眼前山露天矿边坡岩体损伤规律研究

综合运用损伤力学、断裂力学、FLAC-3D及三维节理网络模拟等理论与技术,建立了三维节理岩体损伤演化的分析模型和计算程序,使节理岩体损伤断裂分析与岩体边坡开挖数值模拟有机地结合在一起,为研究探讨节理岩体边坡损伤演化规律提供了一种方便实用的方法.通过对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡的模拟分析,定量揭示了露天矿边坡节理岩体伴随采矿开挖的损伤劣化的演化规律,为评价露天矿边坡稳定性与可靠性的动态变化规律奠定了基础.     

露天矿边坡系统可靠性的采场延深影响研究

本文针对鞍钢眼前山露天铁矿南帮边坡的工程特点，综合运用损伤力学、断裂力学、FLAC-3D及可靠性分析等理论与技术，对露天矿边坡节理岩体伴随采矿开挖的损伤演化规律进行了模拟分析，研究探讨了露天矿边坡系统可靠性随采场下降延深的动态变化规律。     

露天矿边坡系统可靠性随采场延深的影响研究

本文针对鞍钢眼前山露天矿南帮边坡的工程特点,综合运用损伤力学、断裂力学、FLAC-3D及可靠性分析等理论与技术,对露天矿边坡节理岩体伴随采矿开挖的损伤演化规律进行了模拟分析,研究探讨了露天矿边坡系统可靠性随采场下降延深的动态变化规律。     

考虑损伤顺层节理岩质边坡稳定性分析

边坡开挖造成节理岩质边坡的浅部局部破坏。基于极限平衡法和强度折减法对顺层节理岩质边坡的稳定性进行研究,系统地分析岩质边坡节理倾角、损伤长度和程度对边坡安全系数和破坏过程的影响。结果表明:边坡安全系数与节理倾角密切相关,边坡安全系数随着节理倾角的增加先减小、后增大,优势节理倾角在35°~45°;随着节理损伤长度的增加,边坡安全系数近似线性减小;节理损伤的岩质边坡坡顶更易产生剪应力集中,从而加速边坡失稳,节理岩质边坡破坏模式为沿着节理面向下整体滑动;节理损伤程度对边坡稳定性影响较明显,节理损伤越长,安全系数随损伤程度的增大而加速下降。     

基于岩体损伤模拟的露井联采边坡稳定性

岩体是具有初始几何损伤的多裂隙介质,露天和井工开采导致应力场发生改变,进而节理扩展,损伤增加,强度降低。根据Kawarnoto损伤张量概念、等效应变原理及断裂力学理论,对安太堡煤矿露井联采条件下的节理岩体损伤演化进行了模拟,得到了边坡岩体在露采与井采时损伤张量的时空分布演化特征。建议应用反映采动效应的损伤张量或截面损伤度作为岩体扰动参数,根据岩体质量分类RMR值,确定Hoek-Brown强度参数m和s,体现了岩体强度的各向异性和时空变化。应用到安太堡煤矿露井联采条件下的边坡稳定性分析中,安全系数为1.89~2.32,说明发生剪切破坏的可能性较小,边坡岩体的破坏主要由井工采空区坍塌引起。     

节理岩体边坡采动损伤与可靠性分析

为定量分析节理岩体边坡的采动损伤对边坡可靠性的影响,通过对大孤山铁矿下盘混合岩边坡进行现场勘测与模糊C均值聚类优化分析,确定了岩体2组优势节理的倾向、倾角、迹长和密度的随机分布参数。利用Hoek-Brown强度准则参数m和s与岩体质量分类指标GSI和扰动系数的关系,采用Monte-Carlo模拟抽样技术获得了节理岩体强度的随机分布参数。建立了节理岩体损伤与扰动系数D的联系,应用Kawarnoto损伤张量对采动损伤进行了数值分析,并根据Rosenblueth原理获得了扰动系数D以及反映时空效应和各向异性的岩体强度随机分布参数。基于此,定量分析了大孤山铁矿下盘混合岩节理岩体边坡采动损伤的时空变化特征及其对边坡稳定性的影响。结果表明,采场底标高从-87 m降至最终-450 m时,坡顶至-87 m水平同一高度滑弧可靠性指标相对下降7.7%,原因为采场下移导致节理岩体损伤加剧、强度降低所致,并且危险滑面逐渐向坡面偏移,与坡面近处岩体的损伤较大相关。     

