马坑铁矿大直径深孔采场开采扰动效应数值模拟研究

由于岩体的非均质性、各向异性和采场布置方式存在差异,采场稳定性将根据采空区空间形态、位置分布的差异及应力重新分布而出现不同程度的失稳现象。为提高生产安全保障,实现高效稳定生产,对马坑铁矿西区60-1R第一单元矿房大孔爆破开采稳定性及扰动影响效应进行了数值模拟研究,分析开采过程对采场顶板及其边帮围岩强度薄弱区、次生应力、塑性区及破坏接近区分布的影响,结果表明:大孔爆破开采对采场侧帮、顶板扰动影响较大,竖直方向的损伤为1.8 m,侧帮普遍出现条形塑性区分布,水平方向的损伤约为2~3m。研究揭示了大孔爆破与地压显现、围岩变形规律内在关联,并给出了开采方案的优化建议。研究成果可为开采过程中预防可能出现的不良安全风险等提供有效指导。

RRTS–II型岩石流变扰动效应试验仪

深井软岩条件下扰动荷载会引起围岩流变变形,研制岩石流变扰动效应试验仪并进行试验,是建立巷道围岩本构关系的前提。试验仪应能对岩石试样施加长期恒定的轴压和围压,可以施加扰动荷载,并能测试扰动荷载及其引起的岩石变形量。为此研发的RRTS–II型岩石流变扰动效应试验仪,轴向荷载采用重力加载,适用于长期流变试验;加载采用齿轮与液压2级扩力,压力可达到100MPa,扩力比可达60～100倍;能够施加冲击与爆破2种扰动荷载,使用爆破振动记录仪测试扰动荷载强度,测量精度可达到0.015mm/s;配有三轴压力室,使用高压气体储能器提供围压,压力可达10MPa;并配备有荷载、位移、应变和振动测试系统及相应的数据处理软件。该试验仪适用于单轴和低围压三轴压缩蠕变扰动效应试验,试验结果表明,试验仪结构合理,性能稳定,精确度较高。

岩石流变扰动效应试验及其本构关系研究

深井软岩条件下的巷道围岩流变变形较大,且对扰动作用十分敏感,由扰动作用引起的变形不可忽略。提出岩石强度极限邻域、岩石流变扰动效应等岩石力学新概念,得出岩石处于强度极限邻域范围内时,扰动效应具有显著作用。研制岩石流变扰动效应试验仪,进行岩石流变及其扰动效应试验。试验测试岩石在其强度极限邻域内的恒定轴向荷载作用下,对岩石试件进行扰动荷载冲击扰动,得出不同蠕变阶段具有的扰动效应,绘制不同蠕变阶段的扰动次数–累积变形曲线。根据试验成果,分析岩石蠕变扰动效应的影响因素,建立蠕变不同阶段扰动作用条件下在的岩石本构方程。

临近巷道掘进扰动效应下巷道变形监测分析

对淮南朱集矿轨道巷进行两帮收敛、拱顶沉降、底臌和锚索拉力的现场监测,基于监测结果,阐明轨道巷在相邻的胶带巷和回风巷扰动影响下围岩变形和锚索拉力的变化趋势。监测结果表明:轨道巷围岩受到了回风巷和胶带巷的扰动;变形经历较长时间后达到稳定,且底臌值大于两帮收敛和拱顶沉降;胶带巷和回风巷对轨道巷的扰动影响程度和巷道群的空间布置相关,在巷道间距大于5倍硐径情况下扰动仍然存在,而且扰动影响不是突变性的,具有时空效应。

流变扰动效应引起围岩应力场演变规律分析

阐述了岩石强度极限邻域等岩石力学新概念,分析了岩石流变扰动效应机理,建立了岩石多次受到扰动后的累积变形量的本构方程,根据建立的本构方程,结合岩石流变及其扰动效应试验成果,建立了第三蠕变阶段横向扰动变形与扰动次数关系方程,结合典型软岩工程——龙口海域巷道实际地质资料,提出了围岩应力场峰值点转移判别标准,得出了当相邻巷道爆破施工时,爆破扰动导致的围岩应力场演变规律。

断层力学参数反演及其对地应力场扰动效应研究

鉴于断层的力学参数的难以确定性,将断层简化为均质连续体,基于现场地应力实测资料,结合正交设计理论及人工神经网络的非线性反演方法对断层的力学参数进行反演,并对断层对应力场的扰动效应进行研究。研究结果表明,断层内部及附近区域有明显的应力分异现象,这种应力分异现象与断层的几何构造有关;在断层内及其附近区域最大水平主应力方位与断层走向基本平行,而断层尖灭处最大水平主应力方位与断层走向呈大角度相交。

