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基于最小耗能原理的岩爆孕育发生机理研究

刘滨  
【摘要】: 岩爆涉及到矿山开发、水电工程、铁路公路隧道工程等多个工程领域,造成了重大的人员伤亡和经济损失,已成为工业安全领域的主要灾害。本文为了更好地理解高地应力条件下硬岩岩爆发生的机理,展开了岩爆相关问题的研究。本研究以理论分析为基础,采用试验研究和数值分析相结合的方法,系统地研究岩爆孕育发生机理,建立可以反映岩爆孕育发生过程的本构方程;基于岩爆的孕育机理研究,分析岩爆的影响因素,提出了合理的倾向性指标;研究了具有岩爆倾向岩石的声发射活动规律,深入研究了微震与岩爆的空间分布规律和内在联系。概括来讲,本论文的主要研究内容如下: (1)分析岩爆的宏观和微观破坏特征,初步确定岩体从开始受力到岩爆完成经历了两种形式的破坏,为定量地描述不同破坏形式的起始和结束,进行了相应的准则研究:取具有岩爆倾向的硬岩为试验对象,加工成标准试件φ50mm×100mm,采用MTS815.03型压力试验机进行单、三轴压缩试验。通过分析极限强度与整体破坏结构形成准则之间的关系,提出了岩爆发生的极限储能准则,与整体破坏结构形成准则组成了岩爆的充分必要条件,给出了岩爆的孕育发生机理和岩爆的定义。 (2)介绍了最小耗能原理及其推导内变量演化方程的一般方法;从能量角度出发,利用最小耗能原理建立了第一种破坏形式的损伤演化方程,利用花岗岩试验验证了所建立岩爆损伤演化方程的合理性;从能量角度建立了此后能量聚集阶段本构方程,建立整个岩爆孕育阶段的本构关系;将第二种破坏形式以后的形变状态简化成理想塑性状态,建立整个岩爆过程的本构方程。 (3)根据建立的具有岩爆倾向性岩石岩爆本构方程型式给出岩爆研究的关键区域(劣化区域),以圆形巷道为例,建立了相应的解析模型;根据岩爆储能极限准则,分别研究了等压和不等压条件下岩爆的影响因素;对岩爆的范围和位置进行了相关研究,提出了标定岩爆倾向性的新指标;通过对不等压条件下两种储能方式的理论研究,指出了岩爆孕育过程中能量的储存方式是零剪力储能模式,提出了岩爆防治原则,指出了有效的岩爆防治手段。 (4)对现阶段微震的相关理论研究情况进行阐述,开展室内声发射试验,研究了具有岩爆倾向花岗岩的声发射规律,对声发射的各个阶段给出了明确的物理解释,研究了声发射和损伤变量之间的联系; (5)根据建立的具有岩爆倾向花岗岩岩爆本构方程,利用ABAOUS软件编写相应的有限元程序。分别针对巷道不同几何形状、不同开挖方式条件下岩爆孕育发生过程中背景应力场积累、转移的基本规律,能量的积累、转移规律,研究岩爆孕育发生过程中微震的空间分布规律,揭示应力、能量积累转移与微震活动空间分布规律之间的内在联系,为建立分析预报模型提供理论依据。 (6)以红透山铜矿为工程实例,将研究的理论成果进行工程应用,通过相关实验确定岩爆本构方程,建立相应的计算模型,利用相应的有限元程序通过数值计算对-647水平发生岩爆的情况进行预测。


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