钻孔岩芯声发射法在张北能源储气库地应力测量中的应用

使用新型定向岩芯声发射方法,对河北张北综合能源项目储气库建造工程区域进行地应力测量,结果表明,3个钻孔对应的90 m埋深处的地应力以水平构造应力为主,3个钻孔的最大主应力方向基本一致,均为近南北方向。使用圆周波速各向异性分析法进行验证,结果显示,圆周波速各向异性分析法得到的最大主应力方向与钻孔岩芯声发射法得到的结果吻合,进一步验证了钻孔岩芯声发射法测量结果的正确性。

双向受压岩石在扰动荷载作用下致裂特征研究

采用频率为2Hz,幅值分别为6,10,14,18和22MPa的正弦疲劳荷载作为动力扰动,来研究受双向静荷载并达到极限屈服状态的岩石在动力扰动荷载作用下致裂破坏的力学特性。试验结果发现:双向静载屈服状态红砂岩试件在动态周期荷载作用下,疲劳寿命明显短于在弹性阶段进行的疲劳测验的寿命。试件的疲劳寿命离散性较大,即使在同一动载幅值下也表现出很大差异,但相同应力幅值下最终破坏点处的变形量却基本相同,并且随着动载的幅值的增大而减小。研究还显示:具有相对较长疲劳寿命的试件的轴向变形量与循环次数(或时间)的关系曲线呈现出明显的3个阶段特性,其变化趋势与岩石蠕变曲线基本相同。岩石的最终破坏是由3个阶段的疲劳损伤累积所致,各阶段变形量占总变形量的比例、破坏模式和块度分布均与受到的动载应力幅值有关。

大红山铁矿三维地应力场的测量及分布规律研究

云南大红山铁矿属于国内埋藏较深的大型地下金属矿山之一,矿区位于多种复杂区域构造的结合部位,地质构造非常复杂,具备了发生岩爆灾害的潜在条件。采用瑞典LUT地应力测定系统对该矿区中深部的4个不同中段的6个测点进行了现场地应力测量,并对其变化规律及分布特征进行了分析。测量结果表明：矿区的最大主应力值随着深度基本呈线性增大,最大达到47 MPa,方位角介于北偏东16°-65°之间,平均倾向为北40.84°东;平均倾角约14.35°,最小倾角仅2.89°,说明该矿区水平构造应力明显,这与该区域的地质构造相吻合。

自然崩落法矿山深部地应力场分布规律的测试研究

采用LUT地应力测试系统对中条山集团铜矿峪铜矿深部矿区进行了地应力测量,发现该矿区地应力的主应力随埋深增加呈近线性增加,埋深最大的340 m中段测点处最大主应力值达到了37.83 MPa;最大主应力的方位在浅部和深部表现出较好的一致性,均为北东东向。深部矿区的原岩应力以水平构造应力为主,上部岩层垮塌使下部邻近区域的最大主应力的倾角明显增大,其影响程度随深度增加而减弱。该研究成果将对自然崩落法矿山的采矿工艺设计和安全生产具有指导作用。

一种基于激光测距的大断面巷(隧)道收敛变形高效测量装置的研发及应用

为保证大断面巷(隧)道收敛变形精确测量,研发了便捷式激光测距仪新装置,通过结构设计创新,新装置利用万向球云台替代多轴连接杆,提高了发射接收装置的稳定性和校准能力,最终实现了原位测量;测点布置采用改进的十字型布置方式,增加BE测量路线,形成五测点矩阵ABB'CE;利用小变形原理和三角函数原理推导出了巷道收敛变形计算原理,分别得到了巷道两侧帮相对中轴线的位移量和顶底板的位移量。由于客观因素导致测量数据存在误差,因此针对单次测量和多期测量分别进行误差处理,采用测定值子样平均值来估计单次测量真值,多期测量采用半参数回归分析法消除误差。新型装置在贵州开阳磷矿下属马路坪矿区得到了首次应用,对新开挖大断面巷道表面收敛变形进行长期监测,获得了该矿区深部软岩巷道的基本变形规律。

