岩石破坏全过程中的能量变化分析

分析了用能量的方法研究岩石破坏问题的合理性,指出能量是岩石破坏的原动力,从能量的角度进行研究,就有可能发现岩石破坏的机理。进而详细分析了岩石变形破坏过程中,各种耗散能和释放能的种类、大小、以及对岩石破坏所起的不同作用,并分别从宏观和微观的角度研究了在不同的变形阶段中,岩石能量耗散与释放问题。作者认为能量耗散导致岩石强度的降低,而能量释放造成岩石的灾变破坏,从能量耗散与释放的观点研究岩石的破坏,可以避免分析复杂的变形过程,有利于简化问题,找到岩石破坏的真正原因,为实际工程提供参考。     

岩石剪切破坏过程的能量耗散和释放研究

地下工程的特殊地质环境和岩石自身的构造(存在微裂隙)决定了岩石的破坏主要以压剪破坏为主.而地下硐室的破坏如岩爆等也以剪切型破坏为主.剪切型裂纹与张性裂纹的不同使得岩石破坏时释放出较大的能量.岩石破坏过程中自身力学参数的弱化,使得应力应变关系并不能准确反映岩石变形破坏的本质.因此,以能量的耗散和释放原理,分析了岩石变形破坏过程中的能量变化,并以单轴压剪破坏为例研究了岩石破坏过程的各种能量的传递、转化关系,计算了压剪破坏后岩石释放的各种能量所占总变形能的比例,对认识硐室围岩应力重分布后积聚的可释放变形能的能量分配,硐室发生岩爆时动能大小及岩爆的量级,具有一定指导意义.     

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。     

岩爆孕育发生过程中的微震活动规律研究

为提高采用微震监测技术预报岩爆的准确率,基于最小耗能原理,通过理论分析,花岗岩室内试验和数值分析等方法,揭示了岩爆的孕育发生机理,提出了岩爆发生的准则,建立了岩爆的孕育发生过程的本构方程,探讨了由声发射频次确定的损伤演化曲线与岩爆的损伤演化曲线之间的关系,揭示了应力、能量积累转移与微震活动空间分布规律之间的内在联系.研究结果表明:岩爆的孕育过程是以损伤耗散为主的储能过程,发生过程是以塑性耗散和弹性能释放为主的能量释放过程;同时满足裂纹扩展完成准则和极限储能准则时发生岩爆;由声发射频次确定的损伤演化曲线与岩爆的损伤演化曲线有很好的一致性;通过监测微震活动空间分布规律可揭示岩爆孕育发生过程中应力和能量分布情况,为建立岩爆预报模型提供依据.     

基于能量耗散理论的黏性土坡破坏发育机理研究

针对自重作用下黏性土坡开挖过程中滑坡失稳的渐进破坏过程,采用PFC2D 颗粒流数值模拟,再现了黏性土坡从发生到发展、演化再到最终失稳破坏的整个过程。结合能量耗散结构指出自重服役下的滑坡破坏过程本质是由于能量释放驱动下的能量耗散所引起的一种状态失稳现象,能量释放和能量耗散的共同作用是引起滑坡渐进破坏的内在原因。把滑坡的整个过程划分成3 个阶段,即蠕变损伤、强度丧失,裂隙发展、滑坡加速,滑体减速、滑面渐宽;并从颗粒细观尺度给出了基于能量释放的边坡强度失稳准则,进一步解释了滑坡整体破坏的本质原因。     

岩石变形破坏过程的热力学分析

岩石在变形破坏过程中始终不断与外界交换着物质和能量,岩石的热力学状态也相应的不断发生变化。根据非平衡热力学理论,从理论上解释了岩石变形破坏过程的能量耗散及能量释放特征。在岩石的变形破坏过程中,热量供给和岩石体积元的形状及位置变化作为岩石体积元内塑性硬化、微缺陷形成等的能量源,导致弥散在岩石内部的微缺陷不断演化,从无序分布逐渐向有序发展,形成宏观裂纹,最终宏观裂纹沿某一方位汇聚形成大裂纹导致整体失稳(灾变)。从力学角度而言,它实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程。从热力学上看,岩石(岩体)这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程,包含能量耗散和能量释放。岩体总体灾变实质上是能量耗散和能量释放的全过程,而灾变瞬间是以能量释放作为主要动力。     

