冲击扰动诱发蠕变岩石加速失稳破坏试验

矿山开采中,岩石长期处于蠕变状态,开采扰动会诱发此类岩石的加速失稳破坏。但破坏往往晚于开采活动,表现出明显的时间滞后效应,这给预报工程灾害的发生时间带来了极大困难。针对这一问题,在岩石流变?冲击试验机上对岩石试样进行了多次循环落锤冲击?蠕变试验。分析岩样应变变化规律,探讨岩石蠕变状态、落锤冲击次数和冲击能量对蠕变岩石变形破坏特征的影响,从能量角度阐述了蠕变岩石在冲击扰动作用下的破坏规律。试验结果表明：在相同的岩石蠕变状态下,随冲击能量和冲击次数的增加,岩石内部损伤逐渐增多,加速损伤区的形成,岩样吸收更多能量,使岩样发生加速蠕变破坏。冲击扰动使岩样内集聚的弹性能沿着损伤区发生定向释放,发生破坏。研究结果为滞后型冲击工程灾害的预测提供了理论依据。     

冲击扰动诱发蠕变岩石加速失稳破坏试验

矿山开采中,岩石长期处于蠕变状态,开采扰动会诱发此类岩石的加速失稳破坏。但破坏往往晚于开采活动,表现出明显的时间滞后效应,这给预报工程灾害的发生时间带来了极大困难。针对这一问题,在岩石流变-冲击试验机上对岩石试样进行了多次循环落锤冲击-蠕变试验。分析岩样应变变化规律,探讨岩石蠕变状态、落锤冲击次数和冲击能量对蠕变岩石变形破坏特征的影响,从能量角度阐述了蠕变岩石在冲击扰动作用下的破坏规律。试验结果表明：在相同的岩石蠕变状态下,随冲击能量和冲击次数的增加,岩石内部损伤逐渐增多,加速损伤区的形成,岩样吸收更多能量,使岩样发生加速蠕变破坏。冲击扰动使岩样内集聚的弹性能沿着损伤区发生定向释放,发生破坏。研究结果为滞后型冲击工程灾害的预测提供了理论依据。     

岩样单轴压缩的失稳破坏和试验机加载性能

岩样单轴压缩过程的应力-应变曲线是特定岩样与试验机共同作用的结果,并非岩石材料的力学特性;以此观点研究了不同形状岩样峰后强度降低的规律．给出了岩样与试验机联合作用模型,得到了简单而明确的岩样失稳破坏准则;讨论了电液伺服试验机的加载特性和获取全程曲线的方法,并对Ⅱ类全程曲线作出了新的解释。     

岩体动力失稳终止点、能量释放量解析解与图解

以精确和近似突变模型方式,按Ⅱ体的步调,给出了岩体系统动力失稳弹性能释放量的解析解和图解;将地震、岩爆前后阶段岩体系统稳定性的定性认识提高到定量描述;严格确定了岩体系统弹性能瞬间释放终止点位置,为计算地震效率、研究释放的地震能量级、地震应力降、震后断层错距和围岩弹性应变恢复量提供了科学依据。系统失稳时具备对外界做功的本领,地震波能便是失稳的岩体系统以破坏性方式对环境做功。给出的弹性能释放量图解中蕴涵了丰富的信息量,为确定岩体动力失稳问题的数学模型是折迭突变模型给出有力佐证。     

弹性地基条件下狭窄煤柱岩爆的突变理论分析

将未采煤层视为弹性地基条件下,运用maple9.5符号运算软件解得岩梁的挠曲线方程。根据能量守恒原理得到的功、能增量平衡关系式,求得岩梁–煤柱系统作准静态形变时的平衡方程--折迭突变模型平衡方程;用折迭突变总势能函数所作的稳定性判别表明,岩爆前兆阶段岩梁–煤柱系统处于不稳定平衡状态;煤柱岩爆的条件是Cook刚度准则,该准则可以动态地用煤柱形变增大时所需外界的能量输入率趋于0来表示;计算了煤柱岩爆地震能释放量,阐明煤柱岩爆机制是由于岩梁弹性能释放量超过峰后软化煤柱形变所耗的能量。通过岩梁弹性势能变化率曲线和煤柱耗能曲线,以几何形式描述了所得研究结果。计算表明,未开采煤层刚度变化对岩梁的等效刚度影响微弱。工作面开挖和采空区增大,将显著减小岩梁刚度Ke,对煤柱岩爆有重要影响。     

