含采空区层状岩体微震信号传播规律试验研究

微震信号在层状岩体中传播规律的研究对于实现震源准确定位具有重要的现实意义。在天然岩体中,微震信号在岩层中传播的速度,不仅受其内部因素即岩石自身物理性质的影响,还受外部因素如地质结构面、断层及采空区等条件的影响。通过室内试验的方法对微震信号在不同岩层及采空区处的传播规律进行研究。结果表明:波速随着传播距离的增加而逐渐衰减,且岩层密度越大衰减越慢;穿过的结构面数量越多,微震信号传播速度衰减比例越大;能量的衰减与波速的衰减一致。采空区断面横截面积越大,微震信号通过的用时越长;采空区周围岩石密度、弹性模量等物理性质的数值越大,微震信号通过时衰减越少。边际谱分析结果表明:断层对频率高的微震信号阻碍作用更强。     

含采空区层状岩体微震信号传播规律试验研究

微震信号在层状岩体中传播规律的研究对于实现震源准确定位具有重要的现实意义。在天然岩体中,微震信号在岩层中传播的速度,不仅受其内部因素即岩石自身物理性质的影响,还受外部因素如地质结构面、断层及采空区等条件的影响。通过室内试验的方法对微震信号在不同岩层及采空区处的传播规律进行研究,结果表明：波速随着传播距离的增加而逐渐衰减,且岩层密度越大衰减越慢;穿过的结构面数量越多,微震信号传播速度衰减比例越大;能量的衰减与波速的衰减一致。采空区断面横截面积越大,微震信号通过的用时越长;采空区周围岩石密度、弹性模量等物理性质的数值越大,微震信号通过时衰减越少;边际谱分析结果表明：断层对频率高的微震信号阻碍作用更强。     

正断层破坏在砂土中传播规律试验模拟

断层错动不仅可以引起地震灾害,而且带来的地层永久性变形,对结构物特别是线性构造物,如地下管线,隧道等,造成很大影响,因此,研究断层破坏在上覆土层中传播规律是十分必要的。本文依据正断层砂箱模型试验,对断层在砂土中传播模式,断层在地表的露头位置,断层垂直位移与土体厚度关系等内容进行了分析,并认为:(1)砂土中正断层破裂面不唯一,出现分叉; (2)传至地表所需的断层垂直位移与倾角无关; (3)正断层传播形成三角剪切带,其宽度随断层倾角减小而增大。     

在层状岩体中柱面波的传播

近些年来,随着复合材料生产的发展,复合材料力学性质的理论和实验研究也相应地发展起来了.由于许多岩体是复合体,因此运用复合材料力学理论的基本原理和方法来处理岩石力学问题是很有意义的,它更能比较真实地反映岩体的力学特性.最近,有些人已开始做了这方面的研究工作.     

基于有限元法的层状岩体破裂规律探讨

层状岩体的非均质性及各向异性导致其破裂方式及规律与均质岩体有显著不同。对层状岩体分别进行不同方式的单轴、双轴、三轴试验, 分析应力-应变曲线特征; 再利用ANSYS有限元软件进行数值模拟, 观察应力、应变在岩体上的分布, 通过曲线和图件的对比分析, 并结合岩石破裂理论, 总结不同应力状态下层状岩体的破裂方式、顺序及规律; 最后以富台地区为例, 对分析结果进行验证。研究结果表明, 不同受力方式对层状岩体破裂的影响体现在施加的载荷及约束与层面的方位。当应力方向与岩层面平行时, 强度大的石灰岩岩体发生集中应力, 首先破裂; 而应力与岩层面垂直时, 强度小的泥岩岩体首先破裂。岩石试验、数值模拟结果以及实例均成功验证了这个规律。      

类岩石材料三维裂纹传播规律试验研究

对含有预制三维裂纹的脆性类岩石材料进行了单轴加载试验,结合声发射实时监测及静态CT检测技术,研究三维裂纹声发射特征及传播破裂规律。试验结果表明:试件单轴强度、起裂强度、起裂位移随裂纹深度增加而减小,对于深裂纹试件,剪切裂纹与次生裂纹的传播扩展是试件破坏失稳的关键,破坏形式以剪切破坏为主,并出现沿裂纹延伸方向的横向破断;Ⅰ型破坏起裂导致应力-应变曲线出现阶梯状波动,AE信号出现峰值,破裂后回落到峰前水平,裂纹稳定传播,Ⅱ型破裂起裂能量为Ⅰ型破裂的8~10倍,起裂后AE信号突变式增长;试件内部拉伸裂纹以裂纹中心线为对称轴向两端传播,整体形成反对称向外扩展花瓣形结构,半圆形部分拉伸裂纹起裂角度随着裂纹深度的增加而增大,剪切裂纹、次生裂纹大量发育,预制裂纹尖灭后形成了沿预制裂纹方向横向剪切裂纹面。     

