高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究

为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律,通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载荷下的岩爆模拟试验,利用微型摄像机、声发射(AE)系统和红外热像仪等监测系统,分析岩爆过程中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明:孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4个阶段,岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符,围岩曲屈破坏时σ_(θmax)≈(1. 38～1. 85)σ_c;随着侧向载荷的升高,孔洞在平静期积累的弹性应变能增加,颗粒弹射期能量释放率增大,岩爆进程加快,稳定破坏期持续时间先增加后减小,侧向载荷的增大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果;声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌的前兆信号,围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中,孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基本吻合,形成以圆孔为中心的"X"型共轭剪切破裂,稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加,高频比例降低,低侧向载荷时破坏以中高频为主,高侧向载荷时破坏以中频为主;应力集中促使围岩红外温度场整体温度逐渐升高,呈现高温区嵌套低温条带的特点,岩爆时高温区由表面浅部向深部运移,在孔洞整体失稳坍塌前,岩爆坑温度急剧上升。     

水岩耦合巷道掌子面破裂的红外时空演化特征

利用红外热像仪进行无水、无压水、承压水作用下石灰岩双轴加载破裂失稳观测实验,研究巷道掘进时掌子面破裂过程中的红外辐射时空演化规律,以此识别掘进方向的水体情况。实验结果表明:掘进前方不含水体时,掌子面破裂在时序上表现为温度线性升高,破裂前升温加速,在空间上表现为前期均匀升温,临近破裂前出现温度场分异,形成局部高温区,升温加速;掘进前方存在无压水时,温度曲线呈"一级台阶"状上升,热像表现为高温场包围低温场;掘进前方存在承压水时,温度曲线呈"波浪"状上升,热像交替升降温,最终大幅度降温。研究结果可为巷道开挖的遥感观测及巷道渗漏水预测提供理论指导。     

软岩巷道掘进突水过程红外时空演化特征研究

为了获取软岩巷道掘进工作面突水过程的红外时空演化特征,为实际工程巷道开挖过程中突水事故以及隧道渗漏水的时空预测与遥感监测提供理论基础,研究了粉砂岩双轴加载突水过程的红外辐射特征,从时、空要素综合预测识别突水信息。试验结果表明:1根据突水量的大小,将粉砂岩突水演化过程划分为渗水→滴水→淋水→涌水4个阶段;2粉砂岩突水不同阶段红外辐射温度曲线特征各不相同,其中升温速率加快可作为突水量增大的前兆,最低辐射温度出现骤升骤降预示突水的发生;3加载过程中,高温异常区即为渗水的发生位置,也是最终突水位置。渗水前10 s左右,对应渗水部位会出现高温异常,渗水发生后,高温异常转低温异常,且随着水量增大,降温幅度越大。利用红外热像仪,从时空综合预测角度研究突水的识别和监测预报,在一定程度上可以减少实际工程中突水事故带来的损失。     

水对花岗岩巷道岩爆声发射特征影响实验研究

采用双轴伺服控制试验机对干燥和饱水花岗岩进行巷道岩爆模拟实验,同时采用声发射系统监测并采集数据,研究了水对花岗岩岩爆过程中声发射特征的影响。结果表明:岩爆过程中饱水岩样事件率呈上升趋势,峰值载荷前没有事件率平静期,而干燥花岗岩事件率呈下降趋势,峰值载荷前有明显的事件率平静期;自水平方向卸荷开始,岩样振铃计数率、能率突增,饱水岩样事件率高于干燥岩样,但振铃计数率、能率均低于干燥岩样,且有几段振铃计数率平静期,表明水的存在丰富了声发射活动,但降低了声发射信号强度,降低了微观破裂的活动性;干燥花岗岩振铃计数率峰值发生在峰值载荷附近,而饱水岩样振铃计数率峰值出现时距离峰值载荷较远;主破裂前声发射非均匀性指标Cv值的快速上升,表明岩样内部出现大破裂或裂缝贯通,声发射事件局部集中程度加强,造成其声发射事件分布的非均匀性增强,可作为岩爆发生的前兆特征。     

水环境影响下花岗岩巷道岩爆红外辐射特性试验研究

以红外热像仪为观测手段,在室内进行了自然和饱水状态下花岗岩试样的巷道岩爆模拟试验,对水环境效应下花岗岩巷道岩爆的红外辐射特性进行了研究.研究发现饱水试样岩爆发生剧烈程度有所减弱,能量释放速率更为缓慢.水环境影响下,岩石试样的红外三种辐射温度(平均、最高、最低红外辐射温度)具有不同的变化规律:岩爆过程中,饱水花岗岩AIRT与载荷的关系更为密切,增温幅度大于自然试样.在岩爆发生时,饱水花岗岩MAIRT升温幅度小,MIIRT的下降幅度大于自然状态下试样.该研究为地下工程中岩爆红外辐射预警技术提供理论基础.     

