西部矿区弱胶结地层工程围岩稳定性控制研究进展

我国西部矿区开采地层主要由侏罗系、白垩系地层构成,该地层岩石总体表现为强度低、胶结性差、易崩解等特性,属于弱胶结岩石。弱胶结地层工程围岩与中东部矿区地层岩石差异性较大,工作面顶板控制、巷道围岩控制等采用传统的控制技术很难有效保障工程的安全性,常出现巷道大变形失稳、工作面压架、突水、溃沙、冲击地压等灾害。通过大量的调研和室内试验,获得弱胶结岩石抗拉、抗压等力学指标远小于中东部矿区同类岩石力学指标,建立了多因素耦合作用下的弱胶结岩石的变异程度评估指标体系,初步获得了典型矿区弱胶结岩石的变异性程度。以红庆河煤矿弱胶结岩石为例,发现了弱胶结岩石在力、水等载荷作用下,具有“类相变”现象,分析了胶结度对类相变现象的影响,给出了弱胶结粗粒砂岩的“类相变”状态特征及其敏感性参数。分析了导致工作面支架压架、突水溃沙灾害发生的覆岩垮落带、断裂带动态发育规律以及巷道围岩大变形规律,推演了弱胶结地层大采高工作面不同开采阶段垮落带动态变化表达式,建立了支架-围岩相互作用模型,给出了工作面来压和非来压期间支架工作阻力;针对弱胶结地层的松散弱特性,提出了巷道围岩双壳加固技术,可为工作面安全开采和巷道围岩控制提供保障。

基于水压致裂法的三山岛深竖井工程区地应力测量与反演分析

山东省三山岛西岭矿区拟建2000 m深副井,属于超深井建设工程。揭示建井工程区地应力场特征是开展竖井设计、建设施工的必要先决条件之一,研究中采用水压致裂法开展了深部竖井地应力现场测量工作,测量深度达到1899.00 m,通过数值仿真模拟方法反演了竖井工程区2017.56 m深的地应力场。结果表明:在水压致裂测试的钻孔357.76~1899.00 m深度范围内,最大水平主应力(SH)为23.16~70.86 MPa,最小水平主应力(Sh)为15.24~47.06 MPa;主应力随深度近于线性增加,地应力测量孔实测最大水平主应力方向分别为NW55.5°、NW60.4°、NW58.4°,为近北西方向;竖井工程区应力场主要以水平应力为主导,1200.00 m以下铅直主应力(Sv)为中间应力,SH与Sv之比平均值为1.53;通过FLAC 3D软件的反演分析获得了建井工程区内地应力场随深度、地层变化的分布规律,测试点的反演结果与实测值基本一致。近2000 m超深地层地应力状态及其分布规律,为竖井工程的井筒井壁设计和工程风险评估提供了基础科学依据。

冲击地压与区域构造应力环境相关性及其应变响应特征

为探明灾源体及其与周边相关区域构造应力环境之间的协同机制和作用机理,在华亭矿区建立了针对冲击地压监测的钻孔应变观测系统,并观测到了矿区内较大规模冲击事件和若干次天然地震的应变响应。实测表明,构造型冲击地压孕育及诱发过程所涉及的地层尺度要远大于传统的采场和采动影响范围;冲击地压引发的钻孔应变同震响应呈"阶跃"和"振荡"2种模式,冲击规模、观测点与震源的距离不同,响应模式也不同;灾源体与相关区域地层之间存在着"链式"相关机制;对天然地震的观测结果与之类似;初步验证了通过开采扰动的区域应力或应变效应观测来探索冲击地压孕育机理的可行性。

基于莫尔-库伦强度理论的岩石冲击危险性判据

岩爆(冲击地压)日益成为危害工程安全生产的灾害,建立有效判据对于防治这类灾害具有重要意义。基于莫尔-库伦强度理论,通过解析几何数学方法,推导建立了冲击危险性应力指标,并以二长花岗岩为试验材料,采用三轴试验方法,对该判据予以了证明分析。研究表明:1基于摩尔库伦强度理论建立的冲击危险性判据——冲击危险性应力指标与岩石稳定状态具有良好地相关性,该值越大,相对应力水平越高,岩石发生冲击破坏的可能性越大。2冲击危险性应力指标可以反应岩石在某一应力水平下的冲击危险程度,弥补了单独分析最大主应力和最小主应力作为单一分析指标的不足,反映了应力参量和材料物理力学参量(内摩擦角、黏聚力)等对岩石冲击危险性的影响。3为数值计算方法提供了新的分析指标,可根据数值计算结果进一步计算出冲击危险性应力指标在空间的分布情况,反映出不同空间位置的岩体的冲击危险性情况,为岩爆发生提供预测依据。

