深部岩体力学研究与探索
摘要：当今世界经济的迅速发展,地球浅部矿物资源逐渐枯竭,资源开发不断走向地球深部。目前煤炭开采深度已达1 500 m,地热开采深度超过3 000 m,有色金属矿开采深度超过4 350 m,油气资源开采深度达7 500 m,深部资源开采已成为常态。但是深部资源开发中常伴随着重大灾害事故,难以有效预测与防治,一方面说明深部岩体可能存在着完全异于浅部的力学本构行为,另一方面说明目前岩石力学理论发展已滞后于人类岩土工程实践活动,难以进行有效、科学指导,亟待探索和开拓。目前人们对超深部的岩石性质和行为还缺乏了解,一些基本概念和基本理论还尚未建立。深部是什么?多深算进入深部?浅部和深部有什么本质不同?经典力学理论能否描述超深部岩体力学行为?如何揭示深部岩体开发扰动影响下那"看不见,摸不到"的黑箱力学过程?深部环境(如地震地质环境、化学环境、热力学环境和微生物环境)如何对能源开发与存储、CO2与核废料地质处置等重大工程发生在岩石中的微观过程共同产生影响等等,这些重大的、基础性岩石力学科学问题亟待人们做出回答。从煤炭开采中的岩石力学问题研究入手,对以上深部岩体力学的一些共性的概念性和基础性问题进行探讨。指出深部静水压力是深部岩体应力状态的典型基本特征。深部不是深度,而是一种力学状态。发展有别于传统岩体力学的基于应力空间路径的采动岩体力学。提出将CT技术、3D打印技术和分形重构方法及应力冻结技术相结合的深部岩体力学的可视化研究手段,再现深部岩体在开发扰动下应力变化、裂隙演化、体积破裂、塑性失稳以及微观渗流等的力学行为和过程。这些工作将为深部岩体力学研究带来方法上的进步。恒阻大变形锚杆冲击拉伸实验及其有限元分析
摘要：为了研究在动态冲击作用下恒阻大变形锚杆的力学特性,采用自主研发的恒阻大变形锚杆霍普金森拉杆动力冲击拉伸实验系统,对某批次恒阻大变形锚杆进行动态冲击拉伸实验,从支护阻力、锚杆伸长量和膨胀量等方面对锚杆的动态力学性能进行分析,并验证该锚杆的负泊松比效应。并通过有限元分析的方法与实验结果进行比较,验证有限元结果的准确性。实验结果表明,该锚杆通过产生弹塑性结构变形来吸收冲击能量并具有独一无二的负泊松比效应,因而能良好地适应动态冲击。有限元分析结果与实验结果吻合度较高,不仅体现了有限元分析方法的准确性,也表明今后可以运用有限元分析来佐证或替代部分室内实验的方法。我国煤矿冲击地压的研究现状:机制、预警与控制
摘要：从机制研究、预警技术和防治方法 3个方面出发,概述我国冲击地压研究现状。从地质赋存条件与冲击地压相互作用机制、采动应力和能量场时空演化规律与致灾机制、覆岩空间结构与冲击突出触发机制等方面阐述近年来我国冲击地压机制研究的热点问题及相关成果;介绍冲击地压监测预警系统的主要技术体系,包括"震动场–应力动态"一体化监测预警系统、冲击危险预测与监测预警体系、ZOS矿用分布式微震监测系统、无线冲击地压实时监测预警系统和冲击地压电荷监测技术;探讨快速让位吸能防冲支护技术、新型恒阻大变形锚杆(索)支护技术、基于应力控制的冲击地压区域防范技术体系对冲击地压的防治作用及其在大同、义马等矿区的应用情况。柱状节理岩体各向异性强度准则研究
摘要：以正六棱柱型柱状节理岩体为研究对象,根据柱状节理的分布特性,在参考Ramamurthy非线性强度准则的基础上,引入节理系数表征节理对岩体强度的影响,建立正六棱柱型柱状节理岩体各向异性强度准则。该强度准则以幂指数形式反映柱状节理岩体的强度非线性。分析时首先针对正六棱柱型柱状节理岩体,研究节理系数的计算方法,然后结合模拟柱状节理岩体单轴和三轴压缩试验结果确定各向异性强度准则中的常数,在此基础上采用已有试验数据对该各向异性强度准则进行初步验证。结果表明:该各向异性强度准则能够较好地反映柱状节理岩体强度的各向异性和非线性,预测值与实测值比较吻合。锦屏二级深埋隧洞构造型岩爆诱发机制与案例解析
