非线性块系岩体动力响应及在巷道防冲支护中的应用

随着煤矿开采深度的增加,冲击地压灾害日趋严重,亟需采用新方法、新理论加以防治.摆型波是在深部岩体工程中发现的新型非线性波,其使岩体出现相对分离和相对压实的不同运动状态,与冲击地压灾害的发生密切相关.针对岩体中软弱结构层的非线性变形特征,引入双曲线模型建立块系岩体中摆型波传播的非线性动力模型,研究软弱层的物理力学性质(最大闭合量、初始刚度和阻尼)对块系岩体动力响应的影响.进一步,基于块系围岩与支护系统互馈作用的理论模型,在无初始地应力和考虑初始地应力的情况下研究巷道支护系统的刚度、让位能力和阻尼耗能作用对巷道顶板动力响应的影响,分析支护系统的受力情况,为新型防冲吸能巷道液压支架设备的吸能让位行为提供理论依据.研究结果表明:基于双曲线模型建立的块系岩体的非线性动力模型能够限制岩块间软弱层的最大变形量.冲击载荷越大,增大软弱层最大闭合量时岩块的加速度降低程度越显著.增加支护系统刚度,增强支护系统让位能力和阻尼耗能能力,均可有效降低巷道顶板的加速度幅值,减轻巷道围岩对支护系统的冲击力,有效保护巷道结构.

基于改进L-P法的块系岩体摆型波与准共振机理分析

块系岩体中摆型波具有非线性特征,导致难以解释其频谱特征及准共振现象机理。针对此问题,建立了考虑三次项的摆型波非线性振动模型,利用改进的L-P法与振型叠加法,求得多自由度强非线性振动的近似解析解,一定程度上解释了试验观测到块系岩体摆型波的非线性现象机理。结果表明,块体系统振动频率可表示为输入能量的高次多项式,随能量增大振动频率呈非单调变化;各谐振频率之间的比例与系统构造有关,近似满足√2的整数倍比例关系。通过建立摆型波的层次构造模型,得出准共振是摆型波在不同尺度块体之间跃迁的标志。

深部块系岩体摆型波现象的研究进展

深部岩体具有独特的自应力块系等级构造特性,摆型波(μ波)现象是深部块系岩体特有的动力特征科学现象之一,集中反映了深部块系岩体非协调、非连续的动力学特性.摆型波是一种不同于传统纵波和横波的新型非线性弹性低频低速变位波,可以直接引发深部岩体岩爆和冲击地压等地质灾害,且无法用经典连续介质力学圆满解释.本文介绍了国内外对摆型波现象的实验和理论研究进展,归纳出摆型波的主要特征参数及其变化规律,并指出该领域的重点研究方向.

块系岩体动力特性理论与实验对比分析

由于深部岩体存在构造等级现象,因而使作为岩石力学分析基础的连续介质力学缺乏依据。超低摩擦实验效应则集中反映块系岩体动力特性的机制,对超低摩擦实验现象的解释与验证非常重要。首先通过对超低摩擦实验现象的描述及数据的整理归纳出规律,然后建立块系岩体动力模型并进行理论分析及数值计算来验证超低摩擦效应,揭示出产生这一效应的根本原因在于法向力的重分布以及动摩擦因数的变化,而且实验现象与数值计算在趋势上是一致的。在具有构造等级的深部岩体介质的变形过程中,储能及返还性状与介质变形的摩擦因数有关。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点,围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征,提出深部岩体的构造、变形与破坏需要研究的科学问题。