冲击荷载作用下的井壁混凝土能量与损伤特性

针对深部矿井井壁混凝土产生类似"岩爆"现象的问题,从典型种类混凝土动力学性能角度出发,采用直径为75 mm的分离式霍普金森杆(SHPB)和超声检测装置对普通高强混凝土(NHSC)、钢纤维混凝土(SFRC)和免蒸养活性粉末混凝土(NSC-RPC)进行动力学试验。研究单次和多次冲击荷载作用下,不同种类混凝土的应力、应变行为,能量输入与耗散特征以及损伤程度。分析子弹的冲击速度、混凝土内部能量和损伤程度3者之间的相关关系,探明不同种类混凝土的失效特征与机理。结果表明:3种典型种类混凝土的应力应变、能量和损伤值皆与冲击速度呈正相关性。NSC-RPC的能量承受和耗散能力是NHSC和SFRC的两倍左右,同时NSC-RPC要产生可测损伤值所需要的临界冲击速度亦高于另外两者。多次冲击荷载导致混凝土应力峰值降低,应变增大,材料的承载能力弱化,但多次的冲击行为对NSC-RPC的劣化程度最小,且在多次较低速的冲击荷载下,NSC-RPC仍未出现可测损伤值。在3种典型种类混凝土中,NSC-RPC具有最为优异的抗冲击能力,将NSC-RPC应用为深部地下工程井壁以及关键结构部位材料更具有优势。本工作从应力应变、能量与损伤等多方位因素,揭示深竖井井壁结构在服役期限内的损伤、失效机理,提出深部井筒支护材料的改善措施,为超深井井壁混凝土材料的选择提供可靠的理论依据。     

冲击地压形成过程中能量耗散特征研究

在非平衡热力学和耗散结构理论的基础上,研究了冲击地压孕育过程中“煤－围岩”系统能量耗散特征和系统内熵的变化,初步建立了基于非平衡态热力学的冲击地压失稳判断方法;采用X射线衍射、顺磁共振、扫描电镜、显微组分测定等实验手段,获得了冲击地压发生前后煤岩样的细观结构差异,探求了冲击地压孕育、发生过程中能量耗散细观特征。研究发现：冲击地压是煤岩体内能量的涨落达到一定值后出现的自组织现象,其孕育过程是煤岩储能和耗能竞争的过程,该过程中强烈的挤压和剪切力加强了煤微元环缩合作用和拼叠作用,使煤超前演化,并促使煤岩内宏观裂纹非稳定扩展,加速了能量耗散的物理和化学的不可逆过程。     

花岗岩巷道岩爆声发射信号及破裂特征实验研究

以声发射能量、振铃计数、上升时间和主频作为特征参数,对巷道岩爆实验声发射信号进行聚类分析,得到3类声发射信号。深入分析3类声发射信号特征参数,挖掘其对应的物理意义,揭示其反映的破裂特征。基于能量释放率,确定驱动岩爆灾害形成的主要岩石破裂类型。利用该类破裂对应的声发射信号,进行巷道岩爆预测研究。研究结果表明:第1类信号具有高能量、高振铃计数、低上升时间和低主频的“两高两低”特征,对应高强度、大尺度裂纹稳定扩展;第2类信号具有高能量、高振铃计数、高上升时间和低主频的“三高一低”特征,对应高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展;第3类信号具有低能量、低振铃计数、低上升时间和低主频的“四低”特征,对应低强度、小尺度的裂纹非稳定扩展。其中,高强度、大尺度的裂纹非稳定扩展是岩爆灾害形成的主要驱动力,该种破裂类型对应的“三高一低”特征信号,能够为岩爆提供早期预警信息,是岩爆灾害预警研究的重点关注对象。     

深部岩爆演化机制的耗散结构理论分析

从能量分析的角度,利用系统科学中的耗散结构理论与尖点突变模型研究深埋地下空间围岩体系统岩爆等岩体突然失稳破坏的演化机制。通过分析深埋地下空间局部围岩体系统的开放性、远离平衡态和非线性,符合耗散结构理论要求的3个特征,说明发生岩爆等岩体突然失稳破坏的深埋局部围岩体系统是一种典型的耗散结构,符合耗散结构从无序向有序发展的一般规律。通过建立尖点突变模型,解释了深部岩爆发生的"突发"机制;通过建立深埋地下空间力学模型及其本构方程,得到深部岩爆等围岩体突然失稳破坏危险性的评价指标。     

不同开挖方式下深部岩体应变能的释放机制

深部岩体开挖过程中,围岩应变能的释放是岩体破坏的诱因之一,而不同开挖方式下应变能的释放机制存在较大差异。通过理论分析,探讨了钻爆法和TBM开挖条件下应变能释放规律,并结合锦屏二级水电站实测深埋隧洞开挖引起的围岩振动的组成分析,讨论了不同开挖方式下的应变能释放机制。研究表明：高地应力下爆破开挖过程岩体所储存的应变能伴随爆破破岩过程高速释放,诱发围岩振动,此时实测振动由爆炸荷载诱发振动和应变能瞬态释放诱发振动二者组成;而TBM开挖条件下,岩体内应变能缓慢释放,不会引起围岩动力响应,实测振动主要是滚刀在机械力作用下破岩或液压加载装置的振动引起的。而应变能不同的释放机制将导致岩体出现不同形式和程度的破坏,且现场对两种方式下围岩损伤及应变型岩爆的监测也证实这个结论。     