初始应力场岩体稳定性与冲击地压动力灾害相关性研究

从材料的强度理论出发,建立量化分析原岩应力场下岩体稳定性的评价方法,并分析了岩体初始稳定性与冲击地压动力灾害发生的相关性。以莫尔-库伦强度理论为基础,推导出莫尔-库伦应力(Wσ)评价指标,以反映岩石破坏前某一应力状态下岩石材料体接近极限破坏强度的程度。Wσ在单轴压缩、单轴拉伸、三向受压、压缩-拉伸等岩石应力状态下,都能表现出应力状态接近极限的程度,Wσ越接近1,岩石越接近破坏极限,原岩稳定性越差。运用Wσ描述岩体初始地应力场状态能够表达出岩体所处应力状态与极限状态的接近程度,有助于判断初始应力场下的岩体稳定性。岩体初始稳定性越差的区域发生冲击地压动力灾害的概率越高,依据Wσ划分稳定、较稳定、中等稳定、较低稳定、低稳定5级稳定区,对原岩初始稳定性进行评价,为预测工程活动所引发的冲击地压等地质动力效应提供参考。

二长花岗岩受力记忆的声发射检测试验研究

为研究岩石类材料的受力记忆能力,本文采取三轴循环加卸载的力学试验和声发射试验方法,获取了二长花岗岩受力过程中的应力-应变曲线及声发射特征参数数据。分析表明:(1)在加卸载过程中,初始压密阶段、弹性阶段、塑性阶段、峰后阶段四个阶段声发射特征明显,循环过程中Kaiser效应十分明显。(2)在较低应力水平阶段,Kaiser效应现象较为明显;在较高应力水平阶段,Felicity效应现象较为明显。(3)岩石试样对应变的记忆准确度要高于对应力的记忆准确度,岩石的物性参数(应变)记忆能力要明显好于状态参数(应力)。

二长花岗岩三轴压缩下声发射特征围压效应的试验研究

岩石材料在受载情况下,发生变形和内部破裂,储存的部分能量以应力波的形式释放出来,产生声发射现象。采用三轴压缩试验和声发射试验,研究玲珑金矿二长花岗岩声发射特征与力学参数之间的关系。结果表明:(1)岩石试样在三轴试验条件下,其声发射特征基本符合岩石加载破坏过程中的4个阶段,其中压密阶段在围压对岩石材料的压实作用下没有明显体现出来。(2)通过分析围压对岩石记忆效应的影响得出,在相对低围压水平时,Kaiser效应显著性会随轴向应力水平提高而降低,Felicity效应显著增大;随着围压水平的提高,Kaiser效应显著增大,Felicity效应显著降低。(3)在声发射法测量地应力过程中采用三轴试验更为适合,三轴试验可消除应力环境不同和高应力水平Kaiser效应模糊所引起的误差,使测量值更接近实际岩体所处的应力状态。(4)随着围压水平的提高,岩石的抗压强度随之提高,岩石破裂前夕声发射特征参数呈现突发性特征,表现为突然激发出高能量振铃计数率、能量累积迅猛增加,并且伴随没有峰后曲线的岩石突然破裂现象。

玲珑金矿深部开采岩爆分析

在金属矿山的深部开采过程中,岩爆的问题时有发生,现阶段对于岩爆问题的致灾原因分析主要集中在高地应力的领域,具有一定的局限性。通过引入能量指标以及冲击危险性应力指标,将岩石自身性质以及岩体所处应力状态等指标引入,丰富了岩爆研究的参数。借助FLAC3D数值分析手段,对玲珑金矿未来深部开采过程中可能面临的岩爆问题进行模拟研究,,初步确定了玲珑金矿岩爆的危险性指数以及岩爆释放能量的大小,明确了岩爆的发生范围,并与现场的实地情况进行对比,较好地吻合了现场的实际情况,这也为玲珑金矿的安全生产、下一步的回采工作及岩爆的安全控制提供了依据。