摘要：全长超过16 km的锦屏二级深埋隧洞沿线经过不同的地质单元。在开挖过程中,岩爆的诱发受控于地质构造条件以及由其所导致的局部地应力场,其中与地质构造直接关联的构造型岩爆影响最为突出。系统总结国内外深部工程中岩爆研究的前沿成果,结合锦屏二级水电站深埋隧洞工程中大量岩爆案例所揭示的客观规律,将构造型岩爆进一步细分为端部构造型、滑移构造型和应变构造型岩爆。采用离散元程序和相关的岩爆风险评价指标,开展深入地岩爆案例反演和机制解译,揭示深埋隧洞工程不同类型构造型岩爆的发生机制,并分析该类工程环境下关键岩爆控制因素及各因素的控制机制。最后,针对不同类型的构造型岩爆,提出相应的防治方案,可以为类似工程提供借鉴。一种改进的隧道开挖应力释放率确定方法
摘要：为探求一种简单有效的求解隧道开挖应力释放率的方法,基于应力释放率可近似等效为位移释放率的原理,提出一种通过体积损失率求解应力释放率的方法。同时,依托于软弱围岩隧道,详述不同施工工法的应力释放率求解过程,分析各工法应力释放率的变化规律。计算结果表明:各工法的不同开挖部对应不同的应力释放率,后开挖部因受先行开挖的扰动,其应力释放率普遍大于先开挖部;除CD法外,其余工法的平均应力释放率均随施工工法的改进而逐渐变小。求解的各工法应力释放率可作为基准应力释放率,为同类隧道支护设计及施工工法优化提供一定的理论指导,具有重要的工程应用价值。岩石波速与损伤演化规律研究
摘要：岩石波速随应力的变化对研究损伤演化具有重要意义。采用颗粒流程序建立9种不同模型,在模型内设置激发源和接收器,通过对激发源施加速度脉冲并记录接收器信号模拟波的传播与衰减,可以得出:配位数与孔隙率呈线性变化关系,波幅衰减与枝矢量分布直接相关,波速主要受孔隙率、配位数张量和刚度张量影响。模拟岩石双轴压缩应力–应变过程中轴向和侧向波速,微裂纹主要沿轴向分布,相比剪切裂纹,张拉裂纹优势导向与轴向夹角较小,且随着裂纹的增多,波速及枝矢量分布各向异性逐渐增大。波速变化的内在原因是新接触点的形成、黏结断裂和接触点的分开,波速变化依赖于刚度张量相应分量的平方根,二者变化规律基本保持一致。通过刚度张量及枝矢量分布变化确定损伤特性及导向,是一种量化波速与损伤的新方法,可为损伤演化规律研究提供参考。深埋围岩破裂损伤深度分析与锚杆长度设计
摘要：为了确定锦屏二级水电站深埋隧洞合理的锚杆长度,首先对现场围岩破坏模式进行统计,了解围岩的主要破坏方式及其特征,从而确定锚杆设计所需要针对的主要问题。由于损伤区裂纹的发育会导致波速的降低,通过对隧洞典型洞段的声波测试成果的汇总,得到损伤区深度的分布特征,并利用现场声波的测试成果对颗粒流(PFC)程序中的相关参数进行反演拟合,对不同埋深处的损伤深度进行预测。结果表明,随着埋深的增加,围岩的破裂损伤深度和裂纹数量也随之缓慢增加,并非破损深度急剧增加这种破坏模式,此特征有利于锚杆的长度设计。PFC的计算成果也显示出围岩损伤呈现局部化的特点,损伤区内的围岩仍然具有承载能力,锚杆安装在损伤区域范围内,仍然会起到限制损伤破裂发展的作用,达到支护损伤区的要求。起爆时差对孔间裂纹扩展影响的动焦散实验研究
摘要：为了研究起爆时差对孔间裂纹扩展的影响,采用动态焦散线实验的方法,研究含缺陷介质相邻切槽炮孔被采用同时起爆和微差起爆时孔间爆生裂纹的扩展和贯通机制。研究结果表明:(1)在定向断裂控制爆破过程中,其他参数相同时,同时起爆的爆生裂纹成壁质量比微差起爆的质量好。因此,在岩体的定向开挖工程中,可采用同时起爆的方法来提高定向断裂控制爆破的效果。(2)爆炸应力波中的P波前缘压缩波与爆生运动裂纹相互作用降低了爆生运动裂纹的扩展速度和爆生裂纹尖端应力强度因子的值。实验研究结果对于定向断裂控制爆破工程实践具有一定的借鉴意义和参考价值。基于CSIRO模型的煤与瓦斯突出模拟系统与试验应用
