总体上具有发生中等岩爆和强烈岩爆的倾向性。最后,通过评价结果,在岩层图上绘制典型水平岩爆倾向性分布区域,可为深部开采和岩爆防治提供参考依据。     

深部矿岩岩爆倾向性的模糊识别

深部矿岩岩爆问题是困扰采矿过程的主要问题之一,预测岩爆倾向需要综合分析多个影响因素。本文视岩爆倾向性为一模糊集论域,采用模糊数学中模糊识别间接法,根据具体矿岩模糊子集与岩爆类别子集贴近关系,对其进行模糊归类,这比单纯采用模糊综合评判专家评分更具有客观性和科学性。     

新城金矿滕家矿区深部巷道围岩破坏与数值分析

针对新城金矿滕家矿区深部巷道围岩进行现场工程地质调查、岩石力学实验，分别应用RMR、Q和GSI方法对巷道围岩进行岩体质量分级，确定其围岩体质量等级为III级，岩体质量差~一般。以岩体质量分级为基础，应用Hoek-brown准则和经验公式估算岩体力学参数。应用弹塑性力学解析巷道围岩塑性区破坏范围，并以此为基础应用Phase2对巷道围岩稳定性进行分析。结果表明：巷道顶板塑性破坏范围为0.598 m，两帮塑性破坏范围分别为0.84 m和0.695 m；巷道顶板位移为7.2 mm，两帮位移分别为7.6 mm和6.8 mm；从巷道围岩应力分析可以看出，深部巷道开挖产生的应力集中超过岩体强度，由此判断深部巷道围岩破坏主要是开挖扰动应力作用在节理化岩体上致使巷道围岩失稳破坏，本研究结果对该矿深部巷道围岩支护提供依据。     

采用广义Hoek—Brown准则反算滑坡岩体强度

滑坡可能为一个实比例的大型岩体强度“试验”,它真实地反映特定地质和工程条件下边坡岩体的力学响应特性。本文采用非线性广义Hoek-Brown破坏准则,引入地质强度指标,为反算破裂结构岩体边坡破坏时所调动的抗剪强度参数提出一种简洁、实用的方法。     

Preliminary estimation of rock mass strength using diamond bit drilling operational parameters

In many mining engineering applications such as prospecting, development, production and grouting, diamond bit drilling is widely used due to high penetration rate, core recovery and its ability to drill with less deviation. It has been well known that the operational parameters of diamond bit drilling are closely related with rock mass strength properties. One of the most widely discussed subjects in drilling is the possibility of using diamond drill bit operational parameters for preliminary estimation of rock mass strength and deformability properties used in many mining engineering design projects. Once such rock properties are estimated, it will be possible to make tactical planning decisions as mining progresses. In this study two different techniques, multiple regression and adaptive neuro-fuzzy inference system (ANFIS) were used to develop the models for preliminary estimation of rock mass strength. The variables used in the models are widely known and recorded operational parameters of diamond bit drilling such as bit load, bit rotation and penetration rate. To develop the models, a database covering the rock properties and the machine operational parameters collected from seven different drill holes in Turkey was constructed. Results indicate that both regression and ANFIS-based models can successfully be used to predict the rock mass strength. Adaptive neuro-fuzzy inference model exhibits better performance according to statistical performance indicators. By means of the developed models it is possible to estimate the strength of rock mass during drilling operation, especially in weak and highly fractured rock masses. The estimated strength parameters can be related to further mining engineering applications such as the assessment of excavatability, blast design and even mine design studies.     

基于模糊聚类和hoek-brown准则的裂隙岩体力学参数计算

节理裂隙边坡岩体稳定性研究首先需要确定可靠的岩体力学参数。通过提依尔金矿露天边坡节理裂隙测量数据的统计分析,运用模糊等价聚类和模糊软划分聚类分别求得节理裂隙的最佳分组和中心产状。依据模糊聚类的结果,利用Hoek-Brown法确定出裂隙边坡岩体的力学参数。提依尔金矿露天边坡岩体参数的计算过程表明采用模糊聚类分析结合Hoek-Brown准则来确定岩体参数的方法在工程实践中简便易行、实用性强,对相似矿山的边坡稳定性分析工作具有借鉴意义。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理,对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验。结果表明:裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响。应力应变曲线初始段呈“上凸型”特征,这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载。砂岩峰值强度、弹性模量、抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关;泊松比、体积应变与裂隙倾角呈非线性负相关关系,但变化幅度不大;低温冻结环境一定程度上增强了砂岩颗粒间胶结度及摩擦力,使得不同裂隙砂岩均呈单斜面剪切破坏特征,除主剪切面斜裂纹外无明显翼裂纹及次生裂纹出现。通过建立考虑裂隙砂岩强度和变形的损伤演化方程发现,随裂隙倾角增大,砂岩起裂应力水平、扩容应力水平均逐渐增大,而峰后应力应变曲线跌落状态越明显,表明应力应变曲线弹性阶段相对变长,塑性阶段变短,砂岩脆性增强,抵抗塑性变形能力下降。     