基于红外辐射的富水复合顶板巷道围岩稳定性无损监测研究

为了实现对煤岩体长周期、高效率的监测预警,利用红外辐射监测技术,研究了红柳煤矿I010401工作面和I020308工作面运输巷在观测周期内的红外热像图、平均红外辐射温度(AIRT)和差分红外辐射温度(VSMIT)变化特征,得到了红柳煤矿I010401工作面和I020308工作面运输巷的VSMIT判定阈值。研究成果表明,红外辐射监测技术在现场监测应用是可行的,可对红外辐射监测技术在矿山围岩稳定性监测的应用提供借鉴。     

岩爆的应力解释与新预警方法

以大量的实际工程资料为依据，通过系统的理论分析．提出了洞窟周边各向应力均达到或超过洞窟周边岩体极限压碎强度时就会发生岩爆的见解．给出了新的岩爆预测方法和洞窟周边各向应力计算方法。     

饱水花岗岩巷道岩爆声发射时序特性实验研究

为了探讨水对岩石岩爆性能的影响,采用双轴微机控制伺服压力系统及PCI-2声发射监测系统对干燥及饱水花岗岩进行了室内岩爆模拟声发射试验。研究结果表明:水对花岗岩的强度、变形特征有较大影响。饱水使花岗岩峰值强度下降了12.69%,变形模量下降了8.24%;水在一定程度上抑制了花岗岩内部原生裂纹的孕育进度,降低了岩爆过程中声发射的活跃程度。水平卸荷后,干燥花岗岩累积振铃计数近似直线增长,饱水花岗岩则呈台阶状上升;干燥花岗岩岩爆过程中b值历经孕育区、发展区、下降区;饱水花岗岩b值第三阶段则为群聚区,意味着水可以软化岩样,降低岩爆烈度;水改变了花岗岩岩爆过程中内部裂纹的破坏机制,饱水花岗岩水平卸荷后的Ra值呈束状分布,内部裂纹以拉—剪—拉共存的形式破坏,而干燥花岗岩则呈张拉破裂为主,剪切为辅的破坏形式。     

花岗岩巷道岩爆声发射信号及破裂特征实验研究

以声发射能量、振铃计数、上升时间和主频作为特征参数,对巷道岩爆实验声发射信号进行聚类分析,得到3类声发射信号。深入分析3类声发射信号特征参数,挖掘其对应的物理意义,揭示其反映的破裂特征。基于能量释放率,确定驱动岩爆灾害形成的主要岩石破裂类型。利用该类破裂对应的声发射信号,进行巷道岩爆预测研究。研究结果表明:第1类信号具有高能量、高振铃计数、低上升时间和低主频的“两高两低”特征,对应高强度、大尺度裂纹稳定扩展;第2类信号具有高能量、高振铃计数、高上升时间和低主频的“三高一低”特征,对应高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展;第3类信号具有低能量、低振铃计数、低上升时间和低主频的“四低”特征,对应低强度、小尺度的裂纹非稳定扩展。其中,高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展是岩爆灾害形成的主要驱动力,该种破裂类型对应的“三高一低”特征信号,能够为岩爆提供早期预警信息,是岩爆灾害预警研究的重点关注对象。     

花岗岩巷道岩爆声发射信号时频特性实验研究

通过对花岗岩开展双轴卸荷岩爆模拟实验,利用FFT变换获取声发射信号主频,分析岩爆孕育及发生过程声发射信号主频变化规律,研究花岗岩巷道岩爆声发射信号时频特性。研究结果表明:声发射能率和RA值在时间序列上具有明显的阶段性特征,可以很好地反映岩爆孕育、发生全过程;声发射信号主频随岩爆孕育、发生演化过程整体呈下降趋势,岩爆发生后主频平均值比岩爆发生前降低3.06kHz;花岗岩岩爆全过程主频集中在38~50kHz,区间内不同频段占比呈高斯分布;42~43kHz频段的主频占比在岩爆发生后变化最大,对岩爆的发生最为敏感,建议将此频段主频占比达到某一阈值作为岩爆发生的前兆判据。研究结果为岩爆灾害的预测提供了新的方法和依据。     

动荷载巷道围岩裂隙演化的实验研究

运用相似模拟理论，针对巨厚薄层状复合顶板条件，进行了大比例三维巷道相似模拟实验。实验结果表明，随着工作面的推进，巷道围岩的动载系数增大，围岩内开始产生裂隙并扩展、贯通，最后导致巷道破坏。运用分形几何理论进行分析，认为裂隙分布密度符合分形特征，可定量描述巷道围岩裂隙的分布，分析结果为制定巷道支护方案，优化支护设计参数，提供了理论依据。     

