深部岩体工程响应的特征科学现象及"深部"的界定

根据实测数据和工程实例介绍了深部岩体工程响应中发生的一系列特征科学现象,这些特征科学现象归蚋为静力特征现象和动力特征现象两类。静力特征现象表现为在深部工程围岩中交替出现若干破裂区和不破裂区;动力特征现象表现为深部矿井中的岩块弹射和岩块冒落等岩爆现象和地下爆破时发生的冲击地压动力事件,即岩体中的工程性地震。文中在阐明动力特征现象本质的同时,介绍了与之紧密相关的岩块系的超低磨擦效应、岩块系的准共振现象和岩块系运动时发出的慢速变住波(摆型波)。最后介绍了时深部岩体工程的“深部”概念的应有理解及其如何科学界定。关键词：深部岩体;工程响应;分区破裂化现象;冲击地压动力现象     

岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模型

引述了若干国际权威学者关于岩爆的机制和定义的论述,在此基础上,依据岩爆发生的不同机制,将岩爆分为断层滑移或者剪切断裂所导致的断裂滑移型和岩石破坏导致的应变型岩爆,并结合事故案例,分析了应变型和滑移型两类岩爆及冲击地压的发生机制和特点。在机制分析的基础上,介绍了岩（煤）柱应变型岩爆和围岩应变型岩爆以及断裂滑移型岩爆定量预测的研究成果,其中,包括作者利用非欧几何模型研究非协调变形影响后对应变型岩爆进行了定量预测和数值模拟的新研究成果。     

用滑块模型对冲击地压的研究（I）

根据冲击地压发生的力学条件和地质条件, 引入 (Ruina,1983年)单状态变量本构模型(Single state variable model, SSVM)对冲击地压的动力学行为和演化行为进行了描述。研究表明：模型中参数K, 对冲击地压系统动力学行为和状态变量演化行为贡献较大,而系统动力学行为和演化行为对 ,f初值的敏感性相对较低。模型模拟了冲击地压系统的粘滑特性和冲击地压系统的动力失稳过程,较好地解释了冲击地压的发生机理,为冲击地压失稳破坏的预测预报提供了理论依据。     

冲击地压的滑块模型研究

冲击地压具有典型的粘滑特性,用(Ruina,1983年)双状态变量模型(Two State Variable Model, TSVM)可以很好地模拟冲击地压的这一特性。在分析冲击地压系统的运动特性的基础上,根据冲击地压发生的力学和地质条件,研究了用双状态变量本构模型来模拟冲击地压的动力学和演化行为。分析表明：模型中参数K,β对冲击地压系统动力学行为和状态变量演化行为贡献较大,而系统动力学和演化行为对 , f初值的敏感性相对较低。模型模拟了冲击地压系统的粘滑特性和冲击地压系统的动力失稳过程,较好地解释了冲击地压发生机理,为冲击地压失稳破坏的预测预报提供了理论依据。     

围压与冲击扰动作用下组合煤岩超低摩擦效应分析

深部煤岩在垂直扰动作用下发生振动,当水平冲击足以克服块体间摩擦阻力时,极易发生超低摩擦型冲击地压。文章以细砂岩-煤-细砂岩组合块体为研究对象,考虑顶板-煤-底板临近工作面开采工况,采用数值模拟方法,建立围压与冲击扰动下组合煤岩数值模型,以煤块水平位移、垂直加速度差值作为超低摩擦效应特征参数,分析围压、垂直冲击及水平冲击对特征参数的影响规律。研究结果表明:在垂直冲击与围压共同作用下,煤岩体残余位移及水平位移峰值随围压增大且呈指数增长趋势;在垂直冲击、水平冲击和围压三者共同作用下,煤岩体超低摩擦效应强度与作用时间都随着围压呈增加趋势;垂直冲击对组合煤岩超低摩擦效应的影响最为显著。      

用滑块模型对冲击地压的研究(Ⅰ)

根据冲击地压发生的力学条件和地质条件，引入(Ruina,1983年1单状态变量本构模型(Single state variable model，SSVM)对冲击地压的动力学行为和演化行为进行了描述。研究表明：模型中参数K，β对冲击地压系统动力学行为和状态变量演化行为贡献较大，而系统动力学行为和演化行为对φ，f初值的敏感性相对较低。模型模拟了冲击地压系统的粘滑特性和冲击地压系统的动力失稳过程，较好地解释了冲击地压的发生机理，为冲击地压失稳破坏的预测预报提供了理论依据。     

