基于超声波平测的巷(隧)道岩爆破裂演化试验研究

针对岩爆试验及监测研究的不足,基于超声波平测法声波监测,利用真三轴加卸载试验系统开展了直墙拱形巷(隧)道在单面约束情况下的双轴压缩岩爆试验,分析和探讨了岩爆破裂演化与平测波形规律。结果表明,随着垂直载荷的增加,巷(隧)道围岩两帮呈现出起伏、粗糙破裂面和片剥体,整体试样产生沿加载方向发展演化的裂纹;实现了全程的超声波平测法声波监测,经过波形对比分析,可以较好的反映围岩表面附近和内部的破裂演化进程,波形开始畸变可做为围岩岩爆破裂演化的前兆;通过监测分析平测法声波波幅,可以掌握围岩内部的全程发展变化情况,实现对围岩能量聚集、耗散与释放过程的识别;对于巷(隧)道围岩层裂、离层及完整围岩岩爆等可应用超声波平测法进行声波检测与监测。     

岩爆硬岩应力松弛特性试验研究

针对硬岩应力松弛特性及监测研究的不足,基于全过程超声波监测,开展了具有岩爆倾向性的辉长岩试样单轴压缩峰前应力松弛试验,得出了硬岩峰前应力松弛特性和超声波波形规律,建立了应力松弛模型,定义了应力松弛能量耗散率指标,探讨了应力松弛过程的能量储耗,得出了基于应力松弛试验的岩石均质度的确定方法。结果表明,硬岩应力松弛过程经历了迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段,应力松弛度非常低;Burgers模型能较好的反映硬岩的应力松弛特性,可用于实际工程长期稳定性分析中;在加载应力水平为其单轴抗压强度的70%以内时,其应力松弛过程的波速未发生变化,首波波幅均在11～12mV之间起伏波动变化,可结合超声波监测揭示其应力松弛过程中的变形损伤演化进程,研究成果对硬岩长期稳定性分析、预测及岩爆监测预警具有很好的指导和借鉴意义。     

裂隙岩体损伤破裂演化超声波量化预测研究

针对目前裂隙岩体损伤破裂演化监测及量化预测研究的不足,开展了交叉裂隙岩体损伤破裂演化全程超声波监测试验,研究了裂隙岩体损伤破裂演化过程的超声波特性并进行了量化预测探讨。结果表明,波速可以较好地反映裂隙岩体的损伤破裂演化进程,首波波幅则可以综合反映裂隙岩体的变形损伤破裂演化全过程,将波速、首波波幅二者结合分析可以实现更准确的量化预测;加载初期衰减系数有正有负,加载中后期衰减系数明显增大,尤其在加载后期增大更为明显,其反映了裂隙岩体内部变形、损伤和破裂演化进程,可以通过对衰减系数的分析实现对裂隙岩体演化进程的量化预测;随着加载载荷的增加其波形由密变疏,波幅减小,波峰、波谷数量减少,在加载后期波形稀疏尤为明显,通过对监测波形的对比分析可以预测裂隙岩体演化进程;取加载初期波形中的任意波峰位置的时间点来截断监测期间的所有波形,分析该时间点所对应波幅的变化,同样可以达到通过首波波幅量化预测裂隙岩体演化进程的效果,并非一定是首波波幅;R_s,m_b,s,σ_1均可以作为量化指标用于裂隙岩体损伤破裂演化的预测,这些量化指标均对裂隙岩体的损伤破裂演化进程有很好的敏感性。     

岩爆倾向性巷（隧）道围岩破裂的试验研究

针对硬岩岩爆问题,研制岩爆倾向性材料和断面围岩成形和卸荷的一体化装置,同时为得到因钻爆法或TBM施工造成的围岩损伤对岩爆破裂的影响,在围岩左侧帮预制与临空面平行的非贯通裂隙,制作物理模型,对具有岩爆倾向性的方形巷（隧）道围岩破裂模式进行物理模拟试验。通过数值试验,对比分析含裂隙（损伤）围岩与完整围岩破裂演化的特点。结果...     