不同应力路径下岩石能量耗散研究现状及分析

深部岩体在受力破坏过程中,能量耗散是引发岩石损伤、破坏的内在动力,可能导致岩爆等动力灾害,因此不同应力路径下岩石能耗问题的研究越来越重要。结合文献,对岩石在不同应力路径下的破坏过程中能耗问题的研究进行总结,表明：仅考虑一维应力条件下岩石破坏过程中的能耗问题是不全面的,需深入分析多维应力条件下岩石的能耗规律;能量耗散反映岩石微裂纹闭合演化程度,通过能耗判断岩石损伤特性是一种有效可行的方法;循环加卸载路径下的能耗演化工作量不足。而层状复合岩石是岩体结构的薄弱环节,对岩体稳定性具有重要影响,有必要进一步对其动力学特性及能耗规律展开研究,以正确综合评价岩石破坏的力学特性。     

瓦斯对冲击性煤样能量耗散的影响

基于煤的冲击倾向性分类及指数测定方法,进行了不同瓦斯压力下煤样冲击倾向性测定,应用能量积聚与耗散的方法,分析了不同瓦斯压力环境中煤样单轴压缩与循环加卸载过程中能量积聚与耗散关系。研究表明：随着瓦斯压力的增大,煤样的冲击倾向性指数减小,冲击倾向性降低;煤样破坏前储存的弹性能降低,破坏时耗散能增率呈非线性快速降低趋势;在循环载荷作用下,煤样在相同循环中耗散能随着瓦斯压力的增加而增加。在不考虑瓦斯膨胀能的情况下,瓦斯压力的增加降低了煤层冲击地压的破坏性。因此,高瓦斯矿井在深部开采中进行冲击倾向性评价时应考虑瓦斯因素。     

煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究

针对煤矿深部开采冲击地压监测防治难题,采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场监测相结合的综合研究方法,研究了深部应变型、断层滑移型和坚硬顶板型三类冲击地压的致灾机理,提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个新指标,建立了与冲击地压类型相适应的煤岩冲击倾向性评价体系,获得了深部开采三类冲击地压的前兆信息特征,给出了以深部开采冲击地压类型为导向的监测预警及组合式卸压解危方法,研发了钻孔施工与预警同步一体化技术。结果表明:① 深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果;与浅部开采相比,深部坚硬顶板破断释放的变形能明显增大,以及深部断层更易发生错动滑移;② 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压的冲击倾向性评价需在国家标准基础上分别增加卸围压冲击能速度指数、煤岩组合冲击能速度指数,而对于深部断层滑移型冲击地压,这两个指标均需增加;③ 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压监测预警应以能量和应力判据为主,但深部断层滑移型冲击地压应以能量判据为主;④ 深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水;⑤ 采用钻孔施工与预警同步一体化技术,可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息,对施工过程中可能发生的冲击危险进行同步预警。煤矿深部开采冲击地压防治作为一个复杂的系统工程,以科学分类为基础的系统防治技术体系仍是深部开采冲击地压需要重点攻关的研究方向。     

深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理与技术

针对深部冲击地压巷道高应力、强冲击造成的强矿压显现难题,分析了深部冲击地压巷道围岩变形破坏特征,确定了导致深部冲击地压巷道强冲击显现的防控难点,揭示了巷道冲击破坏机制。在分析深部冲击地压巷道破坏机制的基础上,建立了深部冲击地压巷道围岩力学模型,分析了动、静叠加载荷、支护应力、围岩力学属性与莫尔圆间的相互作用关系,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理。通过对巷道围岩远、近场进行卸压,从动、静载荷角度降低巷道冲击能量和所受应力;利用高预应力、高强度、高延伸率及高冲击韧性“四高”锚杆(索)主动支护,结合围岩结构重塑技术,提高巷道围岩自承载和抗冲击能力;结合钢棚、缓冲垫层及防护支架,通过高阻尼作用快速抑制巷道围岩的冲击震动。通过协调“卸压-支护-防护”3种技术手段的时空关系,改变冲击地压巷道能量释放、传播及耗散形式。基于“卸压-支护-防护”协同防控原理,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控技术,开发了长、短孔分段水力压裂工艺,研发了配套的压裂机具和设备;研制了高冲击韧性锚杆(索)系列支护材料,大幅度提高了支护材料的强度和韧性;提出了以钢棚、缓冲垫层及防护支架为一体的巷道复合防护结构,复合防护结构能有效吸收巷道围岩内的冲击动能,抑制围岩震动。研究成果在蒙陕和义马典型冲击地压矿井开展了工业性试验,“卸压-支护-防护”协同防控技术改变了厚层坚硬岩层冲击能量释放形式,有效抵御了高动、静叠加载荷,减小了巷道围岩整体冲击变形,控制了深部冲击地压巷道围岩稳定。     

