真三轴加卸载条件下巷道周边裂隙岩体变形破坏试验研究

岩体内含有大量的节理裂隙,在巷道开挖卸荷施工过程中,裂隙会暴露出来,并影响岩体工程结构的整体稳定性。为了更清晰地表现裂隙岩体的变形破坏特征,进行了真三轴卸载试验,采用依托于“微机控制电液伺服压力试验机”改进的真三轴试验机,以地下深埋巷道为原型,对含有不同倾角裂隙的混凝土试样进行加卸载试验,并使用有限元理论对单轴压缩试验进行模拟,研究了卸荷条件下试样的变形破坏特征及应力脆性跌落系数规律。结果表明：① 试验加载初期试件呈现出明显的压密现象,且试件裂隙倾角越大,压密现象越明显;② 随试件裂隙倾角增大,卸荷变形呈上升趋势,即扩容现象呈上升趋势;③ 裂隙倾角越小,越容易形成脱落性破坏;随裂隙倾角变大,破坏向远离卸荷面方向转移;并且,主要破坏形式为拉伸破坏,相对于单轴压缩试验,扩容造成的破坏特征更加明显;④ 随裂隙倾角增大,试件应力脆性跌落系数增大,间接显示出试件由脆性向延性转化的倾向,试件脆性破坏特征削弱。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

基于真三轴卸荷试验的煤岩力学及损伤特性研究

为深入研究煤矿开采中开挖速率对煤岩力学及损伤特性的影响，通过自主研发的地声过程模拟试验系统，开展了不同卸荷速率条件下煤岩真三轴卸荷试验。结果表明：随着卸荷速率由0.05 MPa/s增至0.4 MPa/s,煤岩在卸荷破坏时的最大主应变值、最小主应变值及体积应变值分别降低了48.2%、73.8%及113.1%,中间主应变值增加了16.3%;卸荷速率越大，煤岩的扩容现象越明显；煤岩在低卸荷速率条件下的破坏形态表现为剪切破坏，而在高卸荷速率条件下则表现为张剪复合破坏；通过试验数据验证，修正后的Drucker-Prager强度准则对煤岩卸荷破坏更为适用；卸荷速率越大，煤岩在破坏时对应的声发射累计振铃计数越大，能量越高；基于累计振铃计数建立的煤岩损伤演化方程能较好地描述煤岩卸荷过程中的损伤过程，研究结果可为实际工程开挖稳定性预测提供参考。     

中间主应力对深部硬岩三轴卸荷破坏及能量特征影响分析

为分析不同中间主应力对岩爆的影响,采用单面临空-五面受力的方式对深部花岗岩试件岩爆过程进行真三轴试验,对岩爆试件破坏特征、岩爆碎块粒径分布特点和岩石能量演化特性进行研究。结果表明,随着中间主应力的增大,首次出现颗粒弹射现象的时间点后延,而岩爆过程持续时间也相应变长;在中间主应力为10～40 MPa时出现岩爆坑,多表现为"V"型特征。岩爆坑尺寸和碎屑质量随中间主应力的增大而增大,岩石碎屑质量微粒与细粒所占百分比呈上升趋势,粗粒呈下降趋势;在岩爆试验过程中,中间主应力的增大使得岩石在峰值前试件岩爆破坏过程释放的能量增多。岩石在峰值应力处的总能量U、弹性应变能U^e、耗散能U^d与耗散能比例U^d/U随中间主应力的增大而增大。研究成果为进一步探讨深部三向应力环境下硬岩岩爆机理提供参考依据。     

深部煤岩体卸荷损伤变形演化特征数值模拟及验证

为研究保护层开采过程中下伏煤岩体卸荷损伤变形演化特征,运用FLAC~(3D)数值模拟方法及现场实验测量手段,以山西保德煤矿实际情况为研究背景,对保护层开采过程中下伏煤岩体应力、变形、塑性演化规律进行了研究及验证。研究表明:保护层开采过程中,被保护层应力呈增大—减小—增大的变化规律,下伏煤岩体应力在空间上呈现出明显的"O"形应力分布规律;受保护层采动影响,下伏煤层测点经过原岩应力、应力集中、采动卸压、应力恢复4个阶段;最大应力集中系数与最小卸荷比为固定值,且出现时间相同,工作面前方应力集中系数与工作面后方卸荷比均呈往复性变化,变化周期与工作面来压周期相关;本文实例中,最大应力集中系数约为1. 32,此时测点受到的z向应力值达到最大;最小卸压比约为4. 4%,此时测点受到的z向应力值达到最小,卸压效果最好;受应力变化影响,被保护层呈压缩—恢复—膨胀—回缩的基本变化规律,最终状态保持一定的膨胀变形,与应力分区相对应,根据不同变形特征可将下伏煤层分为原岩状态区、压缩变形区、卸压膨胀区、变形恢复区;本文实例中11号煤层最大膨胀变形量约为0. 6%,此时测点裂隙最为发育,增透效果最好,有利于瓦斯卸压抽采;受应力变化影响,下伏煤岩体塑形区域范围在空间上呈先xyz三向增大—x轴方向单向增大y轴z轴2个方向稳定的变化规律;随着工作面的回采,被保护层煤体塑性区范围在x轴方向不断增加;通过实测保德煤矿81307工作面回采过程中下伏11号煤地应力、膨胀变形量,对深部煤岩体卸荷损伤变形演化特征数值模拟结果进行了验证,下伏11号煤地应力、膨胀变形量变化规律与数值模拟规律较为吻合。     