岩石流变扰动效应三轴试验系统

深井软岩巷道围岩易发生流变变形,且对外界扰动极为敏感,为研究岩石在不同流变状态下受外加扰动影响变形规律,在以往两种型号流变仪的基础上,研发出了RRTS-Ⅲ型岩石流变扰动效应三轴试验系统,流变仪主机提供了长期稳定的轴向压力,采用齿轮和液压两级扩力结构,扩力比达1∶100;注油式三轴压力室提供了长期稳定的围压,结构采用油气隔离的设计原理,液压泵能够最大提供50 MPa压力,精度为0.1 MPa;改进后的冲击扰动加载装置可操作性高,依据冲击作用原理设计出了IEPE动态力传感器,量程0~10 000 N,灵敏度0.497 mV/N,能够精确测量单次实际冲击扰动荷载大小;配备自动监测系统包括荷载、位移、应变和振动4种数据采集仪及处理软件。运用岩石流变扰动效应三轴试验系统初步进行了单轴流变扰动试验及三轴流变试验,其试验过程操作简便,数据结果可靠性较高。

岩石流变扰动效应三轴压缩试验研究

为了研究三向应力状态下扰动荷载引起的围岩流变变形规律,在岩石流变扰动效应单轴压缩试验研究的基础上,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统,选取红砂岩进行流变扰动效应三轴压缩试验,分析不同应力状态下流变扰动变形规律。试验结果表明:随着围压增大,各级流变变形量有所下降,长期强度增大,流变变形破坏滞后,破坏变形量有所增加;在进入扰动敏感区后,流变变形速率增大,变形不可恢复。最后,根据试验结果得出不同应力状态下岩石累计扰动变形量与累计扰动能量之间的本构方程。

沿江地铁盾构隧道掘进施工的地层扰动效应研究

盾构隧道掘进施工的地层扰动效应及其周边环境影响,一直是学界和业界关注的热点问题。依托福州地铁5号线农洪区间隧道工程,考虑刀盘顶推力、刀盘摩阻力、盾壳摩擦力和同步注浆压力,对其掘进施工过程展开精细化数值模拟,分析沿江不对称地形条件下盾构隧道掘进施工的地层扰动效应。研究结果表明:地表沉降沿进深方向整体呈S形,沿横断面方向呈沿江侧大于背江侧的不对称分布(偏度系数为-0.257);掌子面后方地表沉降基本稳定时,隧道轴线处的最大地表沉降为11.7 mm;受同步注浆影响,隧道两侧土体均发生远离轴线方向的水平位移,且沿江侧略大于背江侧,其最大水平位移为14.6 mm。实测地表沉降数据与数值模拟结果较为吻合,同时引入沉降槽宽度修正系数α,提出沿江不对称地形条件下的修正Peck公式,可为类似条件下的盾构隧道施工提供借鉴。

煤矿深井马头门施工扰动效应及其控制对策

针对煤矿深井马头门围岩稳定性控制的技术难题,进行了施工扰动效应和控制对策研究。建立了深井马头门施工过程的三维计算模型,通过分5个阶段的开挖和支护全过程模拟,得到了马头门施工过程的围岩应力和变形特性,揭示了马头门施工过程的扰动效应。通过对马头门施工优化方案模拟分析,结果表明与常规施工工艺相比围岩中第一主应力降低了26.3%左右,显著减小了后续施工对第一浇筑段与相连井壁处的扰动影响。并提出在前、后二次施工的关键部位钻一排密集深钻孔,使后续施工的扰动影响通过密集深钻孔而隔离和衰减,减小对已支护马头门和邻近井壁的扰动影响。

红树植物半人工小群落的生态学研究──直接引进的乔木种群对原灌木群落及其种群的扰动效应

采用现代的灰关联分析和关联极性分析与传统的方差分析和多重检验相结合的方法，深入地研究了４个红树植物乔木种群被人工引入一个次生灌木群落后对原群落及其种群的扰动效应，扰动性质、强度和机制，揭示了原群落中的两个灌木种群受扰动后表现出来的生态学特性。据此，为改造与此同类的红树林灌木群落及利用种群对种群进行生物控制提供指导。

高原鼢鼠对若尔盖高原湿地草原植物群落的扰动效应

高寒草甸是若尔盖高原湿地最主要的牧场资源,高原鼢鼠是当地最主要的鼠类之一,其扰动行为(采食、储食和掘洞)会破坏植物,扰动土壤,形成异质性微生境,从而影响植物群落.于2016年夏季采用植物样方调查法收集该地区高原鼢鼠扰动区域与无扰动对照区域的植物群落特征数据,结果表明:扰动区域共采集到植物24科80种,无扰动区域采集到16科60种,高原鼢鼠扰动后植物群落Shannon-Wiener指数和丰富度指数(R)均有所上升,而Simpson指数和Pielou均匀度指数无明显变化.同时,相对于无扰动区域而言,扰动区域优质牧草比例下降6.75%,杂草类比例上升6.25%.量化研究高原鼢鼠对若尔盖高原湿地草原植物群落动态的扰动效应,可为该地区草地退化治理、可持续利用提供理论依据.

