钢粒子迟滞重复冲击破岩硬岩损伤破裂特征研究

粒子冲击辅助破岩技术凭借其快速、高效等优点,对硬质岩体有着较好的破岩效果。通过粒子冲击试验和离散元模拟相结合的方法研究单、双粒子冲击速度、双粒子间距等因素对高强度花岗岩表面、三维及剖面形貌特征的影响,探寻冲击坑深度、冲击坑体积及冲击坑表面面积随冲击参数的变化规律,统计粒子冲击破岩裂纹的分布规律,并且从能量吸收率的角度评价双粒子迟滞冲击破岩的效能。结果表明：冲击坑深度与冲击速度呈正相关;随着粒子间距的增大,冲击坑由相交逐渐相离,形貌随之变化,冲击坑体积随之减小,而冲击坑表面面积增大;通过模拟发现,裂纹主要分布在斜长石与钾长石的晶界处,以拉伸破坏为主;当选用5 mm直径的钢粒子破碎强度200 MPa左右的极坚硬花岗岩时,双粒子迟滞冲击破岩的能量吸收率曲线随粒子冲击速度增大趋于平缓,在双粒子迟滞冲击破岩的粒子间距为8～10 mm且冲击速度400 m/s左右时能达到最佳的冲击辅助破岩效果。     

基于岩石统一能量屈服准则的硬岩损伤模型

为了更准确、便捷地确定深埋地下工程中硬岩的力学行为,开展了如下研究：根据损伤与塑性演化存在相似机制,假设损伤阈值与初始屈服采用相同的确定方法,将岩石统一能量屈服准则作为损伤阈值的判定准则;基于Rabotnov对损伤变量的定义和Lemaitre应变等效性假设,并考虑未损伤部分的应力-应变关系符合广义虎克定律,提出了简化形式的硬岩损伤本构方程;为了更好地表达硬岩从低围压到高围压条件下的脆-延转化特性,提出了改进的Mazars损伤演化方程;基于锦屏T2b大理岩常规三轴压缩试验结果,对损伤模型参数进行求解,并分别与基于Mazars损伤演化方程和Mohr-Coulomb准则为损伤阈值判定准则的损伤模型进行对比,结果表明：提出的损伤模型可更好地表达硬岩从低围压的脆性到高围压的延性转变过程,特别是对损伤阈值后岩石的损伤演化过程的模拟更为精确,对硬脆性岩石的工程计算有一定的借鉴意义。     

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。     

硬岩弹塑性变形破坏过程中强度参数及剪胀角演化模型研究

根据大量试验资料,研究硬岩弹塑性变形破坏过程中强度参数及剪胀角演化规律,并建立相应演化模型。分析26例硬岩临界塑性应变与围压之间的关系,提出一种具有广泛适用性的3参数幂函数型围压函数,并将其引入塑性内变量中。基于Mohr-Coulomb屈服准则,分析塑性强化-软化变形过程中强度参数及剪胀角随塑性内变量的演化规律,并建立高斯型强度参数演化模型和考虑围压及塑性内变量的剪胀角演化模型。考虑到工程应用中往往将硬岩峰前视为线弹性变形,进一步研究提出峰后强度参数及剪胀角演化模型。对比多组硬岩试验结果与模拟结果,发现应用所建塑性强化-软化变形过程中强度参数及剪胀角演化模型,可正确模拟不同围压下硬岩塑性强化-软化变形过程中轴向变形及环向变形规律;应用所建峰后强度参数及剪胀角演化模型,也可合理模拟不同围压下硬岩峰后塑性软化变形过程中轴向变形及环向变形规律。上述力学模型对不同种类硬岩均适用,具有良好的应用前景。     

北天山构造演化中3阶段地应力变化及对某地下工程岩爆灾害分布的影响

北天山复杂的地质构造及多期演化使地应力方向和数值多变。在极高地应力区的深埋花岗岩施工中发生了较大范围的岩爆,影响地下工程施工安全。通过对地质构造发育和不同方向结构面配套分析,将北天山构造演化过程中地应力分为3个阶段,最大主应力由NE向、NW向转为近NS向。不同深度和不同时期地层岩体记忆残留了3个不同阶段地应力信息。采用水压致裂等方法在地面钻孔和洞内测试,结果显示最大主应力数值随深度不是线性增加,是在600～1 200 m深度呈接近45 MPa局部峰值。研究发现,地应力测试结果与钻孔饼状岩心和洞内中-强岩爆不是发生在埋深最大位置,而是发生于该峰值段深度上的花岗岩体中。说明了地质构造控制作用及3阶段地应力叠加作用的影响。     

