截割厚度和截线距对镐型截齿破岩的影响研究

为了研究不同截割厚度和截线距对镐型截齿截割力和截割比能耗的影响,基于TRW-3000真三轴电液伺服测试系统及自主设计的创新型截齿加载平台,对炭质板岩和流纹质碎屑岩试样进行了室内直线截割试验。试验结果表明:截齿破岩呈现4种破坏模式,两相邻截齿之间存在显著的协同作用。平均截割力随截割厚度和截线距的增大呈线性增大。随着截割厚度的增大,截割比能耗呈幂函数减小;随着截线距和截割厚度的比值的增大,截割比能耗先减小后增大,且存在一个最小比能耗,即最优值,最优截割比能耗远小于无截槽影响的比能耗,此时截线距和截割厚度的比值为2或3。利用室内试验结论优化了悬臂式掘进机截割头上的截齿布置,并运用到掘进机非爆掘进现场工业试验,大幅提高了掘进效率并降低了掘进成本。

Experiment on mechanical properties of steel fiber reinforced concrete and application in deep underground engineering

Specimens of steel fiber reinforced concrete (SFRC) in volume ratios of 0%, 0.5%, 1% and 1.5% were prepared to study the supporting effect of SFRC at these different volume ratios in a deep soft rock tunnel. Experiments with mechanical properties of compressive strength in cubic specimens, cleave strength in cylindrical specimens and four-point flexure strength of sheet metal specimens were carried out. The experimental results indicate that SFRC in a volume ratio of 1% is superior in ranking to other volume ratios in terms of technique and economics. By means of a numerical simulation, given the characteristics of soft rock deformation and damage at great depth, a new support substitution scheme of SFRC to replace plain concrete is proposed. The results of an industrial trial show that the support provided by SFRC can withstand large deformations of the surrounding rock. Good results have been obtained in a practical application.

开挖卸荷-射孔压裂下高应力硬岩的应力分布与裂纹扩展

本文以深部硬岩矿山中射孔压裂辅助机械开挖为背景,推导了开挖卸荷-射孔压裂下应力分布理论模型,并基于离散元法建立了开挖卸荷-射孔压裂的流固耦合数值模型。通过与理论模型对比,验证了数值模型的准确性,并进一步研究了开挖卸荷下单射孔位置x_(0)、注液压力p_(t)、射孔长度h_(f)以及双射孔压裂对裂纹扩展规律的影响。结果表明:开挖卸荷-单射孔压裂下不同射孔压裂参数x_(0)、p_(t)、h_(f)对应力分布规律的影响不同。随x_(0)、p_(t)、h_(f)的增大,开挖卸荷-单射孔压裂下裂纹数量均有所增多,但裂纹扩展规律存在明显差异。在开挖卸荷-双射孔压裂下,压裂效果优于单射孔压裂,随hf的增大,裂纹数量增多,双射孔中间区域裂纹贯通。

一维动静组合加载下圆柱孔洞花岗岩的力学性能及破裂特征

地应力集中和动力扰动是诱发深部岩石工程灾变的两个重要因素,开展动静组合加载下含孔洞岩石的力学特性研究能够为揭示深部岩石工程动力灾变提供参考。本文将地下巷道结构简化为含圆柱形孔洞的岩石试样,利用动静组合加载系统分别测试了不同轴向静载(σ_(s))下试样的动态力学特性,分析了σ_(s)对试样动态力学响应的影响;并对动静组合加载下圆柱孔周边的能量分布特征进行了数值模拟。结果表明:试样动态损伤总是从圆柱孔周边开始;当σ_(s)为27 MPa和36 MPa时,试样动态强度、割线模量达到最大值;试样动态损伤范围随轴向静载的增加先减小后增大,且σ_(s)大于27 MPa后,岩爆现象逐渐增强;在动静组合加载下,最大应变能密度始终出现在垂直于加载方向的圆柱孔周边。