花岗岩岩爆声发射时空熵值动态特征实验研究

对花岗岩开展室内真三轴条件下岩爆模拟实验,并运用声发射监测技术获得其变形破坏过程中声发射参数和空间定位信息。基于信息熵理论,分析试样在破坏过程中声发射事件在时空上从无序走向有序的演化过程,计算得到了声发射事件空间熵值和时间熵值。实验表明:岩石破坏前声发射能量突然大量释放,声发射事件出现空间积聚现象;空间熵值出现"震荡-上升-下降-小幅上升-急剧下降"和时间熵值出现"震荡-下降-小幅上升-急剧下降"的演化模式。2种熵值在岩爆发生前都出现了急剧下降的现象,可作为岩爆发生前兆信息,下降点可作为岩爆预警点。并运用耗散结构理论证明了岩石破裂失稳过程中时空熵值演化是一个远离平衡态的非线性动力过程。实验结果为岩爆预测提供了新的手段,对于实际矿山岩爆等动力灾害的预警具有一定的理论研究意义。     

不同侧压条件下花岗岩巷道岩爆声发射特征实验研究

利用双轴伺服控制试验系统开展开挖卸荷扰动作用下花岗岩巷道岩爆模拟实验,采用声发射系统同步采集岩爆孕育及发生过程的声发射数据,研究不同侧压影响下花岗岩巷道岩爆声发射特征。研究结果表明:双轴条件下,轴压与侧压差值越大,开挖引起的卸荷作用越明显,孔洞内出现初次颗粒弹射的时间越提前;随着侧压的升高,岩爆释放的总能量逐渐增加,声发射累积能量进入"陡增"阶段的时间则相对滞后;声发射振铃计数率能够很好地反映岩爆发生阶段孔洞内应力调整过程,随着侧压的增加,振铃计数率在加载后期的波动模式逐渐由"较低水平波动并出现一定数量跳增点"向"较高水平波动并出现一定数量突降点"转化;结合声发射RA值和AF值可知,巷道岩爆过程即产生张拉破裂又产生剪切破裂,随着侧压的增大,岩爆破坏中剪切成分所占比例逐渐增多。研究结果为岩爆的预测和防治提供了实验基础。     

锚杆与围岩作用的红外辐射实验研究

应用红外探测技术, 进行了不同锚杆参数的锚固体加载过程红外辐射实验研究, 结果表明, 锚固体红外辐射温度与轴向应变呈线性正相关, 锚固体红外辐射温度上升速度和最大值高于非锚固体;不同锚杆参数的锚固体, 锚杆越长、直径越大, 其温度的升高越快且高。实验结果对于揭示锚杆支护作用机理、矿山煤岩灾害监测、预报等具有重要意义。     

断裂滑移型岩爆风险评价和预警方法研究现状

地下工程需要频繁穿越地质构造区域,断裂滑移型岩爆频发,严重威胁地下工程结构的稳定和安全。为了揭示断裂滑移型岩爆诱发致灾机理,本文系统分析了触发断裂滑移型岩爆的地质构造条件、时空孕育特征、扰动触发机理、风险评价指标和预警方法等。研究结果表明:断裂滑移型岩爆多发生于含软弱结构面或层理面的地质构造带附近,岩体硬性结构面可以在一定程度内控制岩爆爆坑边界;断裂滑移型岩爆在临界失稳触发阶段存在典型的时空前兆特征,声发射(微震)监测参数在临界滑移失稳阶段存在“相对平静期”破坏前兆,红外热像温度存在短暂异常后随即迅速消失的破坏前兆;岩体内部天然层理面等缺陷结构为触发断裂滑移型岩爆提供了地质构造条件,巷道开挖和掘进等为触发断裂滑移型岩爆提供了滑移失稳空间,外界动力扰动等为触发断裂滑移型岩爆提供了诱发条件。     

矿井巷道中损耗媒质对红外辐射的影响

红外辐射在空直巷道中损耗极小,近似作自由传播。在直的矿井巷道中,红外辐射的主要损耗来自于水汽、粉尘、各种对红外辐射吸收性强的气体分子。在地球大气红外辐射传输特性的理论基础上,研究了矿井中损耗煤质对红外辐射的影响。通过数值模拟,初步得出了红外辐射透过率与矿井巷道中各损耗媒质间的变化规律。     

潮湿煤体压缩破裂过程中红外辐射演化特征研究

为探寻水分对煤体破裂过程表面温度分布的影响,对不同含水率试样进行加载破裂试验,研究其表面红外辐射温度的演化特征,并以平均红外辐射温度AIRT、温度极差R、分形维数D、红外热像特征进行分析研究.结果 表明:干燥、潮湿试样表面平均红外辐射温度总体上均表现为随载荷增加呈下降趋势,但在临近破裂时出现了明显异常:干燥试样表现为升...