深部隧洞掘进开挖瞬时卸荷动态破坏研究

瞬时卸荷是岩体开挖形成的瞬时岩体应力释放和调整。针对高应力区隧洞岩体开挖瞬时卸荷过程,通过能量守恒推导出了瞬时卸荷位移公式;基于Kachanov准则对构件的脆性破坏理论推导出隧洞侧壁围岩卸荷的初始破裂时间和完全破裂时间,并得出完全破裂时间等于岩体开挖卸荷完成时间;通过锦屏二级水电站某隧洞瞬时卸荷分析得出岩体在开挖瞬时卸荷条件下会产生岩爆,并且卸荷岩体的初始破裂时间较完全破裂时间短,但破裂却已很明显。     

深部高应力复杂岩层稳定性监测与实验研究

通过对宁夏煤业集团公司石嘴山一矿38区+600m轨道巷全面、系统的工程地质调查、岩石力学实验,综合的围岩变形监测,应力监测与构造探测等,获得了宝贵的数据信息,为进行现场工业化试验和最终解决采掘接续和安全开采提供了科学的依据。     

真三轴条件下深部煤岩试样力学特性研究

为研究深部煤岩体地下实际浸水作用后煤岩体的力学变化情况,以山西某煤矿地下5组原位煤岩体为研究对象,通过制备的标准试验试件分别进行无水状态下、浸水之前和浸水之后的真三轴力学试验,以期还原强降水后深部煤岩体力学特性的变化情况。研究发现:原始状态下煤岩层试样层位岩石在真三向应力下的变形受层理、应力和结构的影响均较大,在垂直层理方向的变形能力较强;破裂模式表现为以结构控制型剪切破坏、结构和应力综合控制型剪切破坏以及结构控制型剪切破坏为主,以层理方向剪切滑移为主的3种破坏形式。当岩样在真三向应力作用下并通过浸水试验后,岩样峰值强度降低,力学性质弱化,弹性模量降低,同时变形能力增加。其破坏模式分为结构控制型和应力控制综合控制型剪切破坏,以及结构控制型剪切破坏形式。     

超应力卸载作用下煤样冲击破坏试验研究

煤矿采深进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。基于调研分析,得到煤层单轴抗压强度的分布特征以及开采深度、原岩应力与煤层单轴抗压强度之间的关系,提出了超应力集中系数的概念。采用声发射和被动CT成像技术相结合的研究方法,开展了煤样真三轴超应力卸载作用下冲击破坏试验研究,从而探究声发射波速演化与煤样宏、微观破裂的关系,揭示深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明:(1)不同的应力卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应,应力路径变化越大,其时间延迟越短;(2)三轴卸载状态下煤样的破坏形式复杂多变,多为剪切、拉伸等耦合破坏形式;总体破坏模式表现为首先沿着与轴压方向分布的主裂隙进行扩张破坏,其次在试样表面分布着许多沿轴压方向的小张拉裂隙;(3)在加载初期,煤样内部波速变化范围较小,出现少量高、低波速区;随着载荷初步增加,煤样内高波速区转移与扩展,同时波速异常区明显扩大;当载荷进一步增加,煤样内出现大面积低波速带,波速极小值不断降低,高波速区、波速异常区迅速变化转移;(4)试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。     

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...     

