非对称开采矿柱失稳的突变理论分析

正确求得非对称开采岩梁弯矩方程和挠曲线方程,采用Maple9.5符号运算软件,通过由能量守恒原理导得的总势能函数微分形式途径,建立非对称开采岩梁-(狭窄)矿柱系统动力失稳的突变模型,以分析形式给出矿柱失稳临界条件、矿柱失稳起始点和终止点位置,给出失稳瞬间岩梁的弹性能释放量;采用Matlab软件绘出的矿柱失稳性状图解形式蕴涵了丰富的信息量,对了解岩梁-矿柱系统各形变阶段的行为规律和识别岩梁沿某方向的等效刚度问题上有重要作用。分析结果表明,对称开采时岩梁等效刚度最大,非对称开采减小岩梁的等效刚度。非对称开采时矿柱受偏压,因此又减小了矿柱刚度即冲击倾向,其综合效果会使其失稳的强度要小于对称开采时矿柱的失稳强度。     

岩体动力失稳的功、能增量——突变理论研究方法

说明岩体动力(破碎)失稳问题与弹性体几何形状失稳问题是自然界中本质不同的失稳现象，它们应对应突变理论中不同的突变模型。指出目前采用突变理论研究岩体动力失稳问题中存在的误区。对有平衡分枝点的弹性体系稳定问题，阐述了通过总势能函数途径求解的有关概念和要点。对属于无平衡分枝点的岩体动力失稳问题，可由能量守恒原理写出岩体系统失稳前、后阶段的功、能增量平衡关系式，功、能增量平衡关系式是总势能函数的微分形式，由该关系式可直接导出与岩体动力失稳问题对应的突变模型的平衡方程。该平衡方程及其图形平衡曲面所展示的全部性状可与失稳原型所有的主要性态达到一一相对应的程度。通过算例说明功、能增量平衡关系途径也适用于有平衡分枝点的弹性体系几何失稳问题的求解。     

构件受扭脆坏的折迭突变模型

按实际情况考虑加载装置的刚度 ,据能量守衡原理建立加载装置 -受扭构件系统作准静态变形时的平衡方程 ,采用突变理论的观点和方法对受扭构件的破坏形式问题作了定量讨论 ,给出构件脆性破坏判据 .揭示了少筋和超筋构件脆性破坏机理是由于其扭矩 -扭转角曲线峰值强度后软化段部分斜率较陡 ,从而加载装置释放的弹性能超过构件所能吸收 (或耗散 )的能量所造成的     

矿井断层冲击地压的折迭突变模型

 建立了矿井围岩2断层系统的准静态形变平衡方程, 将呈剪切破裂形式的断层失稳过程归结为折迭突变模型。模型可验证已有的岩体系统失稳破裂的临界条件, 还可给出系统恢复准静态形变的条件。用解析方式对断层失稳前兆阶段及失稳(震) 后阶段系统的稳定性作出符合物理意义和实际观察的描述。给出断层失稳前后的错距和围岩弹性能释放量计算公式。从中看到系统刚度比是刻划矿震强度恰当的系统内禀参数。分析结果可全部从已有的试验结果中得到验证。     

岩爆的相似材料物理模拟研究

 根据不同配合比相似材料的物理力学性质测试结果,选取最具岩爆倾向的相似材料,结合一水电站引水隧洞典型断面,制作大尺寸模型,采取后开孔的隧洞成洞方式进行岩爆物理模拟试验研究。结果表明：在模型的边界条件保持工程区天然应力状态下,隧洞开挖过程中拱顶、拱肩和边墙部位在不同的时间段内分别有较明显的应力、应变突变现象,围岩声发射次数也表现出剧烈增大现象,说明围岩出现明显的岩爆表征。模型在超载条件下出现围岩剥落、鼓折和开裂现象,表明原型隧道段以剥落、鼓折式张性岩爆为主。     

高地应力下地下工程稳定性分析与优化的局部能量释放率新指标研究

针对地下工程稳定性分析与优化的常规指标在高地应力条件下的局限性及传统的能量释放率岩爆指标把岩体看成不发生脆性破坏线弹性体的不足，提出局部能量释放率新指标。该指标的实现是通过在数值计算中追踪每个单元弹性能量密度变化的全过程，记录单元发生脆性破坏前后的弹性能密度差值，得到单位体积岩体突然释放的弹性能量。该指标可更好地定量预测高地应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度、破坏位置与范围，由该指标求出的围岩释放能又可作为地下工程开挖方案的优化指标。对太平驿水电站引水隧洞工程不同开挖步长下能量释放率指标的算例进行分析。分析结果表明，该指标具有一定的科学合理性。最后将该指标应用于黄河拉西瓦水电站大型地下厂房的开挖方案优化，用于指导该工程的科学设计与施工。     

岩石破坏过程的折迭突变模型

将试验机刚度作为有限量,据能量平衡原理建立的岩石破坏的数学模型可归结为折迭突变模型。该模型包含的参数有能量输入率Ｊ和系统刚度比Ｋ,故可恰当地描述岩石破坏时,可能出现的跳跃性失稳（脆性破坏）现象及试验中观察记录到的其他现象,对系统作稳定性分析,并可为伺服加载控制原理提供理论依据。     

气液复合加载的岩爆模型试验研究

 针对现有岩爆模型试验设备及方法存在的不足,采用自主研发的气液复合型岩爆模型试验装置,进行不同应力梯度下的大尺寸岩爆模型试验。通过对试件宏观破坏现象、内部变形规律及声发射特征参数的分析,研究岩爆发生、发展过程及破坏机制。结果表明：岩爆的发生与荷载梯度、能量的集聚程度和破坏时能量的释放速率密切相关,模型荷载梯度差值不一导致局部应力集中程度不同,影响试件破坏前期能量的耗散与集聚及岩爆时刻能量的释放速率,竖向破坏荷载梯度差值越大,局部应力集中程度越高,能量释放速率越快,转化为动能的能量越多,岩爆现象越易发生。模型试件破坏时,顶部竖向最大荷载值 处于与单轴抗压强度 比值为0.5～0.7范围,梯度荷载条件下,动静组合加载是试件破坏荷载降低的主要原因,其试验方法符合工程岩体的实际受荷。     