不同加载速率红砂岩峰后蠕变特性试验研究

低强度岩石峰后蠕变特性复杂,在实验室通过RLW-2000型三轴流变仪,对2种加载速率9个红砂岩样进行峰后增量加载单轴蠕变试验,分析岩样峰后不同应力水平与不同加载速率下瞬时应变与蠕变应变特征,确定瞬时强度与峰后蠕变破坏强度关系,探讨不同阶段红砂岩样破坏失稳基本形态。结果表明：在相同应力加载条件下,加载速率越大,瞬时应变变化越小,衰减蠕变应变增量越大,等速蠕变应变增量越小;随着蠕变应力水平的提高,红砂岩样瞬时应变表现为快速减小-缓慢减小-缓慢增加-快速增加的整体减小趋势,而红砂岩样峰后蠕变应变则表现为平缓-增加-急速增加的非线性增加趋势,且非衰减蠕变具有明显蠕变3阶段特征;峰后岩样蠕变破坏强度较为接近,离散性小,岩样峰后蠕变破坏强度平均达到了瞬时强度的89.73%;瞬时压缩破坏岩样呈现压剪破坏,岩样破坏块度大,峰后蠕变破坏主控破裂面形态复杂,加载速率越小,峰后蠕变岩样局部弱化特征越明显,但破坏失稳以主破裂面压剪失稳为主。     

深部巷道围岩分区破裂化数值模拟

对应变软化模型岩体的变形机理进行分析,确定了巷道围岩产生分区破裂的前提条件为岩体变形进入峰后塑性及残余破坏阶段。对地下硐室围岩应力变形状态进行FLAC数值模拟,并基于破坏接近度指标对围岩完整状态进行描述。结果表明：分区破裂化与岩体峰后特性密切相关,是应变软化模型特有的属性,理想弹塑性模型并不能产生分区破裂化;计算结果对网格精度具有依赖性,当近巷网格大小为巷道半径的1/60时,巷道围岩出现螺旋带破裂区域,产生分区破裂,而在粗糙网格下则为传统弹塑性环状对称变形;分区破裂化区域受平面内侧压力系数影响显著,分区破坏主要集中在硐室围岩应力较大的方位;分区破裂化是巷道开挖过程中二次应力场在时间和空间重分布的结果。     

准静态应变率下的煤岩非线性力学特性

为研究开挖扰动下煤岩的非线性力学特征，利用MTS815伺服刚性试验机对芙蓉白皎煤矿煤岩进行10-5~10-2 s-1准静态应变率下的单轴压缩试验，分析准静态应变率下煤岩的应力-应变曲线、抗压强度、弹性模量、泊松比等力学特性的变化规律，基于煤岩显著的非线性力学特征，修正并验证黏弹性损伤本构模型的合理性。研究表明:① 煤岩单轴压缩荷载作用下具有明显的压密、线弹性、塑性屈服、峰后破坏4个阶段;煤岩力学特性应变率相关性突出，随着应变率的增加，压密阶段缩短，线弹性阶段增长，屈服阶段应力强化特征及峰后破坏阶段应力软化特征趋于明显;② 由于原生裂隙的闭合和扩展，煤岩受载作用下，各阶段均呈现显著的非线性力学特征，随着应变率的增加，压密阶段和线弹性阶段表现出的明显非线性特征呈减弱趋势;③ 准静态应变率10-5~10-2 s-1范围内，抗压强度随应变率增加由8.83 MPa增加至12.57 MPa，增长率42.35%;弹性模量随应变率增加总体呈现先增加后减小的变化趋势，在10-5~10-4 s-1应变率区间，弹性模量由1 644 MPa增加至1 825 MPa，随后在10-4~10-2 s-1应变率区间内减小，变化趋势发生明显转折;泊松比在准静态应变率下随应变率增加而呈现逐渐减小的变化趋势，从1.53下降到0.71，减小53.59%;整个准静态应变率范畴下，煤岩的力学特征参数(抗压强度、弹性模量、泊松比)均表现出显著的非线性变化趋势，均在临界应变率10-3 s-1附近发生转折。④ 利用一个损伤体和一个Maxwell模型并联方式，综合考虑准静态应变率下煤岩的非线性变化特征后，引入材料常数a对胡克定律进行修正，推导得出准静态应变率下煤岩的非线性损伤演化本构方程，并结合煤岩单轴压缩试验对其合理性进行验证。     

基于岩体损伤模拟的露井联采边坡稳定性

岩体是具有初始几何损伤的多裂隙介质,露天和井工开采导致应力场发生改变,进而节理扩展,损伤增加,强度降低。根据Kawarnoto损伤张量概念、等效应变原理及断裂力学理论,对安太堡煤矿露井联采条件下的节理岩体损伤演化进行了模拟,得到了边坡岩体在露采与井采时损伤张量的时空分布演化特征。建议应用反映采动效应的损伤张量或截面损伤度作为岩体扰动参数,根据岩体质量分类RMR值,确定Hoek-Brown强度参数m和s,体现了岩体强度的各向异性和时空变化。应用到安太堡煤矿露井联采条件下的边坡稳定性分析中,安全系数为1.89~2.32,说明发生剪切破坏的可能性较小,边坡岩体的破坏主要由井工采空区坍塌引起。