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岩体动力破坏模型试验与能量规律研究

王之东  
【摘要】:近年来,随着矿山工程、地下交通以及地下空间利用逐渐向深部岩体中延伸,致使很多岩体工程处在复杂、恶劣的地质环境中,深部岩体开挖作业环境的恶化,导致冲击地压、岩爆等动力灾害增多,尤其是浅部岩体中较稳定的工程区域,进入深部以后变成易发生动力破坏的区域,其动力灾害的发生机理极其复杂,目前尚未有统一、清楚的理论对其进行解释。因此,根据不同破坏机理、特点以及破坏区域特征对岩体动力破坏进行分类是地下动力灾害研究中最基础、关键的科学问题之一,故在前人研究的基础上,对岩体工程中易发生破坏的工程区域进行岩体动力灾害分类及其破坏机理研究具有十分重要的意义。本文对岩体工程中易发生动力破坏的区域进行五种动力灾害分类,即矿柱群模型、压剪挤出模型、夹杂体模型、采掘工作面端头模型以及不同形状巷道-竖向裂隙模型,将这五种破坏类型进行力学模型简化,对每种模型的破坏机理进行分析;将这五种岩体动力破坏模型试验化,基于能量理论,结合数字图像相关方法、高速相机拍摄、有限元模拟对模型试件的变形破坏形式、能量规律、碎块破坏特征和破坏剧烈程度进行分析,以此来研究五种岩体动力灾害类型的发生机理;并且在模型试验中通过改变部分模型试件加载的不同刚度试验机和试件尺寸(矿柱数量和宽度、预制裂隙长度和角度、夹杂体尖灭角度和有无胶结、试件的整体尺寸)来研究这些因素对模型破坏程度的影响。本文通过研究取得如下进展:1.对五种动力灾害模型试件采用的型煤、白麻花岗岩、石岛红花岗岩、红砂岩、石灰岩以及泥板岩材料的物理力学参数和岩爆倾向性指标进行测试。2.对矿柱群模型中矿柱破坏进行分析,并考虑型煤柱体数量和岩石材料种类、矿柱宽度对模型破坏的影响:矿柱群模型中遗留的柱体相对于整体模型尺寸很小,其达到极限强度时瞬间发生岩爆;相同条件下矿柱数量(采空区)越多,破坏载荷越小越容易发生破坏,故能量释放越小;矿柱宽度越大,其发生破坏时剧烈程度和碎块弹射速度越大,即破坏时宽柱比窄柱破坏程度剧烈,能量释放越大,且窄柱破坏时极限载荷较低。岩石材料的抗压强度和弹性模量越大,破坏程度和碎块弹射速度越大;矿柱群模型在平面应变下破坏时碎块弹射速度大于平面应力下的碎块速度。在易发生灾害的采区可通过减少采空区数量、增大条带和房柱式矿柱尺寸来降低矿山事故的发生。3.对压剪挤出模型(竖向大横截面预制斜弧形裂隙和小横截侧面预制斜矩形裂隙)的破坏机理进行分析,考虑不同岩石材料、裂隙尺寸和角度、大小刚度试验机加载对破坏程度的影响:由于预制裂隙附近应力集中,预制裂隙尖端首先达到极限强度发生起裂、扩展、贯通破坏,即上下裂隙之间区域扩展贯通、裂隙尖端向试件顶、底发生起裂扩展,上下裂隙贯通后形成凹型爆坑,破坏逐渐向试件内部延伸,直至试件发生整体岩爆。压剪挤出模型整体尺寸高度、裂隙水平夹角以及裂隙长度越小,其破坏时极限载荷越大,聚积能量越多,破坏越剧烈(弹射动能越大),裂隙面耗散能和表面自由能γ越大。模型内各种原生裂隙越发育,其越容易在较低载荷作用下发生破坏,其破坏程度较弱并趋于静态破坏。在矿山易发生动力破坏的区域,可通过钻孔卸压和爆破卸载,增大钻孔和裂隙尺寸、水平夹角以及数量,促使岩体破坏从动态向静态转变,从而减轻对采掘作业的威胁。4.对夹杂体模型的破坏机理进行分析,考虑夹杂体与周边岩体有无胶结、夹杂体尖灭角度、有无预制裂隙(长度)对模型破坏程度的影响:夹杂体及其上、下区域受力变形与其他区域不一致,导致夹杂体尖端出现向上、下的集中应力带,故夹杂体尖端易出现向上、下的裂隙萌生、扩展、贯通破坏,导致夹杂体及附近岩体发生岩爆;夹杂体与周边岩体无胶结或者胶结程度越差、夹杂体尖灭角度越大、对夹杂体附近预制裂隙且裂隙长度越大,岩体破坏时极限载荷越小,聚积能量越低,破坏越不剧烈,碎块弹射数量也越少,并且裂隙面耗散能、碎块数量以及等效总表面积相对较小;夹杂体对周边岩体竖向变形有阻隔效应,夹杂体角度越大,阻隔效应越明显。因此,通过降低夹杂体胶结程度、增加夹杂体附近裂隙数量和长度,有助于岩体动力破坏向静态破坏转变,从而降低该类岩爆的发生。5.对采掘工作面端头模型破坏机理进行分析:首先在中部凹槽、中部凹槽-上下部连接处(顶、底角)出现应力集中,故中部凹槽附近首先达到极限强度,尤其在左、右两侧端头拐角处(顶角、底角以及顶底角之间柱体)最容易发生不同程度的强度或裂隙扩展破坏,导致试件整体剪切破坏。因此,该模型破坏现象与现场采掘进中采掘工作面-附近巷道的端头拐角处发生失稳破坏现象相符,在开采作业中需要对工作面端头进行安全支护;模型的破坏机理与模型试件尺寸无关。6.对岩体工程中竖向原生缺陷对圆弧形、矩形、拱形巷道破坏机理的影响进行了研究,可以归纳为竖向原生裂隙与不同形状凹槽界面之间的扩展、贯通破坏。7.岩体动力破坏模型试件在小刚度试验机压缩破坏时的轴向位移量、试验机系统输入的能量、裂隙面耗散能、等效总表面积、等效碎块个数、自由表面能γ以及破坏剧烈程度均大于大刚度试验机试验中的各对应值,故矿山系统(试验机)的刚度相对工程岩体(模型试件)刚度越小越容易发生岩爆现象。8.对矿山工程易发生动力破坏的岩石柱(板)体结构和具有圆形钢结构支护体的圆形巷道发生失稳破坏时的力学条件进行推导;对工程结构体发生破坏中的能量释放量与所选边界范围的无关性进行证明;对五种分类的动力破坏模型中碎块的弹射速度与对应工程体破坏时碎块弹射速度的一致性进行论证。


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