单轴动静组合加载对岩石力学特性影响的试验研究

用低周疲劳加载方法,在Instron电液伺服材料试验机上对红砂岩进行了单轴动静组合加载试验,研究了组合加载条件下的岩石动态响应和破坏特性。实验发现:红砂岩在同一方向上动静组合加载条件下的破坏强度比在单独动载作用条件下的强度小,而比在单独静载作用条件下的强度大。在组合加载条件下,岩石的弹性模量随着预静载的增加而减小,并显现出软化的趋势。实验还获得了红砂岩在组合加载情况下预静载应力与最终破坏强度的对应关系。

海下矿区三维地应力测量及分布规律研究

为解决复杂地质结构条件下的海下开采所面临的安全问题,对LUT地应力测试系统进行了一些技术改造,克服了矿区井下地下水氯离子含量极高、腐蚀严重的困难,对矿区地应力分布进行了准确测量与分析,揭示了矿区内海底三维地应力场的分布规律,并结合矿区地质构造特征对断裂带涌水量影响进行了分析。测试结果表明:矿区最大主应力值随深度增加而增大,最大达到34.17 MPa;最大主应力的方向为北北西向,以水平构造应力为主,平均倾角约23.76°,最小倾角仅0.81°,有利于减小断裂带的涌水量。测试结果为新立金矿海下开采工艺设计与安全生产提供了重要的基础数据。

爆破振动特征参量预测的非线性模型及应用

选取最大段药量、总药量、水平距离、高差、前排抵抗线、预裂缝穿透率、完整性系数、测点与最小抵抗线方向夹角、炸药爆速9个因素为判别指标,基于非线性分析方法支持向量机理论建立了预测爆破振动幅值、主频率、主频率持续时间等的爆破振动特征参量预测模型。将该方法应用到大冶有色铜绿山矿露天采场爆破振动对砌体结构破坏效应预测问题中,对现场实测的93组数据进行训练和检验,用另外15组现场数据作为预测样本进行测试,预测结果与实测情况吻合较好。研究表明,该方法回判估计的误判率低,判别性能良好,是爆破振动对砌体结构破坏效应预测的一种有效新方法,可以在实际工程中进行推广应用。

引入外参数的声发射系统在地应力测量中的应用

为解决AE法测量地应力时存在的测试精度低、可靠性差、Kaiser效应点不易判别的问题,采用先进的MTS 815材料试验机作为加载设备、PCI-2声发射仪作为声发射信号采集设备,并通过外参数引入技术改造,实现了加载设备和声发射仪二者数据采集的实时同步化,解决了声发射信号特征点与应力值间准确对应关系问题,提高了测试的准确性和精度。在此基础上,分析研究了分级多次循环加载方式下岩石试件声发射信号激发特征与规律,找到了准确获取地应力特征点的方法和波形处理技术,大大提高了测试的可靠性。利用该系统对甘肃白银集团小厂坝铅锌矿深部矿区进行了3个中段15个测点的地应力测试,获得了该矿区原岩应力场分布及变化规律,可为后续安全生产设计提供可靠基础数据。

弹性范围内加卸载时岩石波速-应力-储能对应关系研究

为了获得岩石储能的定量化表征方法,基于岩石内部储能可以通过其受载状态下岩石应力-应变关系曲线下的面积来定量化计算的原理,在实验室内测试了岩石试样在弹性范围内反复加卸载下波速-应力、应力-储能的对应关系。结果表明,对处于弹性阶段的大理岩试件进行多次反复加卸载,加载过程中波速随压应力线性增加,卸载过程中波速随压应力减少而线性下降;且同一应力下,加载对应的波速一般低于卸载时波速,但随着加卸载次数增加,这种同一应力下的加卸载波速之间的差值会越来越小,趋近于相同,此时整体的线性规律性更加明显。测试结果还显示,弹性阶段内,大理岩试样的单轴加卸载应力与能量密度较好地符合复合幂函数关系。通过应力作桥梁,构建出波速与能量之间的量化对应函数关系,从而找到了一种用波速来表征岩石储能的定量化方法。

用低周疲劳加载实现中等应变速率下岩石动态破坏的新方法

采用低周疲劳加载方法在Instron电液伺服控制材料试验机上实现了岩石中等应变速率下的动态加载破坏试验。为研究岩石在中等应变速率下的动态加载或动静组合加载的破坏特性及本构关系提供了一种可行的试验方法。试验结果表明:随着加荷频率的增加,岩石试件的平均应变速率也增加,当加荷频率大于0.5Hz时,平均应变速率就可以稳定地达到10-2s-1;在保持加荷频率不变的情况下,在岩石材料的弹性变形范围内改变预静载的大小,对岩石试件的平均应变率的影响不大,可以近似地认为加荷频率相同,应变速率也相同。