一维块系地质块体波动特性的试验和理论研究

深部岩体具有块系等级构造特性,俄罗斯深部矿山原位量测得到的摆型波(μ波)产生于动力冲击作用下(如深部地震、岩爆和封闭核爆等)块系岩体的运动,是一种不同于传统纵波和横波的新型非线性弹性波。为了证明μ波的存在,并对块系块体介质中应力波传播特性及块体材料、尺寸和结构形式的影响进行研究,利用自主研发的深部岩体动态特性试验系统,分别对6种具有不同特征尺寸的花岗岩和水泥砂浆块系块体模型和连续块体模型进行一维低速冲击试验。试验表明:对于两种结构形式的介质,一维冲击作用下,块体(测点)三向加速度幅值均随冲击能量提高近似线性增加。对于块系块体介质,块体三向加速度幅值随块体个数增加呈一阶指数衰减,并且衰减系数与冲击能量无关;冲击能量仅仅改变加速度波谱密度幅值,而对三向振动极值频率没有影响,并且块体越多,能量越大,块体振动波谱趋于低频波的趋势越强;通过对比试验结果和原位量测结论(关于μ波无量纲冲击能量判据,波速和振幅,波谱峰值频率等),证明了块系介质中出现的低频低速波就是μ波;通过对5种块系块体模型三向加速度频谱进行分析,证明其振动极值频率满足定量的规范序列关系(2^(1/2))i f 0,推广了原位测量试验结论。并且上述规律中,块体材料和尺寸效应不明显,而对于连续块体介质上述规律均不成立。最后,分别采用黏弹性夹层和刚性块体、集中质点以及弹性块体三种理论计算模型对冲击作用下块系块体运动参数进行分析,计算结果和试验曲线吻合较好,并讨论了夹层参数的敏感性。

基于二维数字图像相关技术的块系花岗岩超低摩擦效应实验研究

基于国内外超低摩擦效应的实验研究现状,设计了块系花岗岩超低摩擦效应模拟实验。制作了中心含圆柱形洞室的花岗岩立方体模型试样,运用自主研发的实验设备研究了在静荷载的基础之上施加动态荷载后块系花岗岩的变化特征。实验过程中采用二维数字图像相关测试方法(2D-DIC),获得了试件表面的全场位移信息,依据位移信息求出块体加速度值,利用牛顿第二定律对试件受力分析,求得了块系岩体摩擦力随时间的变化曲线。结果表明:2D-DIC测试技术能够准确的测得石块的位移变化,依据位移变化可以证实伴随着水平向扰动荷载作用,洞口上方岩块左右两侧节理间隙逐步增大,岩块间的摩擦力降低,且摩擦力的变化周期与扰动荷载的周期相同;利用2D-DIC测试技术是有效的,从实验的角度验证了超低摩擦效应的存在。

冲击载荷下块系岩体摆型波传播特性的试验研究

摆型波现象是深部开采中块系岩体固有的动力学特征之一。为研究深部块系岩体摆型波传播规律,采用理论分析与室内试验相结合的方法,研究了在冲击载荷作用下摆型波的传播特性。该试验采用12块花岗岩和橡胶夹层材料建立了模型,采用TST5915动态数据采集系统进行信号监测,分别获得了在均质夹层和部分夹层介质增厚情况下的加速度响应曲线,并运用摆型波动力模型理论进行分析。结果表明,摆型波在块体间传播过程中,频率大小不受能量大小的影响,而能量大小决定了波的衰减时间。当块体间介质黏性增加时,加速度幅值均有所下降,但对加速度衰减周期没有影响,而影响加速度衰减的主要因素是冲击载荷的能量大小。此次试验研究将为今后进一步研究摆型波动力传播特性提供一定的基础。

块系岩体间黏弹性性质对摆型波传播的影响

基于深部非连续自应力等级块系岩体构造理论,研究冲击载荷在块系岩体中以摆型波形式传播时岩块间黏弹性性质对摆型波传播的影响。当岩块间具有五种不同黏弹性性质时,通过对块系岩体的始端和末端区域中间岩块加速度响应计算及各岩块加速度正负摆幅幅值分析可知:岩块间黏性变化时,对岩块加速度衰减周期没有影响,但黏性增大时各岩块正负摆幅下降幅度比黏性周期增大时大;岩块间弹性变化时岩块加速度衰减周期均发生变化,但弹性减小时正负摆幅值向平衡位置平移,弹性周期减小时块系岩体的前半部分岩块正负摆幅曲线均出现波动且负摆波动较大,岩块间弹性梯级增大时,岩块加速度迅速衰减,同时各岩块加速度的正负摆幅曲线在初始端区域出现波动。