摘要：在分析现有装置优势与不足的基础上,为实现地应力、瓦斯压力和煤体物理力学参数方便可调,基于煤与瓦斯突出综合作用假说与CSIRO模型,提出本模拟系统的设计思想和技术要求。采用模块化的设计思路研制成功煤与瓦斯突出模拟试验系统。该系统最大可施加30 MPa地应力和3 MPa气体压力,气体压力采集频率高达1 000Hz,气体压力和高速摄像同步采集实现对突出瞬态过程信息的精确记录。该系统操作便捷,单次试验速度快,大大缩短了试验周期。模拟9组含瓦斯煤的石门揭煤突出试验,试验结果表明:煤与瓦斯突出受地应力、瓦斯压力和煤岩体强度共同影响,其中煤体强度对突出起阻碍作用,对应不同煤岩体破坏状态,存在瓦斯压力动态临界值。模拟试验动力现象强烈,突出后孔洞成明显的口小腔大形态。研制的试验系统为深入分析煤与瓦斯突出机制提供了科学试验仪器。基于应变局部化的双裂纹岩样贯通模式及强度试验研究
摘要：含裂隙岩体在外力作用下,内部裂纹会发生扩展,这会显著影响强度以及损伤特性。基于前期验证可靠的DIC系统,对含双裂纹的类岩石材料进行单轴压缩试验,捕获全过程的应变场演化云图以及岩桥区域应变局部化过程,研究发现:岩样呈现出显著的变形局部化渐进破坏特性;试验初期形成的应变局部化带基本确定了加载全程全局应变场的变化范围与变化趋势;基于试验研究,双裂纹岩样的贯通破坏模式可归总为4类:岩桥不贯通模式、裂纹内尖端贯通模式、裂纹内外尖端贯通模式以及裂纹外尖端贯通模式;岩桥角度及其空间排布在细观上影响了应变场局部化带的演化过程,宏观上决定了裂纹的扩展路径及岩样的破坏模式;岩桥贯通时应变局部化带的融合造成了应力–应变曲线的"峰前波动",使得岩样强度降低,并且融合越慢岩样强度越高。深部裂隙岩体中弹性波传播与衰减规律试验研究
摘要：为研究深埋裂隙岩体中弹性波的传播与衰减规律,采用室内模型试验,得到弹性波在深部裂隙岩体中传播时的波速值及首波波幅值随地应力变化的曲线,并对试验过程中弹性波的传播与衰减规律进行分析,对裂隙岩体中弹性波的波速增量、衰减程度与围压、裂隙数量、裂隙分布角度之间的关系进行了探讨和拟合。试验研究结果表明:在三轴压缩试验中,当围压一定而轴向压力增加时,弹性波波速值的变化经历快速增长、缓慢增长、基本稳定、快速降低4个阶段,并在轴向应力达到峰值强度的60%时,波速值迅速下降,因此可判断该点为岩体中裂纹开始扩展的起始点,同样首波波幅值的衰减程度也呈现出类似变化规律;在三轴拉压试验中,当围压一定而轴向拉力增加的过程中,弹性波波速值不断降低,波幅值的衰减程度也是不断增强。围压、裂隙角度、裂隙数量对弹性波的传播速度和衰减程度均产生一定影响,影响程度的敏感性为:裂隙数量>围压>裂隙角度。深部岩体断层滞后突水多场信息监测预警研究
摘要：断层滞后突水由于其特有的隐蔽性及滞后性特征,突水灾害防治难度较大。针对王楼煤矿断层滞后突水防治工程,开展深部岩体多场信息监测预警研究。深入分析地下水来源及导水通道,在此基础上划分采动过程中断层滞后突水不同阶段,结合隔水关键层理论及物探结果,确定监测预警时间域与空间域,划分温度场、渗压场监测阈值,建立监测预警判识准则;串联传感器组合成监测单元,采用返浆工艺对钻孔分段封堵,实现传感器精确高效安装,通过煤矿安全光纤监测系统实现井上在线监测预警。监测预警结果表明,断层隔水煤柱有效控制断层内裂隙扩展,减弱了断层破碎带导水特性,依据深部岩体监测预警判识准则,工作面开采过程中预警等级为I级,可实现安全开采。研究成果对类似工程具有一定的借鉴意义。花岗岩直板轴向压缩的分层破坏及围岩失稳探讨