节理岩体边坡损伤力学与FLAC-3D耦合分析

通过引入损伤张量模拟岩体的多裂隙性，将节理岩体视为含有损伤的连续介质，建立了节理岩体的损伤力学模型。应用FLAC-3D内嵌FISH语言，探讨了与FLAC-3D的数据交换方法，采用Visual Basic编制了损伤力学分析的计算机程序，实现了节理岩体损伤与FLAC-3D的耦合分析，并应用于鞍钢眼前山铁矿南帮边坡的模拟分析中。     

土质边坡的稳定性数值分析

边坡土体的剪切破坏实质是土的结构损伤导致其力学性质变化的最终形式。针对两种损伤的定义，给出了损伤变量和损伤演化方程，同时可用损伤力学定义边坡的安全系数为极限损伤与最大损伤变量之比，结合概率分布可计算出安全系数，并给出了应用算例。     

考虑节理初始损伤的岩体本构模型

为反映岩体结构特性及荷载效应对岩体损伤及变形破 坏特征的影响,选用 DＧP准则,考虑节理初始损伤的影响,建 立节理岩体多因子耦合损伤模型,并推导模型参数的理论表 达式.研究表明:岩体的损伤演化途径对应着岩体结构变化 所诱发的力学性状与行为的演变.由于节理宏观缺陷的存 在,使岩体性质表现出明显的差异性,当倾角为０°和９０°时, 岩体的初始损伤值和临界损伤值较小,对应的峰值强度值较 大;当倾角为６０°时,岩体的初始损伤值和临界损伤值最大, 对应的峰值强度值最小.由所建模型的应力 应变曲线与 试验得到的曲线具有较好的一致性,说明模型能够较好地描 述不同节理状况下岩体的变形破坏过程.     

节理岩体边坡渐进破坏的数值模拟研究

岩体边坡是含有大量裂隙且服从统计规律的损伤体。本文引入虚拟节理,应用数值模拟软件(UDEC2D),对只考虑自重作用下节理岩体边坡渐进破坏规律进行了数值模拟研究,得出了单组节理岩体边坡渐进破坏的规律,其模拟结果对确定节理岩体边坡破坏模式具有指导意义。     

混合岩变形及损伤演化试验研究

利用SAM-2000型岩石伺服试验系统和DS2声发射监测仪,对混合岩进行三轴压缩声发射试验,利用声发射参数,分析三轴压缩条件下岩石的损伤演化特征。试验结果表明：轴应变随着围压的变化呈现线性正相关关系;混合岩岩样每出现裂缝时,累计声发射振铃计数数值将发生骤增,且随着围压的增大,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征;建立了混合岩体应变损伤演化模型,该混合岩体应变损伤演化模型描述混合岩损伤过程分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段、损伤加速发展阶段及损伤破坏阶段;低围压下混合岩主要发生弹脆性破坏,随着围压的增大,混合岩由弹脆性到延性的转换,混合岩在20MPa围压压缩过程中发生由延性状态转化为塑性状态。该结果合理地反映由低围压到高围压,混合岩由弹脆性到弹延性再到弹塑性的转化。     

采动过程中底板岩层变形破坏与损伤机理分析

底板岩层在采动过程中的变形破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布。为了研究底板岩层破坏的细观机理,描述底板岩层的裂隙演化,在分析煤层底板应力环境的基础上,基于岩石工程破坏准则,采用连续介质损伤力学和几何损伤理论的研究方法将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)破坏准则,建立了煤层底板脆性裂隙岩体介质在孔隙水压力作用下受采动影响的脆性动力损伤发展和孔隙率演变模型。并应用该模型对谢桥矿8#煤层开采过程中的底板变形破坏特征和裂隙水的迁移活动规律进行了脆性动力损伤分析。该损伤力学模型可用于煤层底板稳定性分析。     

基于FLAC3D模拟的深部岩体爆破损伤规律研究

在高应力和爆炸载荷共同作用下,深部岩体的损伤和破坏将是一个复杂的动态演化过程。为了对深部岩体爆破损伤破坏的机理及影响因素进行深入细致的研究,利用FLAC3D非线性动力分析手段对不同爆炸峰值应力、不同加载速率及不同静应力对岩体爆破损伤量的影响进行研究,同时探讨了爆破损伤破坏区域随动态加载时间的扩展规律,以定性和定量的方式对爆炸后损伤区进行分析和评估。研究表明：不同峰值应力主要影响应力波上升阶段岩体损伤区域和损伤量的大小,不同的加载速率主要影响损伤区的发展速度,而不同的静应力主要影响拉伸破坏区域的最终形态及拉伸破坏量。研究为深部岩体爆破开挖设计提供一定参考。     