深部块系岩体超低摩擦现象的机理分析

不规则超低摩擦现象是深部块系岩体典型动力学特征现象之一,集中反映了深部块系岩体非协调、非连续的动力学特性。基于俄罗斯Kurlenya M V院士的深部岩体超低摩擦实验建立了深部块系岩体一维动力模型,得出了工作块体水平位移的解析表达式。研究结果表明,一维动力模型理论计算结果与实验数据吻合较好,进一步揭示了深部岩体不规则超低摩擦现象产生的力学条件为分别作用于块系和工作块体上的竖向和水平冲击的时间间隔满足倍数为2的规范序列,指出超低摩擦现象产生机理在于强动载作用下块体间法向力重分布和动摩擦系数不断变化的共同作用,同时说明超低摩擦现象出现的离散周期和低频低速变位摆型波频谱具有密切联系。

摆型波传播过程块系岩体能量传递规律研究

深部岩体工程存在一种特殊的岩体动力现象即摆型波传播现象,摆型波在岩体中低频低速传播并伴随着较大的岩体能量传递。针对摆型波传播过程块系岩体的能量传递规律,基于深部岩体的非连续自平衡应力等级块系构造理论,研究摆型波传播过程块系岩体中岩块与其周围软弱介质之间的能量转化规律,分析自应力块系岩体中的能量传递规律。经分析得到:摆型波传播过程块系岩体的能量转化表现为岩块的动能和其周围软弱介质的势能之间存在相互转化,动能和势能在相互转化过程中不断向前传递,给出块系岩体能量传递与转化的表达式,并通过计算分析得到块系岩体局部区域能量变化呈现周期递减规律以及整个块系岩体的动能和势能变化符合指数耗散规律。

块系覆岩中摆型波传播对巷道支护动力响应影响

为研究支护体自身的动力响应规律,通过理论和计算分析岩体中的非线性摆型波传播对巷道支护动力响应的影响,根据摆型波在非连续自应力块系上覆岩体中传播时的支护动力响应模型,研究上覆岩块间的黏弹性性质及岩块破坏对支护动力响应的影响。通过计算分析得出,上覆岩块间弹性下降时,支护的动态受拉和受压幅值随之下降且周期变大;上覆岩块间阻尼增大时,支护的受拉和受压周期不变,但周期内的微扰动逐渐消失且幅值略有下降;上覆岩块沿垂直冲击方向破裂成两个子块时,支护的受拉和受压次数增加。

考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质超低摩擦效应理论分析

深部开采条件下,岩体块系介质超低摩擦效应与深部岩体动力灾害密切相关。基于我国矿山深部开采的实际情况,建立了法向荷载冲击作用下,考虑上覆岩层压力的深部岩体块系介质模型,理论推导了含岩层深度参数h的块体运动函数和位移时间函数的解析表达式,据此给出了地下800m煤系地层,岩体超低摩擦效应发生的最大载荷降速率为1.06×105N/s,岩体法向荷载波动周期为0.1 s。研究结果表明:随着岩体法向荷载的显著波动,岩体相对压紧程度趋于减弱,岩体超低摩擦效应易于触发,载荷降速率急剧增大,这可以作为岩体超低摩擦效应的重要表征指标之一。

