孔隙与破断岩体的宏细观力学研究

作者简介谢和平，男，中国矿业大学岩石力学与分形研究所所长，教授，博士生导师，国务院力学学科评议组成员。岩体是经过漫长的地质演化过程而形成的复杂结构体，存在不同阶次的随机分布的微观孔隙和裂纹。在宏观尺度上岩体是非均质、非弹性、各向异性的，而且具有时效性...

新乡地区断岩和宕口采空区的生态恢复技术探讨

指出了矿石开采导致了矿区生态环境的严重破坏和退化,并引发了一系列生态环境问题,这些生态环境问题严重影响了社会经济的可持续发展。以新乡地区断岩和宕口采空区为例,对断岩的生态恢复方法和植物配置方式、宕口采空区的复垦、复绿方式和植物配置进行了深入探讨,提出了以生物措施和工程措施相结合的综合治理方法,以达到物种多样性和近自然景观的目的,以期为今后进行同类型生态工程重建提供一定的实践参考。

厚硬顶板高强度开采覆岩破断 及来压规律研究

针对榆神矿区厚硬顶板高强度开采条件下,工作面煤壁片帮大、支架结构件损坏等强矿压问题,采用了数值计算、理论分析和微震监测等技术手段,对工作面覆岩破断运动及来压规律进行了分析研究。结果表明,厚硬顶板破断具有明显的垂向分区下沉特征,高、低位岩层之间较大的垂向离层空间和自下而上顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断”的时空基础;“小周期”来压期间内,来压强度将随着直接顶破断发育高度的降低而减弱,直接顶碎胀系数的增大将有利于来压强度的降低;“大周期”来压期间内,中高位岩层垂向破断高度和走向破断步距的增大都将引发来压强度上升,厚硬关键层的组合破断是“大周期”来压增强的关键诱因。针对该条件下的强矿压防治,提出了“弱化低位顶板、优化破断结构”和“弱化高位顶板、改变破断次序”的技术思路,并取得了较好的应用效果。

坚硬顶板周期来压覆岩破断力学机理研究

坚硬顶板破断运移规律一直是采矿领域研究的热点,针对覆岩内部破断裂隙分布不明晰的问题,以砌体梁理论中的关键块体为研究对象,建立了线性增压荷载下悬臂梁模型,根据弹性力学应力逆解法,在艾里应力函数满足双调和方程的基础上,采用叠加原理推导并验证了满足模型应力边界条件的内应力分量解析解。在此基础上,以Mohr-Coulomb屈服准则作为破断判据,推导了破断迹线隐函数方程式。采用Matlab软件计算和绘图得到了破断迹线,通过算例校验分析了岩石黏聚力、内摩擦角对破断迹线的影响规律,验证了破裂迹线求解的正确性。这对于进一步认识覆岩破断力学机理具有一定的意义。

深部开采超宽工作面覆岩运移破断规律研究

以高家堡煤矿4号煤层赋存条件为背景,采用理论分析、数值模型模拟相结合的方法,对4号煤上覆岩层中关键层位置进行了判别,明确了加长工作面的来压步距,研究了工作面长度分别为120、140、150、180、200、260 m条件下的覆岩运移特征。结果表明:工作面上覆岩层中包含6层关键层,且距4号煤上108 m处的复合岩层为主关键层,基本顶为包含粗粒砂岩、泥岩、中粒砂岩和粉砂岩在内的复合岩层1且为亚关键层,当工作面进行开采后,关键层以下所有亚关键层均发生破断。理论计算与数值模拟所得的工作面初次来压步距均在为50 m左右,周期来压步距均在20~25 m,与实际情况相符合。不同工作面长度的覆岩运移分布状态基本相同,且随着工作面长度的增加,采空区中部位移变化量最大,由7.72 m增加到7.81 m,而工作面两端覆岩运移量变化并不明显。研究结果可为工作面安全高效回采、矿井接续工作面面长设计布置提供有效借鉴,具有重要的现实生产指导意义。