考虑弹性核作用下的冲击地压形成机理模型试验

使用CCD相机搭建实验图像数据采集系统,采用花岗岩模拟坚硬顶底板、红砂岩模拟软岩层组合成岩层结构,近似还原顶板来压过程中软岩层的变形破坏过程,研究帮部"弹性核"对冲击地压至灾的影响机制。研究结果表明:(1)上覆顶板来压时,可将软岩层划分为塑性破坏区、弹性承压区、原岩应力区,弹性承压区易形成较大的弹性核。(2)软岩层变形能在弹性承压区大幅度积累,其积累过程是波动式上升的;在峰值荷载前,变形能积累和释放的频率加快;达到峰值荷载时,弹性承压区变形能存在明显的释放过程。(3)冲击地压发生时,塑性破坏区冲击并反作用于临近岩体使其短暂收缩。(4)冲击地压是一个渐进性的过程;一方面,由于水平约束的消失,弹性承压区的受力状态由水平方向受约束的压缩状转入单轴压缩态,导致其承载能力减弱;另一方面,承载区面积快速减小,导致软岩层承压区域承担的竖向荷载突增;两者共同作用导致冲击地压出现渐进性的冲击和破坏。     

顶板-支护系统准共振诱发冲击地压机制研究

冲击地压的发生机制与防治是煤矿动力灾害研究的重要问题。巷道顶板-支护系统在围岩扰动作用下存在接近共振状态的准共振现象将诱发顶板支护系统的冲击灾害,表现为顶板的位移、速度、加速度3种准共振强响应。依据支护失稳及支护塑性屈曲判别条件,给出支护动载破坏的3个安全系数及相应的危险扰动频率比区间,同时针对顶板支护系统准共振诱发的冲击灾害给出支护阻尼防冲控制分析。结果表明：在外界扰动力幅值低于静载下的支护临界破坏载荷时,顶板-支护系统的准共振现象是导致支护冲击破坏的主要原因;支护破坏的准共振危险扰动频率比区间与顶板支护系统的阻尼比及力幅比有关,随着阻尼比的增加,顶板准共振时的位移、速度及加速度响应幅值均减小,支护阻尼是对3种准共振响应均敏感的控制量;随着顶板支护系统阻尼比的增大或力幅比（外界扰动力幅值与支护静载破坏临界载荷之比）的下降,支护的危险扰动频率比区间范围将缩小甚至消失,同时阻尼比和力幅比取值均较小时,顶板支护系统在3种准共振下的危险扰动频率比取值区间较为接近。该研究将丰富对冲击地压发生机制的认识,同时对支护防冲控制设计具有参考价值。     

弹脆性圆形煤巷应力跃升及冲击地压预测模型

为预测煤巷冲击地压灾害,将强冲击倾向煤视作理想弹脆性材料,建立圆形煤巷力学模型,分析煤巷围岩的应力和变形能密度分布特征,进而建立煤巷冲击地压预测模型,利用该模型预测冲击地压灾害风险。研究结果表明：弹脆性煤巷围岩的切向应力和变形能密度在弹性区与破坏区界面处发生跃升;煤体强度损伤度和地应力增大,煤巷破坏区半径增大,煤巷围岩切向应力和变形能密度跃升高度增大;切向应力跃升为煤巷失稳破坏提供了力源,变形能密度跃升为冲击地压发生提供了能量源;切向应力和变形能密度跃升高度越大,煤巷越容易失稳和冲击;基于切向应力和变形能密度跃升,建立了煤巷冲击地压解析预测模型,预测结果与现场冲击地压实际情况一致,从而为脆性煤巷冲击地压预测提供了一种新的方法。     

瓦斯压力影响下煤岩力学性质与冲击能量指数演化规律及机制

深部煤层冲击地压诱发瓦斯涌出、突出事故频繁发生,对井下安全生产带来了巨大威胁,厘清瓦斯对煤岩力学性质、冲击倾向性演化规律是建立有效防治手段的基础。运用物理试验方法,基于自主研发的可视化煤岩流?固耦合试验系统,研究瓦斯压力影响的煤岩吸附、力学性质及碎块分布规律,分析瓦斯影响的煤岩冲击能指数演化特征与机制。结果表明:具有强冲击倾向性煤岩的瓦斯等温吸附曲线符合Langmuir模型,随瓦斯压力升高,煤岩软化特性越发明显,弹性模量、软化模量均呈阶段性降低,瓦斯对二者在煤岩峰值前后具有不同的影响效果且存在临界压力,试样破坏形式呈“脆性张拉→剪切→张拉+塑性流动”过渡,冲击能指数与试样碎块尺度均呈先减小后增大的“V”形变化特征,破碎后具有更多盈余能;含瓦斯煤岩小尺度碎块是灾害发生的客观条件,瓦斯膨胀能为煤体动态失稳提供了额外的能量,增大了冲击地压发生过程的强动力性和破坏性,这种煤岩基质骨架与瓦斯运移的固?流耦合降低了冲击地压发生的临界指标且具有更高的致灾潜能。研究成果与启示为进一步判定深部高瓦斯煤层灾变倾向并建立行之有效的防治手段提供了试验基础和研究思路。      