基于竖向位移差的块系岩体超低摩擦效应理论分析

深部块系岩体在强冲击扰动下其相对压紧程度会随时间变化,引起超低摩擦效应,而块体间竖向位移差是表征块体间相对压紧程度的直观指标。以块系岩体为研究对象,建立了考虑上覆岩层压力的岩体动力模型,推导得出垂直冲击作用下新的块体间竖向位移差公式并与试验结果进行了对比,验证了理论公式的正确性。最后分析了块体间阻尼、块体质量、垂直冲击幅值和频率等影响因素对相邻两块体间竖向位移差影响规律并以其最小值变化判断超低摩擦效应发生难易程度。竖向位移差最小值越小,超低摩擦效应愈趋显著。研究表明:块体模型受垂直冲击扰动作用时,块体在时间尺度上依次发生强迫振动和自由振动,而其运动过程按竖向位移差变化可分为超强挤压、强挤压、弱挤压和相互脱离4个阶段,相互脱离阶段和弱挤压阶段是超低摩擦效应易发阶段;块体质量、结构面阻尼变化对竖向位移差幅值及周期有明显影响,块体间竖向位移差最小值随块体质量增加以对数规律递增、随块体间结构面阻尼增加以线性规律递增;块体质量和结构面阻尼越小,超低摩擦效应更易发生。垂直冲击频率和幅值亦对块体间竖向位移差影响显著,竖向位移差最小值随垂直冲击载荷幅值增加而线性递减,随垂直冲击频率增加以对数规律递增,即低频、强冲击扰动更易诱发超低摩擦型冲击地压。

动静组合加载作用下块系岩体动力响应分析

深部复杂地质条件下,煤岩破碎更趋呈块系岩体,在动载作用下易于产生超低摩擦效应并失稳诱发煤岩动力灾害。采用FLAC-3D软件模拟块系岩体在垂直冲击载荷和水平静力共同作用下的动力响应,深入分析块系岩体超低摩擦效应发生机理,得到垂直冲击载荷和水平静力共同作用对工作块体位移和应力的影响规律,确定了块系岩体产生残余位移和超低摩擦效应的水平静力特征值条件。研究结果表明:仅垂直冲击载荷作用时,冲击载荷作用强度对残余位移影响并不明显;垂直冲击载荷和水平静力共同作用下,水平静力与残余位移曲线呈半抛物线关系;不同垂直冲击载荷作用下,产生残余位移的突变点不同,且当施加的水平静力处于不同特征值区间时,工作块体运动状态随之不同。

摆型波传播过程块系岩体频域响应反演岩块间黏弹性性质

基于深部非连续自应力等级块系岩体构造理论,研究在冲击扰动下块系岩体中岩块加速度的频域响应反演岩块间黏弹性性质。将块系岩体划分成3个区域,即初始区域,中间区域和末端区域,分别研究各区域中间块体加速度的频域特性,通过不同区域内块体加速度频域响应的综合特性反演岩块间的5种黏弹性性质变化。通过研究发现:各区域中间块体的频带范围依次减小对应着块体间黏性同时增大;各区域中间块体频带范围几乎没有变化对应着块体间黏性周期性变化;各区域中间块体高频谐波部分向低频平移对应着各块体间弹性同时减小;仅末端区域中间块体的高频谐波部分向低频平移对应着各块体间弹性周期性变化;各区域中间块体的频域曲线简单光滑,且近似对称单调变化对应着块体间弹性阶梯性增大。同时,给出块体间具有5种黏弹性性质时各区域中间块体加速度频域响应的中心频率及中心频带宽度数值特征。

块系岩体非协调动力响应特征试验研究

岩体在块系构造状态下的动力传播存在块体和块体间软弱介质的非协调变形现象,对岩体结构的动力稳定产生重要影响。目前块系岩体的非协调动力传播响应研究尚不充分,导致不能进行有效的动力响应特征识别。通过试验对块系岩体非协调动力传播过程岩块动力响应特征进行研究,分别从动力传播速度、岩块加速度振幅衰减、岩块振动位移响应、岩块振动持续时间、块体动能显现、块体振动频域响应特性等方面对比纵波传播,给出块系岩体非协调动力传播的特征分析。通过分析可知,块系介质非协调变形运动产生的动力传播现象相比于纵波传播是一种低频低速波,并伴随着岩块的大位移运动,同时岩块振动持续时间较长,蕴含着动能与势能的相互转换过程,这些现象构成了块系岩体非协调动力传播的重要特征。该研究将为识别岩体非协调动力传播特征及块系岩体的冲击预警波动特征识别提供参考。