饱水状态对岩石冲击倾向性影响的研究

取菏泽赵楼煤矿岩样进行了饱水前后冲击倾向性指标的对比试验,研究发现饱水状态对岩样弹性能量指数影响明显,动态破坏时间和冲击能量指数亦有影响。对于不同水稳性特征的岩石,饱水前后的冲击倾向性存在明显差异。     

基于梯度塑性理论的岩样在压剪条件下变形及稳定性分析

考虑了正应力及剪应力联合作用在岩样的端部,而且,在正应力被视为变量,剪应力被视为常量这一特殊条件下,对剪切带的变形特征及剪切带-带外弹性体系统的失稳判据进行了分析.根据剪切虎克定律及梯度塑性理论,提出了剪切带内部弹性应变、塑性应变及总应变的解析式,对上述三种应变进行积分,提出了剪切带错动弹性位移、塑性位移及总位移的解析式.利用压缩虎克定律及几何关系建立了剪切带外弹性体的刚度的表达式.根据刚度理论,建立了剪切带-带外弹性体系统的失稳判据.考虑岩样端面的剪切应力后,在流动剪切应力相同时,剪切带内部的弹性剪切应变(均匀分布)将增加;剪切带内部的塑性剪切应变(不均匀分布)将减小;剪切带的弹性剪切位移(线性分布)将增加;剪切带的塑性剪切位移(非线性分布)将减小;剪切带错动位移要小一些.另外,剪切应力对剪切带-带外弹性体系统的失稳判据没有影响.失稳判据仅和岩石的本构参数、剪切带倾角及结构尺寸有关.     

砂岩加卸载条件下能耗特征试验研究

采用MTS815刚性伺服试验机,对砂岩进行了单轴、三轴压缩和三轴峰后卸围压试验,对比研究了砂岩在加卸载试验条件下的能耗特征。结果表明,单轴压缩各能耗指标值均小于三轴压缩和三轴峰后卸围压,三轴峰后卸围压介于单轴与三轴压缩之间。三轴压缩和三轴峰后卸围压各能耗指标均具有明显的围压效应,随着围压的升高而线性增大。单轴压缩时砂岩表现为突发性的脆性破坏,初期储存的弹性应变能瞬间几乎全部转化为耗散能,成为岩样破坏时所表现出的一切现象的源动力;三轴压缩时砂岩表现为从局部破坏到整体失稳的渐进过程,耗散能所占吸收能量的比例越来越大,表现为明显的能量耗散,能量耗散发展到一定程度表现为明显的能量释放,随即岩石整体失稳破坏。     

泥质砂岩在循环荷载作用下能量响应规律的试验研究

目前应用能量原理研究岩体结构的破坏、变形及稳定性是岩石力学领域研究的重点。为了研究泥质砂岩在循环荷载作用下3类能量——单位体积能、单位体积弹性能和单位体积耗散能的响应规律,开展了考虑动应力频率、围压和动应力幅值影响的循环加卸载试验。试验结果表明,3类能量在同一频率、不同围压下具有相同的能量响应规律。随着频率的增加,单位体积能、单位体积弹性能和单位体积耗散能随循环次数的响应规律呈现出有规律的波动性;累计单位体积能和单位体积弹性能随循环次数近似线性发展,而累计耗散能呈现出更强的非线性特点。采用了能量速率指标来衡量3类能量的变化程度,频率越高,3类能量的变化速率越大。在能量速率-时间曲线中存在明显的突变点,初步分析为岩样内部或表面裂缝发展的阈值点。通过对影响耗散能的因素分析可知,耗散能与围压、动应力频率和动应力幅值之间均为正增长趋势。结合相关文献的分析结果,综合分析了从循环开始到岩石最终破坏之间全部周期内的3类能量的响应规律,阐明了岩样在循环荷载作用下的能量响应规律,有助于深化对泥质砂岩能量响应规律、损伤及破坏的认识,为应用能量原理分析岩体工程的稳定性提供试验依据和应用指导。     