复杂矿山地质形体的三维数值网格划分自动化平台

由于Surpac软件本身功能的限制,基于Surpac块体模型的三维数值建模技术在处理复杂矿山地质形体时存在费时、繁琐等缺陷。通过沿用八叉树层层细分的基本思路,研究了多个地质形体的网格批量自动划分技术,针对现有计算机处理能力在解析精度与模型尺度方面存在的矛盾,借用多重网格法概念探讨了网格局部加密和多尺度划分问题。并应用VC++开发了三维数值网格划分自动化软件平台,使复杂矿山地质形体的计算网格划分更加便捷高效,为开挖力学状态数值分析的自动化提供有力支持。该系统在玲珑金矿原始地应力反演数值建模中得到了实际应用,结果表明,该方法是实际可行和有效的。

抛掷型岩爆震源体能量动态释放机制与几何尺度特征

为了进一步理解岩爆的机制并解释岩爆发生的过程,通过对抛掷型岩爆能量来源、去处及大小的分析,提出了抛掷型岩爆的震源两体模型。抛掷型岩爆本质上是释能体-岩爆体相互作用下岩石裂纹动态扩展和能量快速释放的过程。从岩爆体张拉断裂机制出发,采用脆性内聚裂纹阵列扩展动力学模型分析了裂纹间距与应变率对岩爆体能量释放速率的影响。据此得出释能体对岩爆体的作用可归结为应变率效应,释能体能量释放速率越大,对岩爆体的动态加载速率就越大,使得岩爆体能量释放速率加快。岩爆体破裂能量释放速率越大,作用于释能体的动态卸载速率就越大,又使得释能体的能量释放速率增大,两体相互作用形成的动态加、卸载效应构成了岩爆能量释放的正反馈机制。基于上述理论推导得出岩爆震源体的几何尺度是岩爆体的几倍到几十倍,理论结果与现场实际监测分析基本吻合。

冲击地压事件AE与压力耦合前兆特征分析

以华亭矿区砚北煤矿为背景,对开采过程中冲击地压事件的声发射(AE)与压力前兆特征进行了分析。分析结果表明:在冲击地压发生前,冲击地压"源"处的岩体内部声发射和压力呈现出一定的相关变化规律,即表现出明显的前兆特征和相互耦合模式:"升压平静—降压活跃"模式,即压力变化整体趋势为上升时,声发射进入平静期,当压力变化整体趋势为下降时,声发射表现活跃;"升压降压平静"模式,即当压力上升和下降期间,声发射均处于平静期。这种特征和模式可以作为冲击地压事件预测的判别依据。

邻近断层孤岛工作面开采冲击类型及其时空特征分布

采用理论分析和三维有限差分数值模拟等手段,结合3g临界加速度判据,对济宁二号井八里铺断层以东、F_(56)^(12)断层以西孤岛工作面开采过程中硕板、煤柱和断层的活动规律进行分析。研究结果表明在工作面推进至约50 m、370 m及480 m时易发生顶板型冲击;工作面推进至10~130m阶段_(56)^(12)断层保护煤柱前方和推进至230~310 m阶段采煤面前方煤岩易发生煤柱冲击;在工作面推进至10~100m、150 m及180 m区域时,F_(56)^(12)断层附近易发生断层冲击。