基于三轴压缩试验的破裂岩损伤演化方程的建立

分析了基于三轴试验的弹塑性损伤演化方程建立的方法 ,验证了采用该方法的合理性 ,并依此提出了鲁中冶金矿山公司小官庄铁矿两类破裂岩的弹塑性损伤演化方程 ,该方程参数少、物理意义明确 ,对该类围岩巷道进行数值计算分析具有重要意义。     

高地应力硬脆性围岩开挖损伤区时效性扩展案例分析——特征与机制

硬脆性围岩在开挖完成后,其强度在高应力的影响下具有明显的时间效应,这导致围岩开挖损伤区的发展也呈现出与时间相关的特征。在岩石强度时效性演化模型的基础上,以锦屏二级水电站试验洞钻孔摄像、声波、变形监测等开挖损伤区实测结果为目标函数,采用正交设计方法、最小二乘支持向量机模型、粒子群优化算法等方法,建立了考虑时间效应的LSSVM-PSO智能反演分析方法,并以锦屏二级水电站试验洞为例,研究了开挖完成后的25 d里,围岩强度在高地应力条件下的时效性演化特征,进而获得这一时段内开挖损伤区扩展过程。研究结果表明:(1)高应力地区,隧洞开挖后,围岩损伤区的主要扩展方向受地应力控制,且最大扩展方向为最小主应力方向,且破坏区(破坏接近度FAI≥2)也集中于该方向;(2)开挖损伤区面积随时间近似呈S形曲线变化,表明开挖损伤区初始发展较为缓慢,随着时间推移呈现线性增加的趋势,最后又逐渐趋于稳定;(3)开挖后第3～10 d为开挖损伤区快速增长阶段。该研究成果对高应力地区硬脆性围岩开挖损伤区时效性演化研究具有指导意义。     

大采高综放开采覆岩破坏特征和裂隙演化规律

工作面回采过程中,覆岩破坏特征对于煤矿水灾害和瓦斯防治具有重要意义,为了进一步研究综放开采覆岩破坏特征。以山西某矿5.82m大采高工作面为试验面,采用分段注水、钻孔电视、地质雷达、微震监测探测覆岩破坏高度,对破坏过程进行了数值模拟研究,并对裂隙演化进行了相似模拟试验,同时对传统经验公式进行了修正,研究结果表明:综放开采垮落带发育高度为43.1m,断裂带发育高度为86.7m;垮落带、断裂带、导水断裂带各测试方法之间相差分别小于4.5%、7.1%、9.0%;工作面采动前,裂隙发育度低,而采动后,裂隙数量明显增多,发育度增加;近煤壁区域为裂隙聚集区,密度曲线呈“蛇”型分布;得到新的适合该矿地质条件下的覆岩导水断裂带发育高度经验公式。     

施工期岩锚梁岩台破坏模式及稳定性分析

针对西南某大型水电站地下厂房岩锚梁岩台区节理发育的特点,并考虑辉绿岩脉等软弱带的影响因素,结合现场调查,利用关键块体理论方法分析得出开挖过程中岩台主要破坏模式为滑动、滑移—拉裂、弯曲—拉裂以及辉绿岩脉松动溃散4种,其中,上、下直墙的陡倾角结构面组合特征及辉绿岩脉的发育直接影响岩台的成型与稳定,开挖过程中针对各发育特征采...     