基于声发射RA-AF值识别不同岩爆倾向性灰岩破裂特征

岩爆已成为深部工程开挖中普遍关注的地质灾害之一,针对某铜矿竖井开拓及深部回采过程中可能诱发的岩爆灾害,对取自同一地质钻孔不同埋藏深度的灰岩岩芯试样开展单轴加载声发射试验及单轴加卸载试验,基于多重岩爆倾向性判据综合评价不同埋深灰岩岩样的岩爆倾向性强弱等级,结合声发射RA-AF值演化特征及宏观破裂形貌识别不同岩爆倾向灰岩的破裂特征。研究结果表明:同一钻孔灰岩的岩爆倾向性强弱程度随着埋深梯度的增加逐渐增强;随着岩爆倾向从无—弱—中等—强,单轴加载过程灰岩AF值整体呈减小趋势,而RA值呈增大趋势,RAAF值分布由原点集中型向逐渐贴近RA轴演变;不同岩爆倾向灰岩宏观破裂形态与RA-AF值识别结果具有一致性,岩爆倾向性愈强剪切破坏作用愈显著,破裂形态由张拉破坏为主转为以张剪破坏为主。研究结果可为深部开采岩爆破坏形式以及岩爆灾害的预防提供理论依据。     

硬岩树脂锚杆锚固体岩爆破裂演化试验研究

针对岩爆巷(隧)道树脂锚杆锚固机制研究的不足,利用真三轴加卸载试验系统,开展了两种加载模式下的具有岩爆倾向性的树脂锚杆锚固硬岩试样在一侧约束情况下的双轴压缩试验。分析和探讨了树脂锚杆锚固体岩爆破裂演化及锚固控制。结果表明,在逐级连续加载模式下,锚固体试样产生了小幅度应力降,没有垫板约束的部分可见明显裂纹并呈现层裂现象,观察锚固体内部断面发现锚固体本身基本完好;在逐级断续加载模式下,试样发生整体成层爆裂,小直径锚杆发生断裂,随着锚杆直径的增大,锚固体在控制层爆方面的效果越明显,可用岩爆控制的锚杆组合梁理论来解释其锚固机理;锚固体呈现出比较小的应力松弛现象,是试样内部能量传递、吸收和耗散变化调整的结果,在加载后期一旦应力松弛过程存在非弹性变形极易诱发岩爆;两种加载模式下树脂锚杆锚固体破裂演化不同,原因在于锚杆锚固体内部能量传递和吸收的程度不同。     

基于位移的岩爆应力松弛试验研究

针对岩爆应力松弛机理,采用透明亚克力板材对试样进行侧向约束,开展了具有岩爆倾向性的辉长岩试样在侧面约束情况下的单轴压缩应力松弛试验。结果表明：采用透明亚克力板材作为侧向约束材料是可行的,满足试验要求;通过监测应力松弛过程中垂直临空面方向的位移可以反映围岩内部情况,其位移持续增加可作为岩爆的前兆信息进行岩爆预测预报;岩爆破裂位置主要集中在临空面附近,表现为以劈裂为主的劈—剪复合破坏;岩爆不仅可以发生在加载过程中,也可以发生在应力松弛过程中;围岩产生垂直临空面方向的位移将形成拉应力,如果拉应力超过临界,则极易失稳产生劈裂破坏,拉应力的增加伴随着剪应力的增加,剪应力达到一定值,在围岩内部将产生剪裂纹,最终与劈裂纹一起形成劈—剪复合破坏。研究结果对岩爆机理、监测与防控具有很好的指导和借鉴意义。     