断续节理岩体劈裂破坏的贯通机理研究

利用裂纹孤立原理结合裂纹线场理论,研究了压应力作用下断续节理线尖端的精确弹性区应力场和脆断区应力场,然后将精确弹性区应力场和脆断区应力场相匹配,进而确定脆断区长度和荷载之间的关系。利用脆断区长度和荷载之间的关系,从理论上分析了断续节理产生劈裂破坏的贯通机理,并且确定了断续节理岩体发生劈裂破坏的强度。通过和实验结果对比分析,论证了理论模型的正确性和可行性。

循环荷载下断续裂隙岩体的变形特性

断续裂隙岩体在地震、波浪冲击、动力机器运转等动力循环荷载作用下的疲劳特性是岩石力学的一个基础课题。采用预制断续裂隙类砂岩模型试样单轴动循环加载试验,借助测试到的荷载–位移曲线从不可逆变形与总变形随循环次数的演化规律入手探讨了含2、3条裂隙试样循环荷载下的疲劳变形规律,并对影响裂隙试样疲劳变形的加载频率、循环荷载水平及裂隙空间位置等因素进行了讨论分析。研究发现:断续裂隙岩体的疲劳变形演化规律与完整岩石、完全离散的节理化岩体一致,均可划分为3个阶段:初始变形阶段、等速变形阶段与加速变形阶段;其疲劳破坏时的变形量与周期荷载的上限荷载在静态荷载–位移曲线峰值后区对应的变形量相当;同时,断续裂隙岩体疲劳变形除受加载频率及荷载水平的影响之外,还受到裂隙空间位置的明显影响。

浅埋深长壁工作面覆岩破断特征相似模拟

利用相似模拟实验方法,研究了浅埋深长壁工作面覆岩破断特征,掌握了浅埋煤层长壁开采覆岩破断过程中的关键特征点。并结合现场矿压实测,掌握了工作面来压与上覆岩层裂隙发展之间的规律。研究分析表明:浅埋深长壁工作面覆岩破断的关键特征点分别是直接顶破断、基本顶初次破断、基本顶周期性破断、裂隙带初次导通地表、裂隙带周期性导通地表。裂隙带导通地表(即基岩层周期性全部破断)与基本顶破断的周期性发生是浅埋深长壁开采条件下工作面顶板来压存在大小周期的主要原因。浅埋深长壁工作面开采过程中,基本顶的断裂极易引发裂隙带导通地表。因此,在工作面来压期间,要适当加快工作面推进速度,避免发生压架事故。

应力波反复作用下断续节理岩体疲劳破坏试验研究

试验研究了反复应力波作用下断续节理岩体的疲劳破坏过程和特征,讨论了节理充填性质、节理倾角、侧向静压等因素对岩体动态疲劳破坏的影响。结果表明:疲劳损伤累积过程受节理倾角与应力波传播方向影响,两者夹角越大损伤破坏越不均匀,但强度降低率小;充填介质能在一定程度上削弱应力波的损伤作用,减缓损伤累积进程;损伤累积过程在一定程度上受控于侧压,随着侧压增大损伤累积速率和强度降低速率减缓。

加锚断续节理岩体断裂损伤模型在硐室开挖与支护中的应用

应用断裂力学与损伤力学理论,对复杂应力状态下脆性断续节理岩体的本构模型及其断裂损伤机制进行研究。根据应变能等效的方法和自洽理论,建立加锚断续节理岩体在压剪、拉剪应力状态下的断裂损伤本构模型;且建立裂纹在压剪和拉剪状态下的损伤演化方程。基于以上的本构模型和损伤演化方程,编制三维有限元程序,并将其应用于琅琊山抽水蓄能电站地下厂房硐室开挖与支护工程的稳定性分析中,研究地下厂房硐室在开挖支护过程中的稳定性。重点分析硐室围岩在开挖过程中的应力状态、变形特性及损伤演化过程。将计算所得出的硐室开挖边界附近的位移值与原型观测值进行比较,得出一些对工程有指导意义的结论。