煤矿井下硬岩定向钻进PDC钻头选型及试验分析

为了提高煤矿井下硬岩定向钻进的效率,在分析硬岩定向钻进PDC钻头的结构要求的基础上,选择了3种不同类型的PDC钻头进行煤矿井下硬岩定向钻进试验。试验结果表明,平底型PDC钻头不适用于定向钻进硬岩,而三翼抛物线型钻头和四翼平角型钻头在定向钻进硬岩时,表现出长寿命、高效率等特点,适合于定向钻进硬岩地层,大大提高了煤矿井下定向钻进硬岩地层的效率。     

深部硬岩矿山岩爆风险防控技术研究进展

为了解深部硬岩矿山岩爆风险防控技术研究进展,对国内外相关文献进行了归纳总结。首先,从事前避免岩爆产生、事中降低岩爆危害及事后规避岩爆伤害等3个角度提出了岩爆风险防控的总体思路。然后,根据该思路归纳了岩爆防控的技术类型,并详细分析了各技术的内涵及其防控岩爆的机制。最后,对岩爆风险防控技术的未来发展方向进行了展望。结果表明：现有深部硬岩矿山岩爆风险防控技术可归纳为采矿设计、卸压技术、岩层改性、岩体支护及人员暴露等5个方面。其中,采矿设计包括采矿方法、采场参数、矿柱留设、回采顺序、回采速率及空区处理;卸压技术包括卸压爆破、卸压槽、卸压巷、卸压孔及卸压缝;岩层改性包括水压致裂、约束爆破及注水软化;岩体支护包括表面支护、内部支护及组合支护;人员暴露包括再进入协议、远程设备及人员防护。未来可从不同类型及不同风险等级岩爆防控体系构建、新技术研发、防控时机及效果评估等方面建立深部硬岩矿山岩爆风险防控指南。     

Buckling mechanism of pillar rockbursts in underground hard rock mining

The objective of this paper is to investigate the buckling mechanism of pillar rockbursts in underground hard rock mines from an innovative point of view. By considering rockbursts as a buckling (instability) problem of structures, rockbursts are classified into three categories: induced rockburst, triggered rockburst and inherent rockburst, in accordance with the magnitude of the dynamic stimulation force from large to null. Rigorous mathematical models are set up for these three rockbursts. For induced and triggered rockbursts, mechanism of parametric resonance is found and perturbation effect is observed. For inherent rockbursts, the condition of critical static loads is obtained. Various examples of rockbursts in Dongguashan Copper Mine are analysed. The limitations of the approach are addressed. Contrary to conventional methods where only rock materials or rock specimens were used for investigation of rockbursts, this study attaches more attention on the structural effect on rockbursts, which may appeal to practising engineers.     

深埋硬岩隧洞围岩板裂化破坏研究的关键问题及研究进展

规律性的板裂化破坏是深埋硬脆性岩体开挖卸荷造成的典型围岩破坏现象,给隧洞的安全施工建设带来了严峻挑战。板裂化破坏的研究主要涉及两个关键问题：板裂化破坏的形成机制及其影响因素,板裂化破坏与岩爆的关系。多年来,国内外学者通过理论分析、现场及室内试验、数值模拟等不同途径对板裂化破坏问题进行了系统的研究,取得了丰富的研究成果。在系统分析有关板裂化破坏两个关键问题研究进展的基础上认为,板裂化破坏的形成机制复杂、影响因素众多。基于板裂化破坏形成的细观机制,建立不同类型板裂化破坏的力学准则与力学模型是揭示板裂化破坏形成机制的关键所在;板裂化破坏现象与岩爆之间具有很强的相关性和本质的联系,深入揭示板裂化破坏特征所包含的岩爆前兆信息是板裂化破坏与岩爆关系研究的关键与难点问题。     

深埋高地应力隧道勘察期岩爆烈度概率分级预测

岩爆是地下工程开挖过程中硬质岩体存储的弹性应变能突然、迅速释放的动态过程。我国西南山区正在建设或拟建大量深埋长大隧道,勘察阶段岩爆的准确预测对有效设计和控制投资十分重要。从隧道工程勘察阶段线路比选与设计需求出发,针对隧道勘查期岩爆灾害预测指标获取难、预测精度低的问题,以该阶段岩爆预测指标的易获取性为前提,利用贝叶斯网络解决不确定性问题的有效性来反映岩爆烈度与各影响因素的相关关系。基于473组岩爆灾害案例,采用4个预测指标（地应力、地质构造、围岩级别和岩石强度）来构建岩爆烈度朴素贝叶斯概率分级预测模型,利用十折交叉验证方法确定模型预测精度达84.47%。将该模型应用于雅安—叶城高速公路跑马山1号隧道岩爆段落,预测结果显示：28次岩爆预测中有24次正确、4次错误,准确率高达85.71%;其中2组错误预测中,现场判别为轻微-中等岩爆,而本文模型预测为轻微岩爆。验证结果表明所建立的贝叶斯网络模型具有良好的预测性能,研究成果可为我国西南山区深埋长大硬岩隧道勘察设计期岩爆灾害预测提供技术支撑。     