节理裂隙边坡锚注加固抗剪切效应研究

通过对节理边坡锚注加固力学模型的理论推导, 得出锚注加固能够提高节理抗剪强度和抗剪刚度的结论。借助对各种状态节理的模拟剪切试验对比分析, 验证了理论推导的结果; 经过对节理剪切试验全程曲线的分析, 总结阐述了边坡锚注加固的抗剪切效应特性, 指出随锚杆与剪切面的夹角不同, 节理面抗剪强度的变化规律; 锚杆与注浆胶结体抗剪强度的同步发挥程度与锚杆配筋率有关, 从而为节理裂隙边坡锚注加固工法的推广, 提供了理论和实验依据。     

裂隙分布对地下硐室稳定性的影响研究

根据断裂力学和损伤力学的理论和方法，用岩体宏观损伤张量和岩体损伤应变分析了裂隙体对岩体应力，应变的影响。通过岩体宏观裂隙的断裂扩展研究，建立岩体损伤演化方程，对地下酮室稳定性进行有限数值计算，分析讨论了裂隙损伤对稳定性的影响。     

露天转地下开采边坡滑动面标定的新思路

结合露天转地下开采边坡的工程特点、现有的高陡岩质边坡的微震监测结果及滑坡实例的分析,指出:对露天转地下开采边坡稳定性的研究,如果只进行单一的数值计算分析,其模型及参数的可靠性和适用性缺乏实际物理反馈信息的验证;如果只进行单一的损伤定位的微震监测,则对于损伤形成机理分析缺乏理论依据且无法给出边坡的实时安全系数。认为建立以微震物理信息为基础、以微震源能量-岩体损伤表征关系为纽带、微震监测-数值分析相结合的滑动面时空基准标定方法,是开展露天转地下开采边坡稳定性研究的可尝试新思路。     

岩体突水通道形成过程中应力-渗流-损伤多场耦合机制

突水通道形成的渐进性破坏过程是煤矿突(透)水机理研究的关键问题,采动扰动和地下水双重作用下岩体的持续渗流-损伤行为导致破裂通道最终形成.采用可考虑地下水作用下岩体拉剪和压剪双重破坏准则的计算程序,真实再现承压含水层与巷道之间隔水岩体的采动裂隙萌生、扩展、贯通直至破裂通道形成的灾变演化过程,通过对岩体应力场、渗流场和损伤场的耦合演化过程进行分析,实现了对突水通道形成轨迹的准确定位,揭示了突水通道形成过程中岩体应力-渗流-损伤的耦合机制.数值实验结果表明:采动影响下持续的应力-渗流-损伤耦合作用诱发岩体强度降低导致突水通道最终形成,隔水岩体历经了群裂纹萌生、扩展和贯通的渐变过程;通道贯通前,岩体破裂损伤能量激增,通道部位岩体剪应力急剧下降,渗透系数和流量则急剧上升,各物理场均孕育了不同程度的突水前兆信息.     

考虑尺寸效应的裂隙岩体强度损伤力学研究

根据岩体裂隙网络的层次性分布特点, 研究岩体裂隙分形结构的标度不变区间, 以此划分岩体宏观损伤的不同层次。通过确定相对无损尺度, 利用分形结构的标度不变性, 在连续介质损伤力学框架内, 预测岩体强度损伤, 并根据统计强度理论, 预测在荷载条件下岩体强度的损伤演化。研究表明, 岩体强度的初始损伤及其演化存在一定的尺度效应。     

单轴压缩岩石相似材料损伤特性及时空演化规律

为了研究岩石相似材料的损伤特性和损伤时空演化规律,利用自主研发的YYW-Ⅱ应变控制式无侧限压缩仪及PCIE-8型声发射(AE)监测系统,监测了岩石相似材料试样在单轴压缩过程中的应力应变变化和AE事件活动,建立了基于AE事件累计数的单轴压缩岩石相似材料损伤模型,进一步分析了岩石相似材料在单轴压缩过程中的损伤发展阶段,研究了单轴压缩下岩石相似材料的损伤时空演化过程。结果表明：岩石相似材料试样在单轴压缩过程中,AE事件活动大致经历了初始压密少量段、弹性变形稳定增长段、塑性变形和破坏剧烈增长段3个阶段;损伤过程可分为初始损伤阶段、损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段;损伤时空演化过程较好地反映了损伤特性,以1号试样为例：损伤由试样底部开始发展集中,而后中部和上部出现损伤并向底部和顶部稳定发展,随后中部和上部损伤迅速增多并与底部损伤区连通,最终试样发生破坏。研究成果可为相似材料模型损伤演化规律的研究提供一定的参考。