基于扰动和层间作用的硬岩层爆演化及预测

针对工程岩体层爆研究的不足,根据现场及室内试验硬岩层爆现象,分析硬岩层爆演化,建立层爆演化模型,定义爆裂松脱力,考虑工程扰动和层间关系,结合巷(隧)道开挖前后岩爆层演化,针对演化进程分别建立层爆预测模型,确定层爆发生的必要条件和充要条件。结果表明：理论分析结果与现场实际情况基本一致,给出的预测模型和层爆发生条件是合理和适用的;考虑卸荷致拉、工程扰动和层间关系,得出层爆演化过程爆裂松脱力计算式,层爆第1层可认为是岩爆关键层,控制关键层是控制连锁性层爆的关键,应该把强化和加固关键层作为岩爆控制重点;根据能量演化情况,得出工程岩体发生层爆的层数计算式,在同等情况下,岩爆倾向性硬岩更易诱发层爆并产生更多的层数;得出工程岩体围岩发生层爆的临界载荷、最小值及临界厚长比,随着厚长比的减小,临界应力降幅明显,随着垂直应力减小,临界厚长比减小;考虑工程扰动和层间关系情况下,层爆更易发生,层爆范围也更大,也更符合实际;提出层爆控制的关键层理论,通过施工高密度预应力短锚杆,构建锚杆组合梁,形成由锚固区深度决定的新的关键层,将有效降低层爆发生概率及层数,控制层爆的发生。     

应力松弛岩爆试验及演化模型研究

针对硬岩应力松弛特性及岩爆研究的不足,对具有岩 爆倾向性的辉长岩开展了单轴压缩应力松弛岩爆试验,得出 了两类应力松弛规律和岩爆演化过程,建立了应力松弛模 型,定义了应力松弛损伤变量,分析了应力松弛岩爆过程与 机理。结果表明,应力松弛岩爆过程可分为两类:第一类经 过迅速衰减、逐渐衰减和稳定3个演化阶段,此类可能发生 轻微到中等的局部岩爆,且集中在衰减阶段出现,最终趋于 稳定;第二类经过逐渐衰减、迅速衰减和丧失3个演化阶段, 全过程均伴随有轻微到中等岩爆发生,最终发生强岩爆或整 体爆裂。整个应力松弛岩爆经历了裂纹萌生、扩展、贯通、爆 开、颗粒和岩片弹射等复杂过程,直至最终发生整体爆裂。 分数阶模型能较好反映第一类松弛演化阶段,其对预测分析 符合此应力松弛规律的轻微到中等岩爆是适合的,但不能反 映第二类松弛岩爆演化过程。依据定义的应力松弛损伤变 量,第一类应力松弛岩爆过程经过加速损伤、缓慢损伤和稳 定3个演化阶段,第二类经过缓慢损伤、加速损伤和失稳岩 爆3个演化阶段。研究结果对岩爆机理、预测预警及硬岩长 期稳定性分析等具有很好的指导作用。     

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。     

浅埋深坚硬顶板工作面冲击地压微震时空前兆信息特征

为提高冲击地压矿井现场防冲措施实施的针对性,以宽沟煤矿B2煤层I010203工作面为工程背景,研究其历次矿压显现事件发生前后的微震监测信息时空演化规律.结果表明:I010203工作面矿压显现事件震源位置受上层"刀把型"采空区边界影响,具有阶段性特征,且主要集中于工作面中下部、 区段煤柱和侧向采空区围岩,垂向上大多位于煤...     

循环载荷下软硬煤样的疲劳损伤差异性研究

为研究软、硬两种煤样的疲劳损伤差异性,采用等幅三角波循环加卸载方式进行循环载荷试验,通过对比分析两种煤样的力学特性和声发射参量的差异,揭示软、硬煤样的疲劳损伤机制。试验结果表明：循环载荷下,软煤煤样出现连续的滞回环,硬煤煤样的滞回环基本重合。声发射参量均表现出明显的循环特性,整个试验过程中,硬煤煤样的峰值振铃数相当,软煤煤样呈现“先稳定后依次降低”的规律；硬煤煤样的声发射累计能量和撞击数呈“阶梯状直线上升”趋势,而软煤煤样出现明显的“转折点”。声发射参量的动态变化表明循环载荷下软、硬煤样的损伤演化过程存在明显差异,进而为不同煤体破裂机理研究及煤岩动力灾害的预测和防治提供指导依据。     