RRTS-Ⅳ型岩石流变扰动效应试验系统

深部煤炭资源开采面临着高地应和强扰动等问题,进行岩石流变扰动效应的相关研究是解决问题的关键。为了进一步深入研究岩石流变扰动效应,根据试验需求和以往试验系统的不足,研制了RRTS-Ⅳ型岩石流变扰动效应试验系统,该系统主要包括试验仪主机、扰动加载装置、逐级加载辅助装置及测试分析系统4部分。其中,试验仪主机应用杠杆原理,采用两级杠杆扩力,扩力比为1∶100,可为试验提供长期而稳定的轴压;扰动加载装置采用弹簧和行程开关的组合设计,缩减了约1/2的冲击砝码随机往复振荡时间,使获得的试验数据更加准确;逐级加载辅助装置应用定滑轮与吊桶的组合设计,帮助试验仪实现低等级连续缓慢的逐级加载功能,为试验提供必要条件;测试分析系统由动态测试信号分析系统和各类型传感器组成,可对应力、应变、冲击扰动进行动态监测。通过岩石单轴流变及其扰动效应试验验证了RRTS-Ⅳ型试验系统性能。试验结果表明,应用RRTS-Ⅳ型试验系统取得的试验结果符合前人的理论和研究成果,且性能优于以往试验系统。RRTS-Ⅳ型试验系统适用于岩石流变及其扰动效应相关试验研究。

富水软岩流变扰动效应实验及本构模型研究

动力扰动下的深部富水软岩巷道流变变形量大,变形速率快是导致巷道支护困难和发生蠕变型冲击地压的主要原因。为了研究富水软岩在动力扰动下蠕变特性及本构模型,采用自主研发的岩石流变扰动效应实验仪对不同含水率软岩进行分级加载流变扰动效应试验,实验结果表明:施加扰动的瞬间软岩都会出现变形突然增大,随后该变形值会有不同程度的回弹,最后在此基础上变形持续发展;当应力水平较小和含水率不高的情况下,扰动变形速率随着扰动能量的增加而缓慢增大,而当应力水平较高和含水率较大时,扰动变形速率随着扰动能量的增加快速增大,使岩石试件迅速破坏;推导了扰动能量的扰动状态方程,在此基础上建立了富水软岩流变扰动效应本构模型,并对参数进行识别与验证;模型拟合曲线与实验值吻合效果良好,验证所建模型可正确描述动力扰动下富水软岩蠕变特性,该成果可为今后展开此类问题的研究提供一定的参考。

露天矿开采扰动效应:概念、特征与评价指标体系框架!

针对露天开采过程中必然伴随产生一系列环境与生态问题的特点,提出了露天矿开采扰动效应量化及评价的理念,全面阐述了露天矿开采扰动指数的内涵及其基本特征。露天矿开采扰动指数是综合考虑生态破坏及修复、开采技术及工艺优化、耗能结构优化、采复一体化、污染物排放及治理、生产组织管理等方面的因素,应用多学科理论解决资源赋存条件、开采技术条件、地域、煤种、污染物种类等的差异性问题,最终以-100^+100之间的数值评价或预测露天矿开采扰动效应的时空变化情况的综合性指标。研究了构建评价指标体系的基本原则并提出了指标体系的基本框架,共包括2大类23个评价指标,提出了露天矿开采扰动指数的综合合成方法。