基于最大能量耗散率的岩爆倾向性指标研究

岩爆倾向性判别为隧洞岩爆风险评价提供了基本依据。在分析岩石单轴压缩各阶段能量耗散演化特征的基础上,提出基于最大能量耗散率(耗散能密度时间导数的最大值)的岩爆倾向性评价新指标,从稳定性判定准则、经验和岩爆倾向性定义3个角度阐明其科学合理性。为定量计算所提指标,建立考虑空隙压密和初始损伤的弹脆性损伤本构模型;为验证指标及损伤模型的适用性,开展4种岩石(玄武岩、花岗岩、灰岩、砂岩)在刚性和柔性压力机下的单轴压缩及循环加卸载试验。最后基于正交试验、相关性分析和极差分析,揭示岩爆倾向性的影响因素及不同指标间的内在关系。结果表明：岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后阶段存在能量耗散率峰值,该值可作为材料固有稳定性指标评价岩爆倾向性,兼顾了岩石的峰前能量储耗特性和峰后特征;所提弹脆性损伤模型较好反映了岩石单轴加载下的非线性力学行为和内蕴能量演化特征,应力–应变和耗散能密度理论曲线均与试验值吻合良好;不同岩石最大能量耗散率与实际岩爆等级一致,证实了所提指标的可靠性;弹性模量、脆性和初始损伤是岩爆倾向性的主要影响因素,最大能量耗散率指标较好体现了岩石脆性对岩爆倾向性的影响,与剩余弹性能指数的相关性最强(相关系...     

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。     

三河尖煤矿冲击矿压发生机制分析

探讨了三河尖矿发生的片帮型冲击矿压机制。在压应力集中区内，巷道自由表面附近裂纹生成、扩展和贯通，在巷道壁内部由表及里重复顺壁形成薄煤岩层，在应力增加或外界扰动下薄壁层屈曲破坏，剥落崩出，形成冲击矿压，其主要形式为突然的煤层片帮。此外，结合煤层的倾斜赋存环境，讨论了巷道底角突出的力学机制     

非均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析

 按Mises 增量理论,将提出的均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析推广到非均匀围压下的断层冲击地压分析,得到非均匀围压下的断层失稳半错距和弹性能释放量表达式。对由于断层失稳导致围岩产生的荷载、位移效应进行了分析。     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

基于弹性应变能岩爆倾向性评价方法研究

 岩爆是深部矿产资源开采与地下工程建设中必须解决的关键科学问题之一。以岩石强度与整体破坏准则为基础,从弹性应变能是岩爆发生的内在动力出发,建立了岩爆烈度分级预测模型。研究表明：该模型考虑了原岩应力(地应力)、岩体完整性、岩石抗拉强度及泊松比对岩爆影响,反映了岩爆发生的力学要求、脆性要求、完整性要求及储能要求;揭示了岩爆既可沿洞室中心呈轴对称分布,也可揭示洞室不同部位的岩爆烈度会出现明显不同。针对无、弱、中等及高岩爆活动4个级别,提出了3个分级界限值(3、10和110)。利用已有的岩爆经典模型与本文模型,对国内一些重大深部岩石工程岩爆情况进行了预测,结果表明基于弹性应变能岩爆分析模型与实际情况吻合的较好。因而,弹性应变能的岩爆分析模型,对岩爆预测具有重要的意义。     

考虑应变率及应变梯度效应的断层岩爆分析

从理论上研究了考虑应变率效应及微小结构相互影响的断层带．弹性岩石系统的剪切不稳定性。在经典弹-塑性理论的屈服函数中引入应变梯度及考虑应变率效应的函数。将断层岩爆简化为一维动态剪切问题，利用：局部塑性剪应变的对称性；在断层带的边界上，其应变值为零；断层带的宽度由塑性剪切应变取极值来确定等条件，得到了断层带内部的局部塑性剪切应变及局部塑性剪切位移，二者都随应变率的增加而趋于明显增加。同时，还得到了应变软化阶段系统结构响应的理论表达式。令峰后刚度为无穷大，则可得到岩爆发生的临界加载应变率，该参数不仅与岩石材料的本构参数有关，而且还与岩石结构的几何尺寸(即弹性区域的尺寸)有关。应变率增加使断层．弹性岩石系统容易发生失稳回跳。此外，若不考虑应变率效应，则本文的理论结果可以退化为对断层岩爆的静力分析结果。     

基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究

高地应力诱发的岩爆灾害是目前深部地下工程经常遇到的工程地质问题。现场地应力测量是岩爆预测的重要前提,根据三山岛金矿深部测量和岩体赋存状况的特点,优化应力解除测量技术并在矿区深部进行现场实测。提出采场岩爆发生的2个必要条件,即岩石具备储备高应变能的特性和采场具备高应变能积聚的应力环境。基于地应力实测与岩石力学室内试验结果,采用多准则判据对矿区深部发生岩爆的倾向性做出定性分析与评价。FLAC3D数值模拟分析揭示深部开采引起的采场围岩能量积聚、分布状况及变化规律。首次采用地震学的知识,对三山岛金矿未来深部开采过程中可能诱发岩爆的地点和级别做出预测。研究成果为深部地下工程岩爆的预测、预报提供新的思路和途径。