摘要：基于弹性稳定理论,确定抗拉强度较低的板状构件因拉伸分层而轴向压缩失稳的条件;利用宽80 mm、长270~420 mm、厚8~20 mm的花岗岩直板,以刚性压头或垫入5~10 mm橡胶模拟端部的固支和铰支进行单轴压缩。厚16 mm及以上直板会发生分层破坏,强度约为标准试样的40%而不再随厚度增加;而较薄直板可以Euler压缩失稳估计其破坏载荷。从围压对强度的影响趋势看到,花岗岩标准试样单轴压缩强度明显偏低,这同样源于拉伸分层引起的压缩失稳。岩体抗拉强度较低,深部巷道围岩在轴向应力作用下可能发生结构失稳和分区破裂而出现片帮和底鼓,平面应变状态下应力分析和强度校核不足以确认工程安全。复杂环境下煤岩体耦合致裂基础与应用研究
摘要：复杂条件下特厚煤层综放开采的关键是提高顶煤冒放性、降低煤岩体应力集中。注水和爆破作为煤岩体致裂有效的手段得到广泛使用。煤岩体结构及其材质的天然复杂性导致煤岩体耦合致裂问题是一个涉及煤/岩–裂隙–水–爆生气体多介质互相作用的复杂过程。研究固–液耦合体的耦合致裂机制、效果优化和煤体离散化的微观参数制取等有着重要的科学意义和工程应用价值。论文以复杂环境下急倾斜煤岩体的耦合致裂为背景,采用理论分析、岩石力学实验、数值模拟、神经网络、现场监测和工业试验相结合的方法开展研究,研究成果有:(1)研究了复杂煤岩体注(水)后爆(破)耦合致裂增透卸压机制。耦合致裂的本质是爆炸形成的爆生气体和冲击波共同在已软化的煤岩体中传播,耦合致裂效果大于两者的简单叠加。引入强度劣化率f作为评估耦合致裂效果的指标,获得了耦合致裂主要参数与强度劣化程度f的关系,并给出了耦合致裂技术实施时裂纹的扩展准则。(2)构建了考虑急倾斜煤岩体应力特征的爆破动载作用下固–液耦合分析模型。基于爆破动载作用下已弱化固液耦合态煤体的破坏特征,建立了耦合致裂参数与煤体整体强度劣化程度的量化关系,完成了煤体"整体–散体"的等效转化,确定了耦合致裂后煤体基于离散元的细观参数,给出了不同强度煤体和放出率间的关系、耦合致裂参数与放出率的关系,掌握了离散化块体间的铰接结构及流动形态演化特征。(3)形成了基于时–空–强参数等效转化的综合数值计算与分析方法。在耦合致裂分析过程中,煤岩体所处时间–空间(不同阶段高度)应力与强度完全不同,采用统一的计算方法无法表征不同阶段的煤岩体特征。在煤岩体为整体时采用有限元算法,经过耦合致裂后转化为散体状态时运用离散元的方法分�隧道施工含水构造激发极化定量超前地质预报理论及其应用
摘要：突涌水灾害源(含水地质构造)的超前探测理论与技术已经成为隧道等地下工程建设亟待解决的关键科学难题。针对以上难题,提出多同性源阵列激发极化超前探测新方法,以含水构造的三维反演成像与水量预测的相关理论、方法为目标内容,并引入约束联合反演思想,以基于约束联合反演的综合超前探测方法为结合点,形成多同性源阵列激发极化法隧道含水构造超前探测综合定量识别方法,具体内容如下:(1)针对传统激发极化探测方法存在旁侧干扰严重,且无法适用于TBM施工隧道的问题,提出了激发极化超前探测的多同性源阵列型新观测模式,揭示了多同性源电极供电的后向屏蔽与前向聚焦作用机制,并对孔中阵列激发极化观测方式进行了探讨,优选出了最佳阵列电极观测方式,揭示了激发极化法对典型含水地质构造的响应特征,提高了抗旁侧干扰能力与超前探测能力,可同时适用于钻爆法与TBM施工环境。(2)针对线性反演方法对初始模型依赖性大、非线性方法搜索效率低的问题,基于观测数据加权函数与模型深度加权函数,提出了基于加权函数的最小二乘反演方法;同时,将电阻率光滑约束与轨迹光滑约束引入到蚁群反演中,提高了蚁群算法的搜索效率,建立了线性反演方法与非线性反演方法相结合的混合反演方法,解决了由于隧道掌子面狭小探测空间而导致反演深度分辨率差的难题,实现了隧道含水构造的三维反演成像。(3)针对多解性这一地球物理探测固有难题,采用已知地质体形态信息作为先验约束的思想,研究已知先验信息约束联合反演模型构制方法与约束反演方法,提出了空间形态约束反演与空间结构约束反演方法,将地震波法、电磁法以及地质分析方法确定地质体形态作为已知先验信息约束,并施加到激发极化约束反演方程中,形成了以激发极化约束联合�深埋隧洞围岩板裂化机制与岩爆预测研究
