基于饱水岩石静动力学试验的水防治屈曲型岩爆分析

岩爆发生涉及岩石动力学与岩石静力学两方面的范畴,水防治岩爆动力学机制研究极少。在对开阳磷矿饱水砂岩静力学与动力学试验的基础上,基于饱水岩石的静态和动态破坏特征,从围岩结构效应、应力波边界效应和能量原理等角度,探讨了水防治层裂屈曲型岩爆的静力学与动力学机制。饱水砂岩的静态破坏表现为张拉与张剪等综合破坏形式,在一定程度上能抑制岩体劈裂成板的形成,从而破坏层裂屈曲型岩爆孕育的过程。水影响下的砂岩动态力学性能显著提高,遇水软化巷道的应力波边界效应影响围岩非主要承载结构,遇水围岩仍具有相当的承载能力,从而抑制层裂屈曲型岩爆的发生。饱水砂岩动态破坏块度要明显大于自然风干的岩样,同时饱水岩体积聚弹性能的能力下降,故能抑制洞室层裂屈曲岩爆的岩块弹射。     

动力扰动下侧压系数对卸压孔与锚杆支护的研究

为探讨各因素对深部巷道卸压孔与锚杆联合支护的影响机制,利用岩石破裂过程分析系统RFPA^2D-Dynamic模拟了巷道支护模型在动力扰动作用下围岩应力场的分布规律、巷道破坏形态特征。通过分析得到动静组合加载下不同侧压的巷道围岩应力重分布的一般规律,并从破坏单元声发射能量释放的角度分析了动静组合加载对围岩的损伤效应。研究指出,侧压系数λ是静态和动态扰动作用下巷道围岩应力重分布的主控因素;高围压条件下,动力扰动成为触发巷道破裂失稳的主要诱因,且动力扰动作用对不同围压的巷道围岩破坏形态的影响各不相同。     

高应力大直径圆筒形洞室围岩变形破坏特征与失效机制

针对高应力大直径圆筒形洞室出现的岩爆、喷层开裂和钢绞线弹出等变形破坏现象,通过现场破坏调查、岩体位移和锚索应力监测,详细说明了围岩变形破坏的发展演化过程,并通过钻孔摄像观测了围岩内部破裂特征,进而总结了围岩变形破坏的演化模式。通过数值模拟揭示了洞室围岩变形破坏机制,并提出了合理的支护建议。高应力大直径圆筒型洞室变形破坏是一个链动灾害过程,围岩内部开裂导致了岩体位移和锚索荷载增加,锚索荷载超限时钢绞线断裂弹出,失去约束的洞壁围岩和喷层在卸荷作用下鼓胀开裂。高初始地应力和开挖后诱发的应力集中,玄武岩起裂强度低,临近洞室开挖诱发应力叠加,应力集中区支护强度较弱等综合因素导致了围岩内部开裂的产生。在洞室围岩应力集中区设置足够的预应力长锚索和合理的张拉力,可以有效减弱围岩内部破裂深度和程度。     

含孔洞加锚岩石力学特性及裂纹扩展规律

为研究含孔洞加锚岩石的力学特性和裂纹扩展规律,采用相似材料制作包含7种支护情况、0°和90°两种层理的含孔洞加锚试件,在MTS815岩石力学试验系统上进行单轴压缩试验,试验后对破裂试件进行CT扫描,分析试件不同部位裂纹分布规律。结果表明,支护结构显著提高了含孔试件的强度值,但不同支护结构的提升效果不同,以锚杆的作用最为显著,混凝土和钢拱架层效果则不太明显。层理不同,支护结构对试件的强度提升效果也不同,支护结构对90°层理试件的围岩强度提升效果要好于0°层理试件。结合试验结果和理论解析解公式发现,锚杆对岩体的锚固作用主要是通过改变锚固区域围岩应力状态和改善围岩力学参数来实现的,而混凝土和钢拱架则可以为孔洞提供支撑压力,有效防止孔洞的剥落、片帮等破坏,有利于维持孔洞的完整性。另外,对破坏后的试件CT扫描断面进行分析,发现锚杆对岩体的锚固作用使岩体一定范围内形成锚固区,锚固区对试件中的裂纹发展具有弱化、止裂和改变其传播路径等作用。     