隧道开挖中围岩损伤演化分析及力学参数预测

数值方法所得出结论的可靠性很大程度上取决于岩体力学参数的选取,因此基于损伤演化分析,对损伤变量与围岩力学参数之间关系进行了研究。在各向同性损伤的假定下,通过分析开挖过程中围岩损伤演化,建立了采用损伤变量对弹性模量、泊松比、黏聚力、摩擦角等围岩材料参数进行估算的方法。采用弹性纵波波速定义初始损伤,根据壁城隧道现场监测资料建立ANSYS渐进性数值模型,反演典型断面开挖过程中围岩的宏观力学参数。分析结果表明,该方法可以有效地确定围岩力学参数的变化情况,与实际情况吻合较好。     

花岗岩残积土冲击损伤与损伤演化特性试验研究

选取东南沿海某建筑工程地基浅层残积土为试样,运用超声波岩土损伤检测技术,测试计算在不同冲击荷载作用下试样纵波波速。选用纵波波速为损伤变量进行损伤度计算,分析了冲击荷载冲击频率、冲量等参数对试样损伤度的影响关系。同时结合试样试验破坏实际情况,分析了冲击荷载作用下试样损伤演化破坏特性。结果表明,随着冲击频率和冲量的增大,残积土试样损伤度都有增大上升趋势;随着损伤度的增加,残积土冲击损伤演化过程可分为小变形、端部出现裂纹、前端1/3处鼓胀或出现裂纹、前端裂纹扩展与表面剥落等几个不同破坏阶段。研究结论为揭示动荷载作用下残积土动力损伤演化规律提供科学依据和量化参数。     

海底硬岩钻探的现状与前景分析

海底硬岩是世界大洋钻探实现“莫霍钻”目标必然钻遇的地层。世界大洋钻探实施的航次中已多次钻遇海底硬岩,不仅采获了岩心样品,也在钻进施工中发现了诸多问题。本文搜集了近年来世界大洋钻探实施的309、312、335、360和384等有关海底硬岩钻探航次的资料,在对航次情况简要介绍的基础上,重点阐述了目前海底硬岩钻探在钻头、井壁稳定以及取心工具等方面遇到的挑战以及采取的应对措施,并对今后海底硬岩钻探的发展进行了展望。     

基于正态分布的岩石损伤统计本构模型及其参数确定方法研究

根据岩石微元强度服从正态分布的特点,引进能合理描述岩石微元强度的参量,基于岩石三轴应力应变试验曲线建立了反映岩石破裂全过程的统计损伤本构模型.在此基础上,重点探讨了正态分布参数对岩石损伤本构模型的影响,据此对岩石统计损伤模型进行了合理修正,从而建立了反映岩石破裂全过程的三维统计损伤本构模型,与试验结果及现有研究结果进行比较显示了该模型的合理性,具有广泛的应用前景.     

岩石声速与其损伤及声发射关系研究

首先,建立了单轴压缩过程岩石损伤参量、应变与声速之间的定量关系式,分析了不同均质度对单轴压缩过程岩石声速的影响,结果表明,随着均匀度的增加,单轴压缩过程中声速由平缓变化到急剧变化,这与已有的岩石声发射数值模拟分析结果是一致的;其次,根据建立的声速与应变的关系公式,通过单轴压缩过程岩石声速与应变实测结果的回归分析,得到了具有较高精度的回归方程,从而通过试验验证了所建立的关系式的正确性;最后,从损伤的角度讨论了单轴压缩过程岩石声速与声发射的关系,得出了Kaiser点应位于声速初始下降点附近的结论,为岩石声发射测量地应力试验中Kaiser点的确定提供了新的方法。