摘要：板裂化和岩爆是高应力条件下深埋硬脆性岩体开挖后常见的2种破坏形式,板裂化岩爆是以板裂化破坏为前兆信息的岩爆,是由于板裂面切割围岩形成的岩爆结构发生突发性失稳破坏而形成的,在深埋隧洞中发生频率最高。对深埋隧洞围岩板裂化机制和板裂化岩爆预测开展了相应研究,重点研究了围岩板裂化破坏的形态特征、类型、数值计算的实现及其影响因素。论文主要内容包括以下几个方面:(1)统计和整理了锦屏二级水电站隧洞内的围岩板裂化破坏形态,重点分析了围岩板裂化在隧洞断面不同方位上的三维分布特征,提出了板裂化形态的描述指标,总结了影响板裂化形态的因素和工程尺度板裂化的破坏机制;对现场板裂化岩爆的发生情况进行了统计,得到了板裂化形态描述指标和板裂化岩爆之间的关系,并根据现场板裂化岩爆的特征将其进行细分类,简要阐述了各类板裂化岩爆的发生过程和机制。(2)针对锦屏二级水电站工程现场的硬脆性大理岩,详细分析了其在单轴、常规三轴、真三轴等室内试验条件下的破裂形态,并通过破裂面断口形态特征揭示了试样破裂面的破裂机制,据此将大理岩脆性破坏分为张拉破坏、压剪破坏和张剪混合破坏三类;分析了弹性均质条件下,地下洞室开挖过程围岩内主应力值的变化规律,对照大理岩各破坏类型的应力条件分析了围岩各部位易发生的脆性破坏形式;结合锦屏二级水电站现场板裂化的形态特征,将板裂化破坏分为张拉型、剪切滑移型和张拉–剪切滑移型板裂化破坏三种;通过模型试验验证了剪切型板裂化形态的存在,试验结果与上述板裂化分类具有很好的一致性。(3)开展了大理岩试样的拉剪和压剪试验,分析了拉剪和压剪条件下试样破坏特征,获得了破裂面上剪应力–正应力的全段强度曲线,基于试验结果,对Mohr-Coulom深井巷道层状围岩变形破坏特征及机制研究
摘要：层状岩体变形破坏特征与均质岩体存在很大差别,深入揭示层状围岩在掘进过程中的变形破坏特征和机制,对于确保矿井安全生产具有重要的理论意义。本文通过进行层状岩石室内试验,建立了横观各向同性应变软化力学模型,通过掘进全过程的现场监测和数值模拟结果揭示了深井层状围岩的变形破坏特征和机制,采用相似材料试验揭示了预应力锚杆支护结构对层状围岩变形破坏的控制作用。学位论文完成的主要工作有:(1)分别开展了不同层理角度时的互层状砂岩三轴压缩试验、岩样破裂面的电镜扫描和巴西劈裂试验。分析结果表明:层状岩石强度随层面角度增大呈U型分布规律,层状岩石的各向异性程度随围压增大而降低;层状岩石破坏形式由围压、层理角度和岩石细观结构共同控制;竖直层理岩样弹性模量大于水平层理,倾斜层理岩样最小,这主要是由不同层理倾角时层状岩石的承载方式决定的;岩样抗拉强度随线荷载与层面角度增大而增大,其机制为岩样破坏由层理面的剪切破坏演化为穿过层理面的剪切–拉伸破坏,并最终过渡为基质的拉伸破坏。(2)针对现有横观各向同性力学模型未考虑单元应力状态的不足,基于互层状砂岩压缩试验结果,提出了考虑体积应力的塑性内变量表达式,并以此为基础分别研究了基质和层理的应变软化规律,建立了考虑体积应力的横观各向同性应变软化力学模型。基于该模型编制了相应的岩石变形破坏有限差分程序,并通过试验结果进行了检验。结果表明,无论从曲线的变化规律还是定量描述上,数值计算结果和试验曲线均体现了很好的一致性,说明利用该模型可以较好地反映层状岩石的力学特性和变形特征。(3)采用单因素分析方法对建立的横观各向同性力学模型的参数进行了敏感性分析,确定了对围岩变形敏感的参数;通过