深部巷道块系围岩分析模型及稳定性探讨

深部岩体具有典型的不均匀、不连续的自应力块系等级构造结构。由于浅部巷道围岩应力场分析是基于连续介质力学理论,没有考虑岩体的块体特性,因而无法应用于深部巷道块系围岩的应力场分析。考虑到深部巷道块系围岩破坏类型主要表现为峰后岩块沿软弱接触面的剪切滑移破坏,通过建立深部巷道的平面应变块系围岩模型,得到了轴对称条件下岩块相互作用的解析解;分别假设岩块之间的接触满足刚塑性和Mohr-Coulomb屈服条件,推导得出上述两种屈服条件下的块系围岩模型和连续介质模型的围岩支护力的计算公式。对比分析表明:围岩块体构造特性对深部巷道施工和承载力设计计算有重要的影响;通过假设块体间剪应力与剪切滑移满足分段线性关系,得到了块系围岩径向位移,剪应力和剪切滑移量的解析表达式,引入无量纲化的深部巷道块系围岩稳定性参数λ,并得出当λ<1时块系围岩是稳定的,当λ>1时块系围岩是不稳定的。

岩块间软弱介质对块系岩体摆型波传播影响试验研究

块系岩体由岩块及岩块间软弱介质组成,块系岩体中存在一种非线性摆型波动力传播现象。摆型波在块系岩体中低频低速大摆幅传播,其中岩块间软弱介质是影响摆型波动力传播特性的重要因素。基于块系岩体摆型波动力传播试验模型,分析在一定冲击能量作用下岩块间软弱介质弹模及厚度对块系岩体摆型波动力传播的影响。从波动传播速度、块体加速度、动能、位移的时域和频域响应等方面进行分析。结果表明:当岩块间软弱介质弹模较大时摆型波传播速度较快,块体加速度及动能幅值较大,但位移幅值有所降低,加速度信号响应时宽明显变小,同时在摆型波传播过程中块体加速度、动能和位移的最大值衰减率均明显提高,而随着夹层弹模的增大两测点加速度频域响应带宽、中心频率及最值频率都随之增大,块体振动频率升高;岩块间软弱介质越厚摆型波传播速度越慢,同时块体动能及位移幅值增大,加速度信号时宽呈增大趋势,动能及位移的衰减更明显,加速度衰减率有小幅增加,加速度频域响应带宽及中心频率均随之减小,块体振动频率有所下降。综合软弱介质弹模和厚度两个因素当岩块间弱介质弹模下降或厚度增大时摆型波低频低速传播特性将表现得更为突出,该文章的研究将对块系岩体动力响应特征分析及岩体工程波动监测提供参考。

东胜断块系与东胜式铅锌矿床

辽东早元古宙拗拉槽中的铅锌矿床,可划分为层状矿床和脉状矿床两大类。本文论述了后一种类型的典型代表——东胜式铅锌矿床的控矿因素和矿床特征。依据大量地质事实,作者认为:东胜式铅锌矿床的控矿构造是与基底花岗岩活动密切相关的中生代半地堑系;矿质来源于地壳深部液态矿源层;中生代岩浆活动是矿液上升的热动力。综合这三大因素,建立了东胜式矿床的成矿模式。由此,期望对进一步找矿能有一定的指导意义。

深部岩体块系摩擦减弱效应试验

为了研究深部岩体在冲击作用下的力学特性,用深部岩体动态特性多功能试验系统对块系岩石在垂直冲击载和水平拉力作用下的动态特性进行了试验研究,通过试验,明确了冲击载、水平静力和摩擦力之间存在的相互联系,建立了冲击能与特征摩擦力、冲击能与摩擦减弱系数的函数关系,确定了产生摩擦减弱效应和超低摩擦效应的特征值条件。结论表明:在垂直冲击能和水平静力共同作用时,水平静力与余留位移的关系呈抛物线状,而且抛物线会出现一个余留位移的突变,突变后余留位移的增大明显加快。