动载作用下圆形巷道锚杆支护结构破坏机理研究

将冲击应力波进行合理简化,建立平面P波与圆形锚固巷道相互作用简化模型。结合算例,通过分析深部围岩径向应力、巷道表面切向应力、巷道表面径向位移以及深部围岩与巷道表面径向位移差等代表性指标,确定了重点支护位置,推导了重点支护位置的锚杆受力机制并提出了相应破坏类型及判据。结果表明:迎波侧与侧向位置是重点支护位置。迎波侧锚杆总应力是静载轴应力、锚杆振动的动应力和动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,强冲击下迎波侧支护结构的破坏类型为单次瞬间摧垮破坏,围岩受压破裂,锚杆松动失去加固作用;循环弱冲击下的破坏类型为循环累积损伤破坏,受压围岩逐渐损伤致裂,锚杆反复受压、受拉直至松动,这进一步加剧围岩的损伤破裂,当承载拱强度降低到一定值后,一次小冲击就能诱发巷道冲击破坏。侧向位置锚杆总应力是静载轴应力、动载下围岩变形引起的附加应力的叠加,锚杆始终受拉,在强冲击下可能发生拉断破坏。通过相似模拟试验,较好地验证了理论分析结果,表明理论分析结果对工程实践具有一定的指导意义。     

深部岩体半正弦应力波扰动下的层裂试验研究

针对深部岩体在应力波扰动作用下所呈现出的层裂破坏现象,基于一维弹性波理论,首先阐明了一个简单的半正弦应力波在单个岩石杆件中的传播机理,并剖析其层裂破坏原理;依据净拉应力与动拉伸强度等特征因子,刻画并表征了其破坏过程.进而,采用SHPB设备开展了岩石杆件的层裂试验,发现层裂后岩石杆件其破坏断口较为齐整,并且与拉伸应力方向...     

基于锚杆受力分析的深埋洞室围岩分区破裂演化规律研究

合理确定深埋洞室围岩破裂区厚度及数量可以为洞室开挖及支护提供重要的理论依据。根据围岩分区破裂条件下锚杆拉-压交替分布的受力变形特点,提出一种通过锚杆受力规律反演分析围岩分区破裂的新方法:基于杆体与围岩的协调变形原理,建立全长锚固锚杆与围岩相互作用的力学模型,推导锚杆中性点沿杆体分布位置及其最大轴力的理论公式,分析各分区范围内围岩的破裂区与非破裂区厚度;基于格里菲斯强度理论,提出围岩应力重分布后弹塑性界面岩体发生拉裂的力学判据,进而确定围岩的破裂区数量。结果表明:洞室开挖后围岩应力发生重分布,当弹塑性界面上的岩体在最大切向支撑压力下所产生的拉伸应力超过其极限抗拉强度时,岩体将产生径向拉裂并出现多个破裂区和非破裂区交替分布现象;破裂区和非破裂区内岩体位移速率的差异将导致锚杆沿长度方向出现多个中性点;基于各中性点半径反演分析得到的围岩破裂区厚度大致呈依次递减的趋势,直至围岩破裂停止。最后,运用实例计算结果对上述认识进行验证,研究成果对深埋洞室开挖及围岩支护具有重要参考价值。     

单轴压缩条件下锚杆影响脆性岩体破裂的细观机制

锚杆支护系统是控制深部脆性围岩动力灾害的重要措施,但锚固理论研究仍滞后,锚杆支护下的脆性岩体破坏问题困扰着深部岩体工程实践。根据实际工程中锚杆支护下脆性围岩的浅表局部破坏特点,通过室内相似模型试验研究单轴压缩条件下锚杆杆径影响完整脆性岩体的破坏特性,试验表明,锚杆杆径对脆性岩体弹性模量和强度的提升存在最优匹配的特点,一味强调增大锚杆直径并不能达到理想的围岩控制效果;锚杆改变了脆性岩体单轴压缩破坏模式,宏观上由劈裂破坏转为剪切破坏,杆径对试样剪切破坏的程度有所影响。从细观角度,建立了含两条固有主裂纹的裂纹扩展分析模型,加锚试样单轴压缩破裂模式的改变,可以归结为锚杆锚固止裂效应对试样内部裂纹扩展的抑制作用,使翼裂纹与主裂纹长度比η变小。根据最易开裂角度ζ的计算结果,翼裂纹较长时,翼裂纹朝外载作用方向扩展,产生劈裂破坏,翼裂纹较短时,翼裂纹偏离外载作用方向扩展,产生剪切破坏。从细观上很好地解释了锚杆改变脆性岩体破裂模式的作用机制。     