复杂应力状态下断续节理岩体断裂损伤机理研究及其应用

应用断裂力学和损伤力学的理论，研究断续节理岩体开挖卸荷过程中渐近破坏的力学机制，从压剪和拉剪两种应力状态出发，建立了复杂应力状态下断续节理岩体的损伤演化方程，并将其应用于某矿山开采过程围岩破坏特征分析中，结果表明理论计算与工程实践较为吻合。该方法为定量分析地下工程围岩破坏过程提供了理论依据。

基于摩擦滑动的峰后断续灰岩力学特性的研究

利用MTS815 Flex Test GT电液伺服岩石力学试验系统对完整灰岩及断续(裂隙、断裂)灰岩进行三轴压缩试验,研究不同围压下完整灰岩及断续灰岩的强度及变形特征。基于试验结果建立断裂灰岩圣维南体力学模型模拟岩石破裂形成断续结构后失稳摩擦滑动,在此基础之上,采用单结构面理论研究限定其发展的条件。试验结果表明:完整灰岩及断续灰岩试样峰前弹性模量随围压的增大并没有产生明显的变化,且裂隙灰岩峰前弹性模量与完整灰岩基本一致;完整灰岩表现为低围压下的脆性向高围压下的塑性破坏转化的变形特征,而裂隙灰岩在不同围压条件下均表现为塑性破坏,断裂灰岩则表现为理想弹塑性变形;完整灰岩及断续灰岩峰值强度都随着围压的增大而增大,相同围压下裂隙灰岩强度低于完整灰岩强度,但相差不大,循环加载对断裂灰岩强度影响较小;灰岩破坏形成断裂结构后,破裂面间的摩擦决定断裂灰岩承载能力,当破裂面剪应力超过摩擦力时,将发生塑性滑移,通过增大围压可以增强破裂面间摩擦进而提高断裂灰岩承载能力,抑制塑性滑移。

基于摩尔-库仑准则的断续节理岩体复合损伤本构模型

针对工程实际中断续节理裂隙岩体的损伤本构模型,假设岩石微元强度服从Weibull随机分布,以摩尔-库仑破坏准则作为描述微元强度的表示方法,推导出细观损伤变量。利用能量和断裂力学理论,综合考虑节理几何特征及力学特性,推导宏观损伤变量计算公式。基于Lemaitre应变等效假设,考虑宏细观缺陷耦合作用,推导出复合损伤变量,建立了基于摩尔-库仑准则的宏细观缺陷耦合作用的断续裂隙岩体损伤本构模型。研究结果表明:(1)采用摩尔-库仑准则作为描述微元强度的统计分布变量建立的损伤模型能够较好地反映岩石内部缺陷分布和变形特征,该模型真实地反映岩石微元强度受应力状态的影响。(2)该模型建立的理论曲线与断续节理岩体的试验曲线吻合较好。(3)节理裂隙岩体宏观损伤变量及峰值强度随节理倾角的变化规律与综合考虑宏细观耦合作用下的损伤变量及裂隙岩体峰值强度随节理倾角的变化规律基本一致。(4)宏细观耦合作用下的等效弹性模量与节理贯通率呈非线性负相关;在节理倾角一定的情况下,损伤变量与节理长度呈非线性正相关;在贯通率较小时,岩体的宏观损伤变量与内摩擦角的关系呈线性负相关变化,贯通率达到一定程度,线性关系变成非线性关系。

断续节理岩体动态疲劳损伤研究

分析了断续节理岩体动态疲劳损伤的复杂性,阐明了疲劳损伤研究的近似处理方法。基于剩余应变强度理论和线性退化准则讨论了断续节理岩体动态疲劳损伤累积过程。研究了岩体破裂概率与疲劳损伤的等效性,建立了疲劳损伤变量与分形维数间的定量关系。最后通过动态疲劳实验验证了结论的正确性。

剪应力作用下断续节理岩体的强度特性

利用裂纹孤立原理结合裂纹线场理论,研究剪应力作用下断续多节理线尖端的精确弹性区应力场和脆断区应力场,将精确弹性区应力场和脆断区应力场匹配,确定了脆断区长度和荷载之间的关系,继而从理论上确定了断续任意多节理岩体的强度.该方法可以解决任意多节理岩体的强度特性问题,而且得到的是精确的理论解.