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。     

圆形硐室岩爆发生机制及预测预防

从微观角度分析了圆形硐室片帮型岩爆发生机制。用灰绿色闪长岩模拟了双向受载下硐室岩爆的发生 ,记录岩爆发生过程中的声发射 ,二者在一定程度上具有一致性。提出了监测方法以及对岩爆的防治措施。     

基于岩石表面位移场的超声波振动下花岗岩损伤特性试验研究

超声波振动碎岩技术作为解决硬岩钻进难题的新方法,其技术可行性受到国内外学者的大量验证,但是对于超声波振动下硬岩破碎机理的认识还存在不足。超声波振动下岩石表面径向响应位移与内部损伤状态存在着必然的联系,本文通过监测岩石在超声波振动过程中表面不同深度处的径向响应位移,利用应力波传播理论从能量耗散角度分析了岩石表面不同深度监测点径向响应位移的时空演化与岩石内部损伤发展的关系,得出超声波振动下岩石损伤主要由振动头高频冲击岩石造成的Hertz锥形环状裂纹和超声波振动交变应力产生的疲劳拉伸裂纹造成的,Hertz锥形环状裂纹的扩展深度为10 mm,疲劳损伤裂纹主要在10~20 mm深度处产生,超声波振动下岩石发生局部宏观破碎前存在着明显的径向响应位移征兆,岩石表面径向响应位移可以作为超声波振动下的破坏判据。本文的研究对于丰富超声波振动下硬岩的破碎机理具有重要意义。     

基于地音监测的近直立煤层冲击地压前兆特征研究

为了解决近直立煤层冲击地压监测预警的难题,以乌东煤矿近直立煤层为工程背景,研究+450水平B3+6综放工作面历次冲击地压前后地音事件能量和频次的演化规律,识别冲击地压前兆信息。结果表明:冲击地压造成的巷道破坏位置主要集中在超前工作面0~200m,且B6巷破坏程度大于B3巷,破坏形式以帮鼓为主,冲击地压主要影响因素为B6巷顶板岩层以及B3+6和B1+2煤层之间的岩柱;在冲击地压发生前,地音事件活动性经历一个平静期向强烈期过渡的过程;地音活动性由平静向强烈突然转变的现象可以作为冲击地压前兆信息。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率。采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏。超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果。超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用。     

定向水力致裂对煤层顶板三向应力的影响研究

煤层顶板水力致裂是处理坚硬顶板和防治冲击地压的重要技术手段之一,为了研究水力致裂技术对煤层顶板三向应力的影响,通过现场开展煤层顶板定向水力致裂试验,采用光纤光栅三向应力传感器得到了致裂前后顶板岩层的三向应力。结果表明：水力致裂之后,监测断面处顶板岩层三个主应力均有所降低,最大降幅约为20%,而主应力方向变化很小|在工作面坐标系下,致裂部位处各应力分量的降幅受致裂面方位的影响。顶板水力致裂能够显著降低或者转移顶板岩层三向应力,对致裂部位具有良好的卸压效果。研究成果可为现场水力致裂钻孔布置提供参考,并可用于冲击地压防治研究。     

冲击矿压的静动叠加失稳机制和发生模式

基于静动叠加冲击矿压的黏弹脆性体突变模型和黏弹性介质中震动波的传播规律,研究了煤体静动叠加冲击失稳机制,结合实例分析了静动叠加冲击矿压的2种基本发生模式:高静载低动载模式和高静载高动载模式,讨论了震动波频率、结构弱面刚度等因素对震动波传递的影响。认为高静载低动载模式和高静载高动载模式能够揭示两类典型的冲击过程;震动动载形成的瞬时动应力增量与静载蠕变阶段的静应力叠加使煤体满足临界条件而发生冲击失稳;震动波传递不仅随弱面的力学性质劣化而弱化,且随震动波的物理特性变化如频率的增大和波幅的降低而弱化。研究结果能为冲击矿压监测和防治提供指导。