实时高温下加载速率对花岗岩力学特性影响的试验研究

为综合考虑温度、加载速率两个因素对花岗岩力学性质及破坏方式的影响,在实时高温（25～1 000 ℃）作用下利用MTS810电液伺服材料试验系统对岩样进行不同加载速率作用下的单轴压缩试验。研究结果表明：（1）各个温度点,岩样单轴压缩应力-应变曲线大致经历了压密、弹性、屈服、破坏4个阶段。岩样峰后曲线在加载速率为0.001～0.01 mm/s出现台阶型分段跌落状,在加载速率为0.01～0.1 mm/s呈现光滑、陡峭的连续曲线。（2）岩样峰值强度、弹性模量随温度的升高可分为4个阶段：25～200 ℃区间为缓慢上升段;200～600 ℃区间为快速下降段;600～800 ℃区间为缓慢上升段;800～ 1 000 ℃区间为平缓下降段。1 000 ℃时的峰值强度和弹性模量相对于25 ℃时分别降低了53.47%和64.34 %。峰值应变与温度呈现三次多项式拟合关系。（3）岩样峰值强度、弹性模量与加载速率对数均呈现二次多项式增长关系,加载速率为0.1 mm/s时的峰值强度和弹性模量相对于0.001 mm/s时分别提高了38.82%和37.22%。岩样峰值应变与加载速率没有明显的对应关系。（4）单轴压缩状态下,随着温度的升高,花岗岩变形破坏形式由拉剪破裂向锥形破裂并伴随向碎性流动过渡,失稳型式由突发失稳向渐进破坏过渡。同一温度状态下,加载速率对岩样的破裂形式没有明显影响,但失稳型式发生了变化。     

花岗岩岩桥卸荷脆性破坏的能量特征

岩质边坡锁固段型岩桥的破坏和能量的累积与释放密切相关,利用MTS815伺服控制刚性力学试验机对花岗岩岩桥试样开展了常规三轴加荷试验和三轴加卸荷试验,采用基于轴向应力比的能量分析方法,可对不同工况下峰前加载各阶段能量变化趋势进行有效的对比分析。结果表明:应力峰值前能量特征变化主要分为压密阶段与弹性阶段,试样处于压密阶段,随着初始裂纹的闭合与摩擦,耗散能占比大幅增加;弹性阶段,荷载所做功大部分转化为弹性能储存在试样内部,弹性能占比大幅增加。由于预制裂隙存在,在临近破坏前没有出现明显的屈服阶段,岩桥试样表现为“突发式”的脆性破坏;初始围压的提升会使得应力峰值点的总能量、弹性能明显增大;花岗岩试样的岩桥越长,其吸收的总能量、弹性储能极限越大,应力峰值点的弹性能占总能量比值越高,岩桥长度变化则对耗散能没有明显影响。     

玲珑金矿深部应力分析及岩爆防治措施研究

通过对玲珑金矿深部岩石的循环加卸载试验、单轴和三轴刚性试验以及三维数值模拟计算,从整体上揭示了玲珑金矿岩石内聚集较高弹性应变能和深部岩体中分布较大弹性能的现象,并且这些弹性能释放具有很高的冲击特性。结合多种理论判断岩爆准则,得出玲珑金矿深部开采具有潜在的强岩爆可能性,并且岩爆总体上讲是可以预测的。同时,根据现场实际施工情况,提出了相应地防止岩爆发生的对策和安全措施。     

岩爆预测的灰色关联系统分析与评价

岩爆由于其发生的突然性和猛烈性,常给地下工程建设带来灾害性破坏,因此,岩爆预测研究具有重大的工程意义.岩爆由于影响因素众多且关系复杂,采用传统的指标和评价办法很难系统地考虑诸多因素,而采用灰色关联分析方法可建立起各种影响因素的相关性.灰色关联系统通过分析洞室围岩应力、岩性条件和能量条件等影响岩爆的主要因素,选取岩石抗压...     