支护结构对层状及软弱岩体隧道支护作用机制

为分析隧道支护结构作用机制及其在层状和软弱岩体隧道中的支护特性,通过室内物理模拟试验和现场测试,研究普通螺纹锚杆和钢花管锚固下的岩石在单轴压缩试验下的力学、变形特性及其现场支护特性。试验结果表明:(1)锚杆主要通过改善围岩的受力状态和提高围岩强度2个方面来实现其锚固作用,并且锚杆对锚固体围岩强度参数的提高主要表现为预紧力的压缩带作用、锚固剂对围岩损伤的修复作用和锚杆杆体对锚固体整体强度和密度的增强作用3个方面。(2)通过对试验后的加锚试件进行CT扫描发现,锚杆对裂纹的止裂作用是锚固区对裂纹的弱化、剪段、止裂的结果,其止裂效果与锚固区范围大小有关,锚固区范围越大,止裂效果越好。(3)由于药卷锚杆和钢花管的锚固特性不同,药卷锚杆能够很好地锚固岩性一般的层状页岩隧道,而具有注浆功能的钢花管更适用于岩性较差的软弱破碎岩体。     

基于工程岩体起裂判据的岩爆破坏区研究

随着深部地下工程的兴建,岩爆发生的概率大大增加,工程建设中常遇到的岩爆类型为应变型岩爆,确定岩爆破坏区范围和深度对地下工程支护设计和施工安全有着重要的指导意义。本文根据秦岭终南山混合片麻岩单轴压缩变形实验结果,采用裂纹体积应变法和侧向应变响应法,得到混合片麻岩的裂纹起裂应力。在分析混合片麻岩的起裂机制基础上,建立了基于裂纹起裂应力的工程岩体起裂判据,并根据围岩二次应力Kirsch计算公式,采用弹性理论推导了岩爆破坏区范围和深度的计算公式。岩爆破坏区的计算结果与秦岭终南山公路隧道2号通风竖井实际情况有很好的一致性,对类似地下工程有一定参考价值。     

冲击地压巷道围岩支护作用动力学分析

建立了冲击地压巷道围岩支护作用动力学模型,模型将上覆岩层简化为由多个质量块组成的块系,岩块简化为刚体,岩块间的连接简化为Kelvin-Voigt模型,把支护系统简化为弹簧和耗能阻尼器,初始岩块受冲击载荷作用。支护系统中阻尼为零时,为常规支护系统;支护系统中阻尼大于零时,为吸能防冲支护系统。分析得出:加强支护,提高支护强度,可以大幅度减少巷道冲击载荷作用下围岩加速度和位移幅值;支护系统中加入阻尼构件有利于快速平息围岩震动,增强支护抗冲击载荷能力,提高巷道围岩稳定性。提出了高强度吸能支护防治巷道冲击地压,为冲击地压巷道安全防冲支护设计提供理论依据。     

动力扰动导致巷道围岩层裂结构及冲击矿压的数值模拟

煤矿生产中存在着大量的动力扰动,常导致采矿巷道和采场围岩局部失稳,诱发冲击矿压发生。在一定条件下,动力扰动可简化为平面应力波。针对片帮型冲击矿压,采用数值方法模拟应力波作用下巷道围岩层裂结构的形成过程,探讨巷道围岩层裂结构的形成与巷道埋深、岩体弹性模量及应力波强度、时程特性的关系,进而讨论“小进尺、弱爆破”可减小扰动应力波诱发冲击矿压的机制,得到一定地质条件下动力扰动诱发冲击矿压的条件。     