冲击地压的非线性非连续特征

从冲击地压的现象出发,通过煤岩摩擦滑动试验研究,探讨了冲击地压的非线性非连续特性。在此基础上,提出了冲击地压的控制途径。     

通化八宝矿煤层冲击倾向性实验与数值模拟

为防治通化矿业(集团)公司八宝矿冲击地压的发生,对其可能发生冲击地压的-412区1号、-213区4号和6号煤层试样进行了力学性质与动态破坏特性的试验研究,并结合了冲击倾向性数值模拟研究,分析了矿区水平应力、垂直应力、最大主应力大小及分布规律,得出结论:(1)应力较大值多出现在地质构造复杂地带,凡遇褶曲和断层带,特别是断层上、下盘处,而且强度相对较大,即冲击倾向性相对较强。(2)水平应力约为自重应力的2倍,垂直应力约为自重应力的2.7倍,最大主应力略小于自重应力,最大应力值远远小于极限强度。(3)实验研究与数值模拟结论较好吻合,与通化八宝矿未发生冲击地压的实际一致。     

关于岩爆岩石能量冲击性指标的商榷

本文对前人判断煤(岩)产生矿山冲击或岩爆的能量冲击性指标进行了商讨。同时根据大量的室内岩爆岩石力学弹射试验,提出了岩石岩爆临界弹射能这一新概念,并探讨了岩爆岩石储存能量的性能与有效弹射能之间的关系,为地下工程岩爆灾害预测提供了室内确定岩石岩爆性能的弹性能指数判据。     

煤柱冲击地压的解析分析

提出应用煤层塑性软化理论和材料失稳的动力判别准则，对煤柱冲击地压进行的解析分析方法。计算顶板变形和煤柱应力分布规律，探讨有关参数对煤柱产生冲击地压的影响、临界载荷随煤的强度σe、E/λ的变化规律，得到煤柱发生冲击地压现象的临界点。     

组合煤岩冲击倾向电荷判据试验研究

针对深部煤层冲击倾向指标评价冲击危险出现的差异现象,开展了煤、岩石和组合试样冲击倾向指标试验研究,对组合煤岩试样破裂过程的电荷信号进行监测。试验结果表明:顶、底板岩石对煤体的冲击倾向有显著影响,岩石厚度越大,冲击倾向指标越高;组合试样破裂过程的力-电荷变化具有一致性,冲击倾向性强的组合试样,其应力强化直至破坏阶段的电荷信号幅值相差显著。由此提出了组合煤岩峰后电荷变化率冲击倾向判据。回采面的电荷监测表明,冲击危险发生过程获得的电荷变异系数迅速升高和衰减以及试验获取的峰后电荷变化率的量化分析结果相一致,从而验证了峰后电荷变化率作为冲击倾向判据的正确性,为形成深部开采条件下组合煤岩冲击危险及发生几率的电荷预测方法提供了试验指导,为煤岩体失稳破坏预测、矿井动力显现预警提供了试验依据。     

峻德煤矿296工作面回风巷冲击地压事故的成因及防治

根据峻德地质条件和296工作面回风巷发生冲击地压事故的调查分析,建立了该巷道发生冲击地压的力学模型,分析了产生冲击地压的影响因素及其作用规律。并根据冲击地压发生机理及实现条件,提出了切实可行的预防冲击地压的措施。     

吉林省道清矿北斜井南平峒煤层冲击地压危险性数值模拟

通化矿业(集团)公司道清煤矿地质构造复杂,且已经进入深部开采阶段,煤体采动所形成的矿压对安全生产造成较大威胁。为预测该矿北斜井南平峒煤层冲击地压危险性的程度,对其煤层进行冲击地压危险性数值模拟,分析了煤层在自重应力场和构造应力场下水平应力、垂直应力、XY剪切应力大小及分布规律,得出应力集中区出现在F3号逆掩断层与煤层交汇处,即此处冲击地压危险性程度相对较大,开采时应注意防范,确保矿井安全开采。     

循环扰动和高温作用下砂岩的岩爆倾向性及破坏特征研究

为了揭示循环扰动和高温影响下砂岩的岩爆机制,开展了循环扰动和高温作用下砂岩单轴压缩试验和CT扫描试验,研究了不同条件下砂岩的力学特性、岩爆倾向性及破坏特征,探讨了岩爆倾向性与破坏特征的关系。研究结果表明：循环扰动和高温对砂岩的力学性能及岩爆倾向性影响效果显著;无循环扰动砂岩的单轴抗压强度、弹性模量及岩爆倾向性随温度的升高呈先增加后降低的趋势,200℃为该类砂岩的阈值温度,受循环扰动砂岩的力学特性及岩爆倾向性随温度的上升而降低;而砂岩的力学特性及岩爆倾向性随循环应力幅值增加而下降;随着循环应力幅值和温度的增加,砂岩破坏模式由劈裂破坏向剪切破坏转变,同时砂岩的岩爆倾向性与裂隙三维分形维数呈良好的负相关关系;此外,高温对砂岩的力学性能、岩爆倾向性及破坏程度影响效果强于循环扰动。研究结果可为高温工程岩爆防治提供理论依据和工程参考价值。     

三重复式软岩取心钻具

首先对被研究对象－冲击矛及土体作出若干假设，并在此基础上建立力学模型，然后找出研究对象的所有受力并对它们进行分析、简化，最后从运动学角度对可控冲击矛偏转机理进行了分析。     

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。