毫秒微差爆破技术在深部缓倾斜薄矿体安全强采中的应用研究

针对深部缓倾斜薄矿体开采生产能力小、效率低、安全性差、技术难度大等难题,依据毫秒微差爆破机理,利用非线性动力分析软件ANSYS/LS-DYNA对连续段毫秒微差爆破、跳段毫秒微差爆破和瞬间爆破方式进行了数值模拟对比分析,提出了一种适用于深部缓倾斜薄矿体的安全强采技术——浅孔多段毫秒微差爆破技术。通过对几种爆破方式在爆破岩块碰撞和爆破震动等方面的比较分析,优选出跳段毫秒微差爆破方法并应用到湘西金矿深部采场开采中。现场工业试验结果表明,新方法比传统方法在生产能力、生产效率、炸药单耗、回采周期、矿石块度、安全性等方面具有明显的技术经济优势,具有良好的推广应用价值。

大断面隧道掘进中炮孔快速堵塞新方法研究

为了提高矿山巷道的掘进速度,针对使用黏土作为炮孔堵塞材料的传统堵塞方式存在的劳动强度大、耗时长、效率低、无法与地下空间大断面隧道快速掘进相匹配的问题,提出了一种"水炮泥+膨胀泡沫"组合式炮孔快速堵塞新方法。实验室内膨胀泡沫堵孔强度实验和新疆东天山特长隧道的现场爆破试验结果证明:与传统堵塞方法相比,该炮孔快速堵塞新方法具有堵孔强度高、炸药单耗低、爆破进尺高、劳动强度低、堵孔耗时短等优势,具有重大的推广应用价值。

岩石三轴拉伸试验装置研制及其应用

为准确地测量岩石试样在不同围压作用下的拉伸强度与变形特性,对用于岩石三轴压缩试验的MTS815材料试验机为主体设备进行了一系列技术改造,一方面设计加工了一套试验机活塞与三轴室的随动连锁装置,使原本只能提供压缩载荷的MTS815试验机也能精确提供轴向拉伸荷载;另一方面设计开发一种多自由度岩石试样三轴拉伸夹具,解决岩石等脆性材料在拉伸过程中难以始终保持对中的技术难题。提出一套完整的测试技术方法,能实现0~140 MPa围压范围内各种岩石试件的复杂三轴直接拉伸测试研究,利用研发的配套装置与测试方法对页岩试样进行了三轴拉伸试验。结果表明,试验装置和试验方法完全能够进行不同围压条件下的岩石三轴拉伸试验,得到相应的三轴拉伸试验曲线;页岩在低围压和高围压下呈现不同的破坏特征和破坏形式,低围压下依然呈现脆性特征,高围压下则是由脆性向塑性转换。

预留光爆层工法在大断面隧道安全快速施工中的应用

针对长大隧道在围岩条件较差时采用全断面一次爆破掘进时光爆效果差、出现超欠挖严重、隧道成形质量差等问题,以G575线新疆东天山隧道出口段为研究对象,基于现场观测数据,分析了影响隧道光爆效果的因素,提出了预留光爆层施工的方法。试验结果表明,预留光爆层工法要求合格的钻孔质量、合理的装药结构,同时减少二圈眼药量与优化起爆网络;临时支护台车支护爆后空区,保证了人员设备安全作业;与普通光爆法相比,预留光爆层方法循环进尺增加了12.5%,炮孔利用率增加了12.5%,周边孔炮孔痕迹率增加了28%,平均线性超挖量减少了9 cm,最大单响药量产生的垂向震动速度减少了1.2 cm/s,具有良好的经济性、可靠性与可行性。该成果对大断面隧道采用全断面爆破掘进、安全快速施工具有指导意义。

预留光爆层爆破技术在长大隧道全断面施工中的应用

在大断面隧道采用传统光爆法施工中,很难保证所有周边孔同时起爆,存在隧道轮廓平整度低、超欠挖量大、炮孔留痕率低、成形质量不好等一系列问题。文章以东天山长大隧道工程为背景,采用预留光爆层爆破技术进行全断面一次施工,通过优化起爆顺序、起爆网络及爆破参数,取得了良好的光面爆破效果。现场试验结果表明:采用预留光爆层爆破技术,平均线性超挖量控制在15~25 cm以内,比传统光面爆破方法减少80%;初期支护混凝土用量降低了2.63 m3/m,大大减少了混凝土用量,经济效益明显;另外,采用预留光爆层爆破技术,实际循环进尺、炮孔残留率、炮孔利用率、炸药单耗等指标均有明显改善,隧道整体成形质量良好。