矿山层状反倾边坡岩体移动规律的试验研究

本文基于现代工程地质力学理论与相似模拟原理, 采用地质力学模拟试验方法, 以某矿顶帮边坡为工程实例, 结合大量滑坡实例综合分析, 研究了层状反倾边坡岩体随采矿工程发展的移动规律和潜在滑坡模式。     

水平层状岩体边坡动力响应中的结构面效应研究

根据应力波传播原理分析了水平层状岩体边坡中应力波传播特征,建立了应力波在该类边坡中传播的模型.利用离散元软件UDEC分析了不同频率垂向压缩应力波作用下边坡动力响应规律中的结构面效应.结果表明:边坡中的水平层面对坡顶的动力响应有明显影响.低频应力波作用下,水平层状岩体边坡坡顶的垂向峰值速度较均质坡体相同部位的峰值速度的增...     

不耦合装药下爆炸应力波传播规律的试验研究

通过室外爆破试验,利用预埋研制的PVDF压力传感器对耦合及水不耦合延长药包装药爆破时爆炸应力波的中远场压力进行测量,拟合实测结果,得到4种不耦合系数下爆炸应力波峰值随传播距离衰减的指数关系式。分析试验结果可知： ①在试验所涉及的范围内,不耦合装药时爆破应力波峰值衰减幅度小于耦合装药（即K =1）时爆破应力波峰值衰减幅度,验证了水介质作为炸药爆轰产物与岩体间的弹性缓冲层作用,减少了粉碎孔壁岩体造成的能量耗散,增加了能量传递,加大了爆炸的作用范围;②当不耦合系数K = 3.29时,应力波峰值衰减指数表现出大于K =1.79及大于K =2.57时应力波峰值衰减指数的趋势,表明过大的不耦合系数造成了不耦合介质--水过多的能量耗散（在高温高压下水并不完全是弹性的）,削弱了不耦合装药爆破的优势;③在不耦合装药爆破中,存在最佳的不耦合系数,此时爆炸应力波峰值衰减最慢,爆炸能得到充分利用,达到最优的爆破效果。研究结果对不耦合装药爆破的设计及工程应用有一定的指导意义。     

软、硬岩体沉陷变形规律研究

煤层顶板覆岩一般以页岩、砂岩、灰岩等沉积岩为主,其物理力学性质差异很大。研究了应用模型实验方法探索煤层采后顶板沉陷变形的变化规律,为评价采空区沉陷稳定提供了依据。     

多节理岩体裂纹扩展及变形破坏试验研究

为了研究不同倾角下多节理岩体力学行为,采用10 MN微机控制电液伺服大型多功能动静力三轴仪,开展包含较多预制非贯通节理类岩石试件的单轴压缩试验,研究了多节理岩体裂纹的特征、贯通模式、破坏模式、应力-应变特征等与节理倾角之间的关系。试验结果表明,（1）多节理岩体的裂纹类型主要有翼裂纹和次生共面裂纹,翼裂纹的扩展路径与单个节理情况下的扩展路径差异较大,翼裂纹起裂后沿起裂方向存在较长的扩展长度,直接与相邻节理或翼裂纹形成贯通,并且裂纹的贯通表现出四种不同的模式;（2）多节理岩体的破坏模式归纳为3种类型：平面破坏、块体转动式破坏和台阶式破坏;（3）根据多节理岩体的应力-应变曲线在应变软化阶段所表现出的不同非线性变形行为特征,可以将曲线归纳为4种类型;（4）多节理岩体的强度和变形各向异性特征非常显著,强度和弹性模量均在节理倾角30°时最小,90°时最大。     

Analytical study of ground motion caused by seismic wave propagation across faulted rock masses

Studying seismic wave propagation across rock masses and the induced ground motion is an important topic, which receives considerable attention in design and construction of underground cavern/tunnel constructions and mining activities. The current study investigates wave propagation across a rock mass with one fault and the induced ground motion using a recursive approach. The rocks beside the fault are assumed as viscoelastic media with seismic quality factors, Q_p and Q_s. Two kinds of interactions between stress waves and a discontinuity and between stress waves and a free surface are analyzed, respectively. As the result of the wave superposition, the mathematical expressions for induced ground vibration are deduced. The proposed approach is then compared with the existing analysis for special cases. Finally, parametric studies are carried out, which includes the influences of fault stiffness, incident angle, and frequency of incident waves on the peak particle velocities of the ground motions.     