变权重连接P波和S波到时数据的微震震源Bayes定位方法及应用

微震震源定位是微震监测领域的一项关键性技术,传统的矿山微震定位方法采用基于P波或S波的走时射线追踪定位算法。然而,可用于微震事件定位的到时数据少,致使定位结果误差偏大。联合P波和S波到时的目标函数可取得更好的定位结果。已有研究面临着以下几个挑战:1)联合权重应该是一个由P波和S波到时数据质量决定的自由参数;2)对同一微震事件定位时,使用的全部到时数据中含有不良数据。为此,本文提出了一种变权重连接P波和S波到时数据的贝叶斯定位方法用于微震震源定位。为减少异常到时数据的影响,每次迭代随机选择80%的到时数据。本文使用2个理论事件和8个矿山爆破事件对所提出方法进行了测试。模拟结果表明,当分别在P波和S波的走时数据中添加2 ms和4 ms的高斯噪声时,采用本文方法的平均定位误差仅为9.96 m。应用结果表明,与单P波贝叶斯定位方法和单S波贝叶斯定位方法相比,采用本文方法的平均定位误差为31.97 m,定位精度分别提高了25.40%和60.78%。

全磷废料在矿山充填过程中有害气体的释放特性

针对全磷废料充填过程中产生有害气体的实际问题,通过监测骨料磷石膏(PG)、胶凝剂黄磷渣(YPS)和充填过程中的气体产生情况,探究了气体产生的来源、释放特性以及抑制方法。结果表明,气体主要是在酸性环境下在胶凝剂中产生的,气体产生的先后顺序为PCl_(3)、PH_(3)、NO、H_(2)S、NH_(3)和CO。降低充填浆料的pH值将增加气体产量,未添加酸的浆料原始气体产量仅为外加酸性环境下极限气体产量的6.3%。通过对产气情况的分析,提出了在料浆中直接添加碱性CaO以控制气体产生的方法。添加胶凝剂质量12%的CaO时,气体产率降低了99%。当充填料浆的pH达到10以上时,可有效控制气体产生。本研究结果对保障采矿工人的健康和减少环境污染具有一定意义。

全磷废料绿色充填理论与实践

随着我国矿山绿色开采、资源循环经济战略的提出,"就近取材"成为矿山充填材料来源的首选。本文系统总结了国际首例全磷废料即磷石膏作为充填骨料,黄磷渣为胶凝剂的绿色充填理论与工艺。从材料的物化特性、流动性、强度时效性以及安全和环保的角度,探讨了全磷废料作为充填材料进行磷化工矿山充填的可行性,并在磷石膏环管试验结果的基础上,对原有的磷石膏充填工艺进行改造,提出了适应磷石膏物料特性的似膏体充填新模式,为我国磷化工企业矿山的绿色、安全和高效开采提供了示范。

硬岩矿山开采技术回顾与展望

以国内外硬岩矿山特别是有色金属矿山开采现状及研究成果为基础,综述了硬岩矿山开采方法与技术的发展历程和主要进展。随着技术的进步和对安全环保要求的提高,硬岩矿山地应力探测与地压监测技术更加精准可靠,传统的空场法、崩落法过渡到充填法,隐患破碎矿段实现安全高效开采,大型水(海)下金属矿床实现安全高效低贫损开采,智能化矿山构建已初见成效,深部硬岩开采理论与技术正日趋成熟;同时,以硬岩矿山技术变革为导向,以解决深部固体资源开发的瓶颈难题为目标,系统阐述了变害为利的深部开采方法构思和不同深度的深地资源特别是有色贵重矿物资源的不同开采模式与开采技术构想,并就深部开采理论难题与技术瓶颈及突破方向进行了探讨,以期为资源开采将向地球深部进军提供理论和技术参考。