三维应力状态下岩石损伤破坏的卸荷效应

利用连续介质损伤力学方法，通过岩石微元体强度的Weibull统计分布和库仑准则假定，建立了一个简明的岩石三维各向同性损伤模型及弹脆性本构方程。探讨了岩石试样试验的应力-应变全过程特征、损伤演化规律、岩石试样加载的围压效应以及卸荷破坏下强度及脆化特征，理论与试验结果表明，卸载破坏比加载破坏表现得更为脆性、更突然。     

卸荷速度对围岩变形影响的试验研究

巷道/隧道围岩的开挖卸荷效应,直接关系到围岩稳定、支护设计和施工工艺的选择。利用自主研发的开挖卸荷试验系统,对水泥砂浆制作的厚壁圆筒小型围岩试件进行了快、慢速卸荷试验研究,获得小型围岩试件在开挖卸荷过程中的变形规律与破坏形态。试验结果表明:①快、慢速卸荷的径向应变及切向应变与时间的关系曲线表现出明显的3个特征阶段:试件压密阶段、快速变形阶段、卸荷后缓慢变形阶段。②同一横断面处,内侧的切向应变对卸荷作用反应更快、更显著,变形量更大。径向内侧产生的变形总量均大于外侧,而轴向内侧产生的变形总量小于外侧。③无论快速或慢速卸荷,同一测点处,切向应变最大,占据重要地位。径向变形集中在卸荷阶段产生,轴向变形集中在卸荷后维持阶段产生。④卸荷阶段,随着压差增大,慢速卸荷的切向、轴向应变呈加速发展趋势,内、外侧径向应变差值约为200×10~(-6)。快速卸荷的切向、轴向应变呈收敛发展趋势,内、外侧径向应变基本相同。维持阶段,快、慢速卸荷切向、轴向内外侧偏差持续增大。快速卸荷时内、外侧径向应变在维持阶段才开始区别开来,且差值越来越大。⑤试件压缩高度变低,且外侧出现环状贯通面并伴随劈裂破坏,在内壁出现片状剪切破坏区;横断面出现两个类似于圆环破坏带的破坏区。     

硬脆性岩石卸荷流变试验及长期强度研究

为了进一步认识硬脆性岩石的卸荷流变行为,采用岩石全自动三轴伺服流变仪对硬脆性花岗岩进行了三轴卸荷流变试验,重点观察分析了硬脆性岩石在卸荷条件下的蠕变规律及蠕变特性,并根据试验结果对硬脆性岩石的卸荷长期强度的确定方法进行分析。试验结果表明,硬脆性岩石卸荷流变行为与加载流变不同,侧向比轴向更容易发生蠕变行为;偏应力水平越高,稳态蠕变速率越大,且二者符合指数函数关系;当应力水平超过流变阈值时,岩石进入加速蠕变阶段,并迅速发生延性扩容破坏。根据试验结果,岩石卸荷蠕变的长期强度应根据岩石稳态蠕变阶段轴向和侧向速率交点来确定,这样确定的岩石长期强度值要比传统方法确定的岩石长期强度值提升约10%的可靠度。     

深井冲击地压发生机理分析及预测方法研究

本文在总结深井冲击地压的特征和规律的基础上,对深井冲击地压的发生机理,如强度理论、冲击倾向性理论、刚度理论、能量理论、失稳理论等分别进行了分析,指出了上述各种理论的不足,结合淮北某矿顶板砂岩试验,提出了利用应变法和声发射法来预测深井冲击地压的发生,取得了较好的效果。     

深部离层断裂型工程软岩巷道支护技术研究

深部巷道埋藏深度大,地质构造复杂,应力组合作用效应明显,煤矿深部开采巷道围岩控制成为制约安全高效生产的主要因素之一.本文通过分析深部巷道围岩特性及力学环境,从围岩对巷道工程支护对策选择及方案设计思路的影响出发,对围岩进行分类,提出相应支护对策.支护效果监测结果表明,高强锚网索+梁(带)联合支护技术能保证深部复杂高应力离层断裂型工程软岩巷道的安全稳定,取得良好效果.     

深井软岩破碎巷道底臌原因及处置技术研究

根据顾北煤矿南翼(11-2)胶带机巷道工程实际,依据长期的现场调查和变形监测,对顾北矿区深井软岩破碎巷道底臌影响因素、特性进行了分析,得出了底臌主要原因,认为底臌主要是由于巷道底板处于敞开状态而成为巷道变形和应力释放的主要场所,软弱破碎的围岩在地应力作用下挤压流入到巷道内,形成较大的挤压流动性底臌。在此基础上,提出了采用混凝土反拱地坪、深浅孔注浆、高预应力组合锚索的针对深井软岩破碎巷道底臌综合处置技术,同时研制开发底板锚索钻机,解决了底板组合锚索孔施工的困难。现场的跟踪监测表明,该技术能有效治理底臌还能加强两帮稳定性。     

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。