综放工作面覆岩破断和压架的试验研究及预测模型

为研究综放工作面覆岩运动、破断特征及矿压演化规律,依托崔木煤矿302工作面,建立综放工作面开采相似材料模型,观测煤层综放开采过程中顶板的破断特征和矿压显现规律,根据试验结果建立综放基本顶煤壁处断裂的力学分析模型,推导出拉破断临界支护强度计算公式,研究基本顶抗拉强度、作用荷载和顶板厚度对拉破断临界支护强度的影响,形成了综放工作面煤壁处断裂的力学判据,分析崔木煤矿302综放工作面液压支架的支护效果。结果表明,(1)综放工作面推进过程中基本顶悬臂梁长度逐渐增加,与后方断裂顶板形成"悬臂梁-铰接结构",支架处于这种结构保护之下时工作阻力小;(2)若基本顶在煤壁处拉断裂和结构失稳,支架快速增阻,安全阀开启,活柱量下降,易于导致支架压死;(3)随着基本顶作用荷载增大,拉断裂临界支护强度线性增长,但基本顶抗拉强度对拉断裂临界支护强度影响不大。研究结果可为综放工作面基本顶煤壁处断裂和压架灾害预报提供一种方法。

压应力状态下断续节理岩体全过程应力–应变关系及其变形局部化分析

利用内变量热力学理论和裂纹孤立理论研究了压应力状态下断续节理岩体的变形局部化问题和全过程应力–应变关系。研究表明全过程应力–应变关系包括线弹性阶段、非线性强化阶段和应变软化阶段。分析了产生应变软化的主要原因,将损伤和变形局部化引入本构模型是和以往本构模型的显著区别。通过实验对比分析,验证了模型的正确性和有效性。

论浙江东部早白垩世中期断陷事件和断陷岩套

早白垩世中期中国东南部发生过一次断陷事件,并形成一事件地层单元——断陷岩套。叙述了断陷岩套的形成机理、特征和类型,并利用事件地层单元同时性原理,论证了建组剖面"塘上组"的层位与永康群下部馆头组相同,而非高居永康群之上的"新构造亚层";也论证了嵊县三界一带的所谓"大爽组二段"应为馆头组。这两个断陷岩套中所含生物群证实:事件地层学原理所得的关于其层位与时代的结论是正确的。

加载条件下裂隙间相互作用对断续裂隙岩体变形的影响

裂隙岩体的稳定性和变形特性主要决定于裂隙,同时裂隙间的相互作用对岩体的稳定和变形产生显著的影响。为此利用位错模型法、叠加原理和伪力的Lengdre 多项式展开研究了加载情况下裂隙间的相互作用问题。利用该方法可以计算弯折裂纹和平行排列的裂纹尖端的应力强度因子和裂纹相互作用对应变的影响。给出了许多复杂的算例,对单一断裂和X 断裂问题,计算结果表明单一断裂比X 型断裂更不稳定;对平行排列的弯折裂纹,应变依赖于裂隙的几何形状、几何和物理参数。含单一断裂岩体的应力应变曲线和裂隙的几何和物理参数有关。

综采工作面覆岩破断规律试验及高位钻孔参数优化

根据祁东煤矿6135工作面开采工程条件,运用相似材料模拟实验方法,对上覆岩层随工作面推进时的破断规律进行研究,结合经验公式和相似模拟结果综合判定了工作面上覆岩层垮落带高度范围为0～7.1m,断裂带高度范围为7.1～30.1m;采用FLAC3D数值模拟软件模拟得出覆岩裂隙发育区角度范围,为优化高位钻孔布置参数提供了可靠的依据.