富水断层破碎带井筒围岩控制

 针对云南某新建煤矿富水断层破碎带垮塌井筒的修复难题,通过现场调研及数值模拟研究,分析富水断层破碎带井筒围岩垮塌灾变机制,提出此类地质及工程条件下围岩控制基本原则和“顺序–联合”控制方法。研究认为：(1) 断层破碎围岩受水致弱化作用后泥化严重,松散体自承能力低,塑性流动显著,是造成围岩失稳及滑移的根本原因;多次低强度无效巷修并开挖造成冒落高度增加,活化断层裂隙,导通局部含水层,是造成破碎区段大面积垮塌及涌水的直接原因;(2) 破碎围岩失稳滑移过程中存在“应力快速卸压区”、“应力过渡区”及“应力集中区”,控制重点在于针对“应力卸压导水区”进行治水封堵及岩体加固,提高其自身承载能力,降低后期支护载荷;(3) 采用滞后变形区一定距离的变角伞状超前注浆预处理,可实现堵水和加固围岩双重目的。临时支护可为后期一次、二次支护提供空间和时间;(4) 适时采用衬砌预埋注浆管方式对破碎围岩内可能存在的空洞进行壁后二次注浆回填和加固,可以提高“围岩–支护体”整体承载能力。     

软岩巷道开挖面承载结构研究及分层支护设计

通过研究深部软岩巷道开挖面围岩力学承载结构的形成机理和演化规律,指导巷道结构性失稳支护工艺设计。基于软岩力学模型和统一强度准则,考虑“开挖面效应、时间效应”,推导围岩弹塑性解。在算例分析中,建立围岩力学承载结构,提出围岩结构性失稳的梯次支护的原理,发现围岩力学承载结构对巷道破坏特征有一定影响,并分析“面效应、时间效应”影响下的围岩力学承载结构稳定性。据此设计“短锚杆全长注浆-端头锚注-短锚索”梯次支护方法;经数值计算,可知改进后的梯次支护能够确定合理的锚注有效范围,该支护能使围岩形成稳定的承载结构,并及时减小围岩松动圈范围。     

稳定性动力准则的圆形洞室岩爆分析

本文根据一般稳定性理论,提出了洞室岩爆发生的扰动响应判别准则,得到了发生岩爆的洞室临界塑性区深度及临界作用应力。认为洞室失稳是其本身结构固有的性质,只要外界应力达到临界值,洞室就可能在扰动下失稳,并指出岩石弹性模量E和峰值后降模量λ之比E/λ是决定洞室稳定性的重要参数。     

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。     

节理密度对围岩变形及破坏影响的试验研究

采用相似模型试验和岩土工程数字照相变形量测软件,研究了深埋应力场中不同断续节理密度的岩体在开挖条件下巷道围岩破裂区的产生与扩展机理,分析了围岩破坏和碎胀变形的发展规律及其对巷道稳定性的影响。研究表明:岩体中节理密度对岩体的承载能力影响很大。与节理岩体相比,完整岩体在破裂前可以承受较大的弹性变形;节理岩体即使与完整岩体具有相同的承载能力,但其稳定性及变形量却有区别,完整岩体的变形量更小、稳定性更好。产生相同的围岩破裂区,岩体中节理越密集需要的应力越低,反之亦然;在相同的应力作用下,岩体中节理越密集,表明岩体越破碎,产生的围岩破裂区就越大,围岩碎胀变形也越大,导致工程的稳定性越差;因此,岩体中断续节理的密度控制着围岩的稳定性。     

我国煤矿巷道围岩控制技术发展70年及展望

总结新中国成立70年来,我国煤矿巷道围岩控制领域取得的主要研究成果,涉及巷道围岩地质力学特性,围岩变形、破坏特征与机制,围岩控制理论及技术.介绍煤系沉积岩地层强度、煤岩体结构特征及煤矿井下地应力分布规律,采煤引起的采动应力场分布特征及对采动巷道围岩稳定性的影响.指出煤矿巷道围岩变形具有分阶段性、流变性和冲击性,巷道围岩...     

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。