钢纤维混凝土在深井软岩硐室砌碹中的应用

该文以-1030压风机硐室砌碹工程C50钢纤维混凝土为例,对钢纤维混凝土在深井软岩硐室支护中的应用,从原材料的选用及施工工艺等方面进行阐述。     

循环载荷下煤样能量转化与碎块分布特征

煤矿开采中煤体常处于反复加卸载过程,研究煤体在不同加载速率重复载荷作用下的能量转化与破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。利用MTS815.03伺服实验系统,通过单轴循环加卸载试验,结合能量和分形理论,获得了不同加载速率下煤样变形破坏各阶段能量积聚、耗散和释放的转化机制及其与煤样碎块块度分布规律的内在关系,为开展重复载荷作用下煤岩破裂响应及破坏机制的研究提供依据。试验结果表明:煤样能量转化具有明显的阶段性特征,可分为能量初始积累阶段、能量加速积累阶段和能量快速耗散阶段。煤样破坏前耗散能所占比例经历了高—低—高的过程,而弹性能则相反,加载后期弹性能比例下降或耗散能比例的升高,预示着煤样进入加速破坏阶段;能量集聚和释放与加载速率密切相关,随着加载速率的增大,峰值前弹性能所占比例逐渐增加,煤样破坏前更多的能量以弹性能形式储存在煤样体内,岩石破坏后,更多的能量被释放出来,煤样破坏越剧烈,其宏观破坏形态由剪切张拉和劈裂破坏向弹射破坏过渡;循环加卸载下煤样碎块分形特征具有明显的分段性,在小于尺寸阈值范围内具有较好的自相似性特征,不同加载速率下碎块分形维数为2～3,且随加载速率的增加成线性增长;加载速率越大碎块分形维数越大,煤样破碎程度越高,大块碎块所占比例越小,煤样碎块越破碎且单块碎块质量越小,煤样发生动力灾害的危险性越大。     

构造应力场煤巷掘进冲击地压能量分区演化机制

在新建深部矿井,原岩应力区煤巷掘进冲击地压问题日益突出,且现场破坏具有区间性和方位性特征,为揭示这一机制,针对深部构造应力场条件下的煤层掘巷,基于数值模拟和理论分析研究,建立不同掘进速度下围岩弹性能空间分区演化模型,划定能量非稳态释放边界,分析其分布形态与能量特征,结论与现场实际破坏情况较为吻合。研究结果表明:依据弹性能所处状态及变化特征的不同,构造应力场煤巷掘进围岩在空间上可划分为6类区间,顶底板内同时分布能量积聚区和释放区,而巷帮仅存在能量释放区,这与最大主应力的做功特征密切相关。掘进速度增大时,围岩弹性能释放区的走向范围将同时向两端扩展,非稳态释能边界沿走向不断拉长,具有冲击风险的范围不断扩大。构造应力场中,巷帮潜在冲击启动区位于工作面附近,其冲击发生必要条件包括高原岩应力和快速掘进。巷帮和工作面潜在冲击启动区均位于围岩浅部。由于滞后区顶底板能量非稳态释放前积聚水平更高,加上顶板和帮部支护作用,导致底板滞后区冲击破坏强度要大于工作面附近顶底板和巷帮冲击破坏强度。研究结论与构造应力场现实冲击案例较为吻合,对构造应力场煤巷掘进冲击地压监测预警及解危方法的研究具有参考意义。     

冲击矿压危险的电磁-震动耦合评价

冲击矿压危险性评价与预警中,单纯使用电磁辐射强度值大小或微震能量值都具有一定的局限性。为此,在分析冲击矿压发生的力学环境与能量过程的基础上,提出电磁-震动耦合预警方法,建立评价方法体系,结合具体冲击矿压矿井监测结果,研究冲击矿压前兆规律。结果表明:在冲击矿压发生前,电磁辐射值高出正常值,微震活动表现出能量存在明显的沉寂期,次数却呈上升趋势的规律,利用电磁-震动耦合的静态叠加评价和动态评价与现场冲击前兆具有较高的一致性;而当电磁辐射强度值较高,但是微震活动处于稳定的能量释放状态时,叠加后的综合冲击危险性降低,不会出现冲击矿压危险。