二长花岗岩三轴加卸载过程中声发射特征分析

为认识二长花岗岩在不同受载路径条件下破坏过程中声发射特征,通过三轴循环加卸载压缩试验和声发射试验,分析了玲珑金矿二长花岗破坏过程应力应变曲线和声发射特征参数的关系,结果表明:(1)在花岗岩的循环加卸载过程中,声发射信号主要出现在加载期的超过前一循环最大值的阶段和卸载过程的初期,弹性加载和卸载阶段后期基本无声发射现象;(2)岩石声发射活动与岩石变形破坏过程以及能量释放特征规律密切相关,在对二长花岗岩的加卸载试验的过程中,随着加卸载的进行,存在着声发射活动的活跃期和相对平静期;(3)主破裂阶段及峰后相对应力较高的时期所释放的能量要远高于卸荷阶段的初期、塑性变形的中后期这两个活跃期释放的能量,该阶段绝大部分的弹性应变能释放出来;(4)在岩石试样初期的循环加卸载过程中,岩石内部塑性破坏程度较低,Kaiser效应显著,后期的循环加卸载过程中即塑性阶段的中后期,Felicity效应显著;(5)岩石进入塑性变形的中后期,微破裂发展至破坏阶段,裂纹大量扩展、贯穿,形成宏观裂缝,弹性应变能大量释放,AE信号强烈,当达到塑性中后期的标志点时,岩石试件即到了主破裂的前夕。

不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源与其临界破坏前兆信息判识

研究弱胶结砂岩声发射信号参数特征及参数之间的关联性,可以区分不同粒度弱胶结砂岩破坏过程的声发射信号源,是建立不同粒度弱胶结砂岩临界破坏判据的基础。通过对单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩的破坏全过程进行声发射试验,得到了弱胶结砂岩破坏全过程中的应力与AE特征参数随时间演化规律,分析了AE振铃计数与绝对能量、幅值和持续时间参数之间的分布特征,获得了不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源特征,并基于AE峰值频率的演化特征分析,给出了弱胶结砂岩临界破坏前兆信息识别方法。研究表明,随着弱胶结砂岩粒度的减小,其峰值强度增加,岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显,AE振铃计数的峰值呈现数量级增加,能量集聚效应更加明显,岩样的自蓄能能力更强,且产生更高的AE幅值及更长的AE持续时间。弱胶结细粒砂岩在线弹性阶段初期最先出现更低频段(10~20 kHz);弱胶结粗粒砂岩在塑性变形阶段AE峰频出现更高频(275~285 kHz),且AE峰频由2个主频段演化为5个;弱胶结中粒砂岩在达到应力峰值前,两个主频段(40~50,145~155 kHz)累积计数最大;AE峰频的更高频、更低频及主频累积计数值等变化特征可以作为鉴别不同粒度弱胶结砂岩单轴压缩破坏过程中声发射信号源的判识依据。岩样进入塑性变形阶段时,AE峰值频率表现为由初期的2个主频演化为4个或5个频段,频段增加特征亦可作为不同粒度弱胶结砂岩破坏前兆信息判识的依据。

流体力学问题式教学设计与实践

针对流体力学课程理论性强、概念抽象等特点,设计基于问题式教学法的流体力学课堂教学。通过一问一答、研讨式问答等形式引导学生高度参与、主动发挥,利用雨课堂等网络教育平台,从增强学生软硬实力着手,提高学生发现、分析、解决问题能力。

岩石材料破裂过程中声发射信号的应力状态及能量演化研究

岩石受载破裂过程中能量不断积累和释放,而岩石材料非均质性等细观组构特征对其破裂产生的声发射具有显著影响.通过岩石力学试验建立不同非均质、非均匀岩石强度和能量参数的评价方法,分析了不同非均质性岩石的声发射特征与应力状态和能量水平之间的关系.研究表明:岩石在不同应力阶段有不同强度的成分发生破裂,不同应力水平所产生的声发射信号由不同成分的破裂所致;岩石破裂损伤后,剩余能量与总能量、能量降有关,声发射监测到的弹性波能量是能量降的一部分,此能量降与应力状态及材料特性有关;将粉砂岩细分为均质且均匀、不均质而均匀、不均质且不均匀三类,不同非均质、非均匀程度的岩石在不同应力状态下破裂及能量释放情况不同,其中均质且均匀的岩石强度和蓄能水平最高.建立的基于声发射的应力状态和能量水平判别理论可应用于工程中微震监测数据分析,为识别矿山开采过程中区域煤岩体临界状态与超前预警提供了理论基础.

