采空区系统失稳灾变链式效应机理及特性研究

以矿山采空区为研究对象,引入系统理论,建立了采空区系统模型。基于链式结构理论体系,对采空区失稳灾变的内在演化规律及特性进行了深入研究,建立了采空区失稳灾变链式框架图,划分了失稳灾变链式演化阶段,并基于非线性动力学理论建立了系统失稳的能量判据。研究表明,采空区并不是孤立的,而是与其赋存环境构成了一个开放式系统。采空区系统的失稳灾变具有支干流域-周期循环-冒落劈裂复合链式特征。采空区系统失稳灾变链式演化经历了早中晚3个阶段,并伴随着能量"一涨一落"式的发展及内部节理裂隙的闭合、扩展、贯通及破裂的演化过程。从系统理论角度入手,初步形成采空区失稳灾变链式理论,为更有效地控制矿山采空区稳定性提供了新的理论基础。

考虑水平荷载的采空区群系统灾变失稳模型

为了研究采空区群系统的灾变失稳,将顶板简化为弹性薄板,矿柱简化为在长期荷载作用下会产生蠕变损伤的Poynting-Thomson体,考虑水平荷载和竖直荷载的共同作用,结合流变理论和燕尾突变建立采空区群顶板—矿柱系统灾变失稳模型。计算出模型突变时顶板中心的下沉量,矿柱有效支撑面积与顶板面积的比值,以及模型从开始到发生突变的时间,以广西盘龙铅锌矿为工程实例进行验证,得出盘龙矿采空区群系统的稳定时间与实际情况相符,验证了该模型的可靠性和实用性。同时,研究了各影响因素对采空区群系统稳定性的影响,为采空区群系统稳定性分析提供了新思路和新方法。

岩体工程失稳的塑性能突变判据及其应用

岩体工程失稳形式的判定是近年来岩石工程界关心的一个重要问题。在总结前人研究的基础上,根据能量耗散原理、突变理论,提出了岩体工程灾变失稳的塑性能突变判据,并应用于金川二矿水平矿层的稳定性判定,结合水平矿层的现场工程地质调查和声波探测结果,得出结论:水平矿层现已遭受新的破坏,处于峰值强度后的破裂状态,水平矿层在开采过程中不会发生突然性的灾变失稳。

节理倾角对巷道围岩的劣化效应及围岩分区域控制研究

为解决节理发育巷道围岩控制难题,采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法,研究节理倾角对巷道围岩的劣化效应,分析节理发育大断面回采巷道围岩的变形特征和发展规律。研究结果表明:节理弱化了岩体强度,使岩体呈现各向异性,节理发育巷道围岩呈现碎块化、低承载力和弱稳定性;小节理角度(0°~45°)发育的岩体在载荷作用下节理扩展成拉裂纹,后发生张拉破裂、翻转转动,岩体呈现显著的拉及拉剪混合破坏,使得矿山巷道岩体灾变失稳。提出了节理发育围岩分区域控制原则,以及以围岩改性加固、锚网索联合支护为主的控制技术,实测巷道顶板最大下沉量为120 mm,两帮最大移近量为90 mm,巷道变形量较小,节理发育的巷道围岩变形得到了有效控制。