采动支承压力引起应变型冲击地压能量判据研究

采动支承压力引起的能量积聚及其突发释放是导致应变型冲击地压发生的根源之一。在将工作面前方煤体划分为阻力区、驱动区和无明显影响区的基础上,把应变型冲击地压从孕育到发生全过程分为能量稳定积聚、能量平衡和能量非稳定释放3个阶段,并研究其发生的基本条件;建立了采动支承压力引起应变型冲击地压的能量判据,即认为力学平衡状态破坏时驱动区煤体释放的弹性应变能与阻力区煤体完全破坏消耗能量的比值大于1。从冲击地压防治角度出发,提出了阻力区临界宽度的概念,建立了以阻力区宽度为指标的应变型冲击地压发生判据。现场实测表明,本文所建立的能量判据和指标与实测结果相吻合。其研究成果可为采动支承压力引起应变型冲击地压的预测预报和防冲、减冲工作的实施提供依据。     

地下厂房洞室群岩爆趋势综合预测方法

以拉西瓦水电站地下厂房洞室群原设计方案为例，基于其赋存地质条件调研结果和岩爆产生基本条件，对岩爆趋势进行宏观预测；并结合研究区其他高地应力现象，建立了岩爆预测类比判据。进而基于厂房开挖后二次应力场数值计算结果，以所建判据圈定了岩爆可能发生部位及强烈程度。结果表明，将宏观判据与类比判据结合的岩爆综合预测方法，考虑因素全面，也尊重了研究区实际情况，因而合理可行。     

加卸荷条件下灰岩能耗变化规律试验研究

对灰岩开展单轴、常规三轴与峰前卸荷试验,对比分析不同应力路径下灰岩变形过程的能量变化特征。试验分析表明,灰岩加荷破坏和卸荷破坏的能量变化规律存在明显差异。由于围压抑制了裂纹的扩展,与单轴压缩破坏相比,常规三轴压缩试验灰岩吸收的总能量 和积蓄的弹性能 更多。常规三轴试验灰岩积蓄的弹性能 在峰值强度前一直增加,而卸荷破坏的弹性能 在卸荷开始后基本不变,说明卸荷破坏释放的弹性能 主要是在加荷阶段累积完成的,岩体所处的初始地应力状态决定了其破坏的能量释放量。加荷和卸荷应力路径下,灰岩临近破坏点耗散能 都快速增加,但是卸荷破坏耗散能 增速远大于加荷破坏耗散能增速,耗散能的迅速增加表明岩石破坏的发生。随着围压升高,灰岩吸收的总能量 和储存的弹性能 逐渐升高。随着卸荷速度增加,灰岩吸收的总能量 、储存的弹性能 和耗散的应变能 逐渐减小。     

基于岩爆危险性评价的川藏铁路某深埋硬岩隧道线路方案比选研究

川藏铁路穿越区域地形起伏大,区域地质构造作用强烈,隧道建设中面临的高地应力问题异常复杂,特别是深埋硬岩隧道中的岩爆灾害问题,成为制约选线、设计乃至施工建设的难题。由于隧道工程地质条件复杂,如果岩爆评价指标针对性不强,往往会造成评价结果与实际偏差较大。通过综合分析影响岩爆的关键因素,选取岩石单轴抗压强度与洞壁最大主应力比、洞壁最大切向应力与岩石单轴抗压强度比、岩石强度脆性系数、岩石弹性能指数及岩体完整性系数建立了岩爆评价指标体系。根据熵权法确定各指标权重,基于理想点的基本理论及计算规则,构建了一种岩爆危险性评价模型。通过计算各里程段与理想点的距离,对新建川藏铁路某隧道的3种线路方案进行岩爆风险评估的综合比选。研究结果表明B线路总岩爆段落占比24.9%,其中不可控岩爆段落占比13.4%,比另外两条比选方案低4%左右,综合对比B线路为最优方案。该方法可为深埋硬岩隧道地质综合选线提供必要的科学依据和技术支撑。     

基于快速应力释放的深埋隧洞岩爆防治对策研究

大型地下工程开挖中,高地应力环境下高储能脆性岩体通常会通过脆性破裂快速释放应变能而产生岩爆。岩爆作为常见的一类动力失稳地质灾害现象,极大地威胁着现场施工人员和设备的安全。作为雅砻江锦屏二级水电站的主要工程,千米级埋深的引水隧洞也面临高地应力下硬岩岩爆问题。针对锦屏二级引水隧洞岩爆的特点,提出采用快速应力释放的方法防治岩爆,并采用数值模拟的方法优选了倾斜辐射爆破孔方案。数值模拟结果表明：该方法能使岩体内的初始应力快速卸荷,同时使应力集中区向岩体深部转移。通过在锦屏二级引水隧洞工程中的试验与运用,采用声波测试法对实施快速应力释放方案的效果进行检验,验证了快速应力释放方法防治岩爆的有效性。研究成果为解决类似工程岩爆防治问题提供了理论依据和借鉴。