套孔应力解除法与声发射法在新城矿区深部地应力测量中的对比研究

为得到新城金矿深部区域的准确地应力分布,分别采用应力解除法和声发射法对该矿区深部进行了地应力测试,得到了不同测量方式下深部地应力的分布规律。采用定向扰动最小二乘法多元回归来提高套孔应力解除法的6个应力分量的求解精度,并采用空间坐标变换公式和LUT-str三维地应力计算程序对地应力大小和方向进行了计算。使用应力解除法测量了-830^-1 030 m之间4个水平6个测点的地应力,使用声发射法测量了-950^-1 150 m之间3个水平3个测点的地应力,计算得到相应的地应力及其分布规律。2种方法测量结果对比表明:深部地应力以水平应力为主,最大水平主应力为NWW-SEE向,二者测得的最大水平主应力、垂直主应力和最小水平主应力具有较好的一致性。

基于数值模拟的高压采场卸压方案研究

为了安全开采含有较多采空区的矿体,制定了2种卸压方案,并采用FLAC^(3D)软件对矿体进行建模,模拟并分析了其卸压效果。结果表明,采用方案1(卸压巷道与凿岩巷道呈“非”字形、相邻卸压巷道间隔10 m)时,最小主应力在凿岩巷道两边及顶板附近分别从8 MPa和9 MPa降至5 MPa和8 MPa,最大主应力变化不大;采用方案2(交错式开挖卸压巷道、相邻卸压巷道间隔20 m)时,最小主应力在凿岩巷道与卸压巷道的交汇处从8 MPa降至4 MPa,最大主应力在下层凿岩巷道顶板附近由24 MPa降至20 MPa。模拟结果表明,方案2的卸压效果优于方案1。小厂坝矿区按方案2进行卸压巷道施工,安全地完成了60万吨矿体开采。研究成果对巷道卸压的工程实践具有一定参考价值。

岩石动静组合加载力学特性研究

根据深部岩石力学研究的需要,在分析深部开挖中岩石受力特点的基础上,提出岩石动静组合加载问题。通过对多载荷凿岩机、INSTRON系统、SHPB装置的不断改进和尝试,研制出中高应变率段岩石动静组合加载试验系统,该系统可实现岩石轴向静压0～200 MPa、围压0～200 MPa和冲击动载0～500 MPa的同时加载。基于新研制的试验系统,对岩石在不同动静组合加载下的强度特性、破碎规律及吸能效率进行研究。结果表明:冲击动载一定,轴向静压从0增大到其单轴静压强度70%时,岩石的组合加载强度大于其纯静载强度或纯动载强度。轴向静压不变,随着冲击动载的增大,岩石的组合加载强度逐渐增大,表现出率相关性。动静组合加载下,岩石的破坏呈拉伸破裂模式,岩石的破碎块度在冲击动载或轴向静压增大时都向细粒端发展。岩石的吸能率随着动静组合加载的不同而不同,通过选择合适的动静组合加载,可使岩石的吸能率最大。

岩石动态强度及其应变率灵敏性的尺寸效应研究

采用波长与岩石试件长度成比例的半正弦应力波加载方式,对长径比为0.5、直径分别为22,36,75 mm的花岗岩、砂岩和石灰岩试件进行不同应变率条件下的SHPB试验。试验结果表明:岩石动态强度随着应变率的增高近似以乘幂关系增大,呈现较强的率依赖性;试件尺寸越大,岩石动态强度对应变率依赖的灵敏性越显著,所测得的岩石动态强度离散性越小;在相同的应变率加载条件下,岩石动态强度随试件尺寸的增大而增加,与静载条件下岩石强度的尺寸效应相反;岩石动态强度的尺寸效应随着应变率的降低而减弱,并由此推断存在一个临界应变率对应着岩石尺寸效应的消失。低于临界应变率时,静载的尺寸效应占主导地位;高于临界应变率时,动态的尺寸效应占主导地位。