硬岩矿山开采方式变革与智能化绿色矿山构建——以开阳磷矿为例

在阐述矿山开采模式历程、非爆连续开采和智能化开采现状的基础上,探讨硬岩矿山开采方法变革与智能化矿山构建。基于深部开采矿岩受力特征、秉承"变害为利"的思想,构建了深地资源安全高效开采发展框架和矿山循环经济模式,并以开阳磷矿为例,初步实践了矿山深部硬岩开挖与灾害控制互换的非爆连续开采与资源开采无害化循环利用新模式;构建和完善了智能化矿山理论框架和方法体系,在资源与开采环境可视化、生产过程与设备智能化、生产信息与决策管理科学化的基础上,借助数字化建模软件、信息采集系统、光纤环网,人机交互系统和数据传输系统等,架构了开阳磷矿三维可视化集成平台,实现了设计智能化、监测可视化、设备自动化、生产系统无人化和管控一体化,为深部固体资源安全高效智能化开采与循环利用实践提供参考。

围压卸载下高应力岩石动力扰动的破坏特性(英文)

利用改造后的动?静组合加载SHPB装置,系统研究砂岩预先经三维加载再围压卸载的动?静组合加载的破坏特性。结果表明:采用动?静组合加载,当动载荷较大时,试样整体失稳,应力—应变曲线为典型的I型曲线;随着动载荷的减小,应力—应变曲线逐渐向II型曲线转变,即向岩爆曲线过渡,揭示了高应力下动力扰动诱发岩爆,释放弹性储能的现象。使用高速摄像仪拍摄试样破坏过程,直观反映试样的动态破坏过程。剥落碎片的断口表面形貌特征分析显示,用较低能量冲击时,试样受到张剪性破坏和膨胀性破坏的共同作用;当用较高能量冲击时,试样以膨胀破坏为主。碎块分形结果表明,采用高应力动?静组合加载,当用小能量冲击时,引发弹性储能释放能提高试样的破碎程度。

径向压缩下圆环砂岩样的力学特性研究

为了研究径向压缩下圆环试样孔壁处的应力特征,利用厚度为34 mm,外径为50 mm的完整圆盘及不同内径(8～30 mm)的圆环砂岩试样,在巴西劈裂试验中测量孔壁的应变变化,分析试样的力学特性。试验结果表明:圆环试样的峰值载荷随着内径的增大而逐渐减少。圆盘和内径较小的圆环试样达到峰值载荷时出现了失稳破坏,载荷迅速跌落:当内径大于16 mm,圆环试样达到峰值载荷后,载荷略有下降,但是试样并没有出现失稳破坏,而是持续压缩一定时间后才破裂。圆环最弱部位拉应力不是材料参数,而是一个结构参数,且随圆环内径而变化,基于弹性理论的Hobbs公式不能用于计算岩石抗拉强度。孔壁岩石的破裂只能是达到拉伸变形极限才会破裂,不能以拉伸应力作为破坏指标。研究结果为理解岩石在压拉组合下的力学特征提供了参考。

单轴压缩与劈裂荷载下灰岩声发射b值特性研究

通过开展灰岩巴西劈裂和单轴压缩声发射试验,探讨两种加载方式下岩石破裂声发射b值特性及b值计算影响因素。结果表明,累积计算b值拟合度高,误差较小;步距为5 dB时不同门槛值下b值随时间变化的总体规律基本一致,选择5 dB的步距和40 dB的门槛值计算b值比较合理,能够降低非岩石破裂信号对b值变化的影响。由动态b值的波动程度可以看出,在劈裂荷载下灰岩损伤演化过程可分为3个阶段,即(0~40%)δ_c(δ_c为峰值强度)、(40%~90%)δ_c和(90%~100%)δ_c,而在单轴加载下可分为:(0~80%)δ_c和(80%~100%)δ_c两个阶段,且不同阶段岩石内部损伤的程度不同。在裂纹扩展阶段,相比单轴加载,劈裂荷载下动态b值增加较为稳定,但在整个破坏过程中劈裂荷载下动态b值波动更大,在单轴压缩和劈裂加载方式下b值的大小取决于灰岩破裂面上的结构性质及破裂模式。