基于矿山钻孔应变观测数据时程分形特征的冲击地压前兆分析

开采诱发的冲击地压活动与区域应力场之间存在着密切相关关系,为探究冲击地压孕育过程中相关区域岩体内部应力场的演化机制及灾害发生前兆信息,研究将钻孔应变观测技术首次应用到矿山动力灾害监测中,并采用分形盒维数定量分析钻孔应变数据时程变化特征及其与冲击地压的相关关系。结果表明,钻孔应变观测技术应用到矿山动力灾害监测中,可直接、准确地记录冲击地压发生前后区域内岩体的应变微动态变化过程;运用分形方法处理具有固体潮趋势背景的钻孔应变数据简单而有效,分形盒维数可量化评价应变数据的复杂变化和固体潮畸变异常程度;钻孔应变数据的分形盒维数时程变化,定量表征了冲击地压的非线性时空演化过程,可将盒维数的"升高→降低"变化作为冲击地压发生的前兆判据。

固体潮汐应力与矿震触发之间的相关性及其作用机理分析

矿震的发生与地球固体潮汐活动存在一定相关性,为进一步探明固体潮汐应力对矿震的触发作用,本文以国内典型冲击灾害频发的华亭煤田矿区为研究背景,采用Schuster检验方法对发生在顶板中的矿震进行了固体潮日潮变化的统计分析。结果显示:1)固体潮汐应力对矿震的发生存在显著触发作用,矿震发生的频次与潮汐应力垂直、东西、南北和水平剪应力分量的相位角之间都有显著的相关性,Schuster检验P值均小于触发阈值0.05;2)潮汐应力对不同级别矿震触发作用存在差异,随着震级的增大,矿震的发生由重力控制转为构造应力控制;3)对不同类型矿震的触发力学作用不同,对于重力控制的中小型矿震,潮汐应力垂直分量最大(受压)、水平分量最小(受拉)时矿震较易发生,而构造应力控制的大级别矿震则与之相反;4)矿震活动也会造成相关区域地层中的钻孔应变时序形态产生畸变。

基于区域应变效应的冲击地压孕育及预警机制

冲击地压等动力灾害孕育、诱发过程有采场范围外更大规模工程岩体的参与,为探明此类灾害与区域应力场之间的相关性、冲击灾源体与周边区域应力环境之间的耦合致灾机制和定量关系,基于应力连续监测技术开展了冲击地压灾害的区域应变效应观测与特征分析。建立了针对冲击地压矿井区域应力监测的钻孔应变观测系统,实现了采场及冲击"相关区域"地层应力的动态监测;提出了钻孔应变数据特征分析参量"应变比速率"的概念,用于量化分析区域应力的演变趋势。研究表明,矿山开采中的冲击地压孕育、诱发过程伴随着区域应力场的调整,且钻孔应变实测数据验证了传统采动影响范围以外更大区域的应变效应;冲击地压发生前,相关区域的钻孔应变出现了"增高→极大值→降低→趋于稳定值"的"凸"型变化过程;应变比速率呈现出"0→正→0→负→0"变化过程,为分析冲击地压灾害孕育状态及预测预警提供了新的判断依据。

三轴受压状态下岩石试块变形破坏过程中孔隙水压的变化特征及其临界破裂前兆

为讨论饱水岩石中孔隙水压与损伤变形过程的关联性,探究岩石破坏的孔隙水压前兆特征信息,采用三轴压缩试验、渗流实验相结合的方法,分析了在不同孔隙水压和不同围压条件下饱水岩石变形破坏过程中损伤扩展与孔隙水压变化的内在联系.研究表明:(1)开放饱和岩石单元体中,岩石在受荷破坏全过程中的初始压密、弹性压缩、塑性变形和破坏失稳阶段,孔隙水压呈现增高、稳定、逐渐减小和锐减变化;(2)岩石破坏的孔隙水压前兆特征明显,在主破裂前夕,内部损伤加剧,裂隙贯通,孔隙水压将失去稳定状态,孔隙水压由稳态锐减可作为岩石破裂的前兆信息;(3)在应力变化大、高孔隙水压以及高围压条件下,孔隙水压对损伤发展更为敏感,响应也更明显,孔隙水压与损伤发展相互影响,互为关联,损伤扩展造成孔隙水压降低,孔隙水压降低又促进损伤发展;(4)可以尝试在深部开采工程中监测岩体内部孔隙水压的变化来预测岩体失稳的突发性灾害.