煤岩水力压裂起裂压力和裂缝扩展机制实验研究

为了研究煤岩水力压裂的起裂压力和水力压裂裂缝扩展规律,采用型煤试样,利用自主研发的水力压裂实验系统,参照现场压裂施工制定了“施加三向应力-顶部注水”的煤岩水力压裂物理模拟实验方案并开展了水力压裂实验,分析了不同条件下泵注压力和水力压裂裂缝。实验结果表明：压裂液泵注排量越大,起裂压力越大。三向应力满足最大水平主应力σ_H > 垂向应力σ_v > 最小水平主应力σ_h,水力压裂裂缝沿着垂直于σ_h的方向扩展。σ_v和σ_h一定,随着σ_H的增大,煤岩起裂压力先增大后减小,水力压裂裂缝扩展路径越平直。当σ_H远大于σ_v和σ_h时,水力压裂裂缝扩展路径越复杂,分叉缝角度越大。研究结果可为煤岩水力压裂理论的完善提供一定的参考和借鉴。     

冲击载荷下块系岩体摆型波传播特性的试验研究

摆型波现象是深部开采中块系岩体固有的动力学特征之一。为研究深部块系岩体摆型波传播规律,采用理论分析与室内试验相结合的方法,研究了在冲击载荷作用下摆型波的传播特性。该试验采用12块花岗岩和橡胶夹层材料建立了模型,采用TST5915动态数据采集系统进行信号监测,分别获得了在均质夹层和部分夹层介质增厚情况下的加速度响应曲线,并运用摆型波动力模型理论进行分析。结果表明,摆型波在块体间传播过程中,频率大小不受能量大小的影响,而能量大小决定了波的衰减时间。当块体间介质黏性增加时,加速度幅值均有所下降,但对加速度衰减周期没有影响,而影响加速度衰减的主要因素是冲击载荷的能量大小。此次试验研究将为今后进一步研究摆型波动力传播特性提供一定的基础。     

节理对爆炸波传播影响的数值研究

采用加入无反射边界条件的DDA程序,研究了节理面对应力波传播的影响。结果表明,节理面能阻碍波的传播,有利于波的衰减,节理面越多,波的反射越强,而波的透射越弱。模拟了一个现场爆炸试验,研究爆炸产生的应力波在节理岩体中传播、衰减的规律,模拟结果与现场试验结果比较吻合。研究表明,DDA方法可以模拟节理面对应力波传播的阻碍作用,用它来模拟爆炸波在节理岩体中的传播是适用的。     

非贯通单节理岩体裂纹扩展方向研究

裂纹扩展方向的确定对分析岩桥破坏机制和岩体抗剪强度参数具有重要意义。首先以断裂力学观点推导了复杂应力条件下裂纹尖端应力分布函数的表达式,以节理岩体尖端的扩展裂纹可分为张拉裂纹和剪切裂纹为前提,基于Griffith破坏判据,提出了张拉裂纹扩展方向(张裂角)的计算公式;基于Mohr-Coulomb判据,提出了剪裂纹扩展方向(剪裂角)的计算公式。通过新判据与试验和其他判据的结果对比表明,该判据能准确判断张拉裂纹扩展方向,而剪裂角的扩展方向有待进一步试验验证。分析表明：在单向拉应力作用下,张裂纹扩展方向均有偏向于最大主应力方向的趋势,张裂纹与最大主应力夹角小于15°;双向拉应力作用下,随着微裂纹倾角变大,张裂纹有远离最大主应力方向的趋势;单轴压缩作用下,张裂角随裂纹倾角的增加而减小,而两者的和为先减小后增加。     

锚杆锚固体系中的波系特征研究

采用凝固过程中的混凝土模拟不同物理力学特性的锚固介质,用数值模拟和试验的方法研究了锚固锚杆中的波系及锚固锚杆中界面波的形成过程。数值模拟和试验模拟都表明随着锚固介质力学性质的改变锚杆中传播的波的特性发生改变。锚杆中传播的P波对锚固介质的力学特性非常敏感,随着锚固强度的增加,界面波产生,P波逐渐衰减消失。锚杆中传播的波由原来的P波占主导成为界面波占主导,波在锚固段的传播速度也由杆速度成为界面波波速。界面波的波速与锚固介质的力学性质相关,因此可以用界面波的波速来评价锚杆锚固质量以及计算锚杆锚固段长度。     

Application of the numerical manifold method for stress wave propagation across rock masses

In this paper, the numerical manifold method (NMM) is extended to study wave propagation across rock masses. First, improvements to the system equations, contact treatment, and boundary conditions of the NMM are performed, where new system equations are derived based on the Newmark assumption of the space–time relationship, the edge‐to‐edge contact treatment is further developed for the NMM to handle stress wave propagation across discontinuities, and the viscous non‐reflection boundary condition is derived based on the energy minimisation principle. After the modification, numerical comparisons between the original and improved NMM are presented. The results show that the original system equations result in artificial numerical damping, which can be overcome by the Newmark system equations. Meanwhile, the original contact scheme suffers some calculation problems when modelling stress wave propagation across a discontinuity, which can be solved by the proposed edge‐to‐edge contact scheme. Subsequently, the influence of the mesh size and time step on the improved NMM for stress wave propagation is studied. Finally, 2D wave propagation is modelled, and the model's results are in good agreement with the analytical solution. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.