福建地区地壳上地幔顶部三维速度结构及构造意义

地壳介质的非均一性对反演上地幔顶部速度和地壳厚度具有重要影响。文中对福建地区地壳上地幔顶部的速度结构进行联合反演,结果显示福建地区地壳浅层主要以高速异常特征为主,与区域内山脉特征相对应,而在中下地壳主要以低速异常为主,区域内速度异常与区域断裂构造密切相关。该结论进一步证实沿政和-大埔断裂带存在低速带,但低速异常主要出现在深20~30km的中下地壳部分,与前人所得的低速异常区相比范围更大,出现深度更深。联合反演结果显示福建陆域地壳厚度为28~35km,地壳在沿海地区偏薄,向内陆逐渐变厚,与接收函数的结果较为一致,且发现沿永安-晋江断裂东侧存在显著的地壳减薄特征。上地幔顶部速度结果显示在政和-大埔断裂带西侧以高速异常为主,在福州盆地及沿海区域表现为低速异常。

液态CO_2相变致裂破岩与炸药破岩综合对比分析

为了降低传统炸药爆破带来的危害,介绍了基于液态二氧化碳相变致裂爆破技术。在液态二氧化碳致裂现场试验和振动监测的基础上,对二氧化碳相变致裂与炸药爆破的破岩机理和引起的爆破振动进行了分析。此外,通过计算比较了两种破岩方式破碎单位体积岩石的气体生成量、气体成分及其对环境的影响。结果表明:液态二氧化碳相变致裂技术能有效提高能量的利用率,且能有效降低爆破震动。破碎单位体积岩石,液态二氧化碳相变致裂技术和传统岩石乳化炸药爆破生成的爆炸气体量分别为0.21 kg和0.202~0.217 kg。液态二氧化碳相变属于物理变化,爆破产物只含无毒的二氧化碳气体,传统岩石乳化炸药爆破属于化学变化,爆炸过程中生成大量CO、NO、NO2、NxOy和硫氧化合物等有毒有害气体。液态二氧化碳相变致裂破岩在环保和减灾方面具有明显的优越性,这为液态二氧化碳相变致裂技术在工程爆破中的推广提供了依据。

用沙坝断层滑移型微震事件群活动特征分析

提出利用空间聚类算法DBSCAN与S波、P波能量比（ES/EP）相结合的方法,识别得到开磷用沙坝矿2014年3—5月IMS微震监测系统数据库中F310断层附近的断层滑移型微震事件群。对微震事件群区域的微震事件活动率与时间分布特征、视体积与施密特数、b等特征进行分析。结果表明：微震事件主要集中在每天的12时到14时,震级大于-0.5级的微震事件主要发生在每天的11时到16时;4月3—10日、5月2—9日和5月16—23日3个时间段内微震事件活动频繁,而且都具有施密特数时间序列曲线斜率增大、累积视体积曲线急剧下降、b出现下降的特性,表明这3个时间段断层区域岩体不稳定,发生危险事故的可能性较大。相比于同等能量的爆破事件,断层滑移型微震事件更能诱发顶板冒落和矿柱坍塌甚至岩爆等灾害,分析其活动特征可为分析断层活动趋势提供有效的预判信息。

深部硬岩截割特性及可截割性改善方法

深部硬岩的截割特性受到岩石特性、截割参数、应力环境等众多因素影响。利用TRW−3000型岩石真三轴电液伺服诱变(扰动)试验系统研究了受限应力条件、截齿加载方式、岩石力学特性、人为诱导缺陷等对硬岩截割特性的影响。研究发现:在单轴受限应力下,随受限应力增大岩石截割由易变难再变易,高单轴受限应力反倒有利于截齿破岩,但当单轴受限应力过高时,截齿破岩扰动易引发岩爆;动静组合破岩时,截齿预静载越大破岩能力越强;随着岩石脆性指数的增大,岩石可截割性先降低后升高;诱导加卸荷损伤、临空面切槽、临空面钻孔等人为诱导缺陷可提高硬岩的可截割性。同时,获得了深部硬岩可截割性改善方法,提出了深部硬岩矿体非爆机械化开采模式。采矿试验证明,开挖诱导巷道致裂矿体形成松动区后利用掘进机破岩和在矿柱底部开挖预切槽后利用高频破碎锤破岩,可将非爆机械化采矿效率从32.6 t/h分别提高到107.7 t/h和158.2 t/h。