分数导数描述的层状饱和土中考虑扰动效应的直桩垂直阻抗

为了计算考虑施工扰动效应的单桩垂直阻抗,基于饱和多孔介质理论及分数导数理论对地基的复刚度传递多圈层平面应变模型进行改进,计算了径向非均质的桩周饱和土对桩身的垂直动刚度。其次基于Rayleigh-Love杆模型建立了考虑桩段横向振动效应的轴向振动微分方程,并利用传递矩阵法求解得到了层状饱和土中考虑土体扰动效应的桩顶垂直阻抗的半解析解。对考虑桩周土扰动效应下桩顶垂直阻抗的影响因素进行了参数化分析,研究表明:①桩顶垂直阻抗的共振峰值会随着分数导数阶数的增大而减小,并且该效应会随着外荷载激振频率的增大而越发明显;②对于如砂砾、粗砂、细砂等渗透系数较大的饱和土应考虑土体中流体惯性效应对桩顶垂直阻抗的影响;③与地基表层覆盖软土相比,表层覆盖硬土能在外激振荷载较低时提高桩顶的动刚度系数,在高频时降低系统的共振效应。

蠕变扰动效应下红砂岩强度极限邻域试验研究

为得到更合适的强度极限邻域及其划分依据,以红砂岩为研究对象,应用自主研发的RRTSIV型岩石蠕变扰动效应试验系统及动态测试分析系统,通过岩石蠕变及其扰动效应下单轴压缩试验,结合理论分析,开展红砂岩强度极限邻域及其划分依据相关研究。依据试验结果,首先从分级加载蠕变曲线和应力应变等时曲线2个方面分析了横向蠕变和轴向蠕变所确定长期强度的差异性;然后从瞬时扰动变形量和残余扰动变形量转化规律2个方面对岩石横向蠕变和轴向蠕变所确定的强度极限邻域进行了对比研究;最后通过综合分析得到合适的强度极限邻域及其划分依据。研究结果表明:相对于瞬时扰动变形量,以残余扰动变形量转化规律确定强度极限邻域更合适;相对于轴向蠕变残余扰动变形量转化规律,以横向蠕变残余扰动变形量转化规律确定强度极限邻域更合适,由此得出红砂岩的强度极限邻域阈值约为32.5 MPa;长期强度确定的强度极限邻域阈值与残余扰动变形量转化规律确定的强度极限邻域阈值相差约2.5 MPa,但作为简单的初步分析判定,以长期强度界定强度极限邻域仍有较高的参考价值。

砂土扰动效应的细观探讨

从细观尺度上分析了砂土类介质两种典型理想单元体内部结构变化对其力学响应的影响；结果表明即使颗粒性质相同，其结构形式（Ｐａｃｋｉｎｇ）不同亦有不同的力学响应．这为砂土扰动效应提供了一种以定量分析为基础的新解释．

岩石蠕变及其扰动效应试验研究

在深井软岩条件下,巷道围岩应力状态处于岩石强度极限邻域内,围岩会产生较大的蠕变变形,而且随机扰动荷载会对蠕变变形产生很大的影响。因此,研究岩石的蠕变特性以及岩石在扰动载荷作用下的变形效应,建立蠕变扰动效应理论,对深井软岩支护具有重要的工程实用价值。结合国家自然科学基金项目“岩石在强度极限邻域内的扰动蠕变特性实验研究”,围绕岩石的非线性蠕变特性和蠕变扰动效应,应用新研制的常载三轴扰动蠕变仪和弯曲试验仪,进行岩石单轴压缩蠕变、四点弯曲蠕变和蠕变扰动效应等系列室内试验,主要研究岩石的非线性蠕变特征、对扰动荷载敏感的邻域范围以及强度极限邻域内的蠕变扰动效应等,并对试验结果进行多方面的研究和探讨,得到了一系列有意义的研究成果,论文的创新点和主要结论如下:

考虑桩周饱和土扰动效应的楔形桩水平振动阻抗

为了计算考虑桩周土扰动效应下的楔形桩水平振动阻抗,将薄层饱和土径向离散,利用Biot波动理论建立饱和土的复刚度传递多圈层水平振动平面应变模型,计算径向非均质的桩周土对桩身的水平动反力;将楔形桩轴向离散,基于Timoshenko梁理论建立考虑桩身剪切振动效应的横向振动微分方程,利用传递矩阵法推导桩顶水平振动阻抗的半解析解。对考虑饱和土扰动效应下楔形桩水平振动阻抗的影响因素进行了参数化分析,研究表明:在低频激振下增大楔形角能提高桩顶的水平阻抗,且随着振动频率的提高,增大楔形角会增强阻抗的频率依赖性;在低频激振下桩周土弱化会降低楔形桩的水平阻抗,且随着振动频率的提高,弱化效应会提高阻抗的共振幅值;对于如砂砾、粗砂、细砂等渗透系数较大的饱和土应考虑土体中流体惯性效应对楔形水平振动阻抗的影响;对于桩身长径比小且高频振动的楔形桩,有必要采用可以考虑桩身转动惯量及剪切效应的Timoshenko梁模型描述桩身水平振动。