张拉作用下岩石破裂的声发射特性及P波初动极性

为深入探讨岩石在张拉作用下破裂的声发射特性,设计了一种膨胀剂扩张破裂的声发射实验,详细分析了花岗岩、大理岩和红砂岩声发射信号的特征参数及P波初动极性.实验结果表明:声发射信号的累积计数和能量在三种岩石试样宏观开裂时均呈指数增长;花岗岩、大理岩和红纱岩试样声发射信号的中心频率分别主要集中在100~300 kHz、200~400 kHz、200~500 kHz;花岗岩低频率事件占比最多,大理岩高频率事件占比较多,而红砂岩高频事件占比最多,三种岩样膨胀力荷载后期低中心频率声发射信号增多,说明大尺度破裂增加;三种岩样声发射信号的RA主要集中在0~1.9之间,大理岩和红砂岩AF值主要集中在50~100 kHz之间,花岗岩AF值主要集中在200~250 kHz之间,RA-AF的分布特性表明,实验中岩样主要以张拉破坏为主;通过P波初动极性分析法,获得各岩样声发射信号的初动极性,结果显示,花岗岩、大理岩和红砂岩分别有77.82%、79.5%和87.42%的T-型破裂源,花岗岩、大理岩几乎不产生S-型破裂源,而红砂岩因为天然节理裂隙较多,有9.93%的S-型破裂源.RA-AF分布分析和p波初动极性分析都是统计分析法,可以定性描述岩石破裂类型.

地下采矿引起地表塌陷机理研究

根据赤峰红岭铅锌矿的地质资料,利用颗粒流程序PFC2D建立了红岭铅锌矿的二维离散元模型,模拟矿体的开挖过程;并通过分析开采过程中的应力和位移演化规律,揭示矿山地表塌陷区的形成机理。模拟结果表明:矿山地表发生塌陷的主要原因是矿区较大水平构造应力的释放,以及采空区未及时回填而使上盘形成悬臂结构;塌陷废石回填了部分采空区,并在一定程度上限制了围岩的水平变形;地表位移的缓慢变形阶段和加速变形阶段的拐点表示围岩塌陷的开始,可作为预测地表塌陷的指标。

大跨度充填体假顶力学模型及稳定性分析

针对内蒙古某铅锌矿人工假顶暴露跨度大的技术特征,建立了大跨度充填体假顶薄板理论模型,得到了四边固支条件下的大跨度假顶应力表达式,确定了大跨度充填体假顶厚度为3.5 m、强度为4.0 MPa;利用经济配筋率理论,确定了大跨度假顶纵筋及横筋直径25 mm、间距140 mm的配筋参数;采用FLAC^(3D)软件分析了矿房和间柱采场充填体假顶应力、位移及塑性区分布情况,探索了大跨度充填体假顶力学演化规律。研究结果表明,大跨度充填体假顶在其自重及上部充填体作用下能处于稳定状态,并在矿山得到成功运用,验证了所留设充填体假顶厚度以及配筋设计的合理性。

埋深对圆形硬岩隧洞板裂破坏特征影响的模拟试验

为了研究埋深对圆形隧洞诱发板裂破坏的影响,对含圆形孔洞的立方体红砂岩试样进行了一系列的真三轴压缩试验,并采用自制的微型视频监测设备对孔洞洞壁破坏过程进行了实时监测和记录,得到了不同初始埋深(500、1000和1500 m)圆形隧洞的竖直应力调整过程中洞壁破坏完整演化过程。结果表明:隧洞洞壁在发生应变型岩爆之前,均形成了板裂破坏,并最终形成V-型槽。隧洞初始破坏所需的远场主应力与深度线性正相关。随着深度的增加,隧洞洞壁初始破坏所需的应力明显增大,板裂破坏变得越剧烈,岩片的尺寸和质量、V-型槽的深度和宽度均增大,破坏区的范围逐渐由隧洞洞壁局部扩大至整个洞壁。因此,随着深度的增加,隧洞支护区域应相应增大,以防止板裂破坏的发生。