基于FLAC-3D砂岩块体超低摩擦鞭梢效应研究

随着矿山开采深度的持续增加,深部岩体力学行为呈现出新形式、新特征.广泛应用于建筑行业的鞭梢效应与深部岩体部分动力响应现象极为相似.故从结构特征出发,以砂岩块体为研究对象,工作块体(水平冲击作用块体)水平位移及加速度为参考指标,通过试验及FLAC-3D数值模拟计算的方式,探究工作块体“位置”及“尺寸”对其超低摩擦鞭梢效应影响机制.研究表明:系统产生超低摩擦鞭梢效应的难易程度与工作块体尺寸密切相关,模拟中工作块体边长为标准块体(边长100 mm立方体)边长2/5时,系统结构诱发超低摩擦鞭梢效应尤其显著;在一定范围内,工作块体所处位置距扰动源越远,超低摩擦鞭梢效应强度越大,当超过这一范围时,则会出现减小趋势,即超低摩擦鞭梢效应强度随工作块体与震源块体间距离呈先增后减关系.

应力波扰动对砂岩块体超低摩擦效应影响分析

以砂岩块体为研究对象,利用自主研制的超低摩擦试验装置,进行垂向应力波扰动条件下砂岩块体超低摩擦效应试验研究。通过对砂岩块体施加垂向应力波扰动、垂向轴压和水平冲击共同作用,模拟深部岩体所处应力环境。分析垂向应力波扰动频率、应力波扰动振幅对砂岩工作块体超低摩擦效应影响规律。研究结果表明:垂向应力波扰动、垂向轴压和水平冲击共同作用下砂岩块体超低摩擦滑动失稳过程分为应力波扰动、超低摩擦加速滑动、非稳定滑动、稳定滑动4个阶段。垂向应力波扰动作用既是块体发生超低摩擦效应的关键因素,又是诱发块体发生超低摩擦效应的催化剂。应力波扰动频率对砂岩工作块体超低摩擦效应存在低频显著影响区,应力波扰动频率在1~3 Hz低频时,砂岩工作块体超低摩擦效应最为明显。相同水平冲击作用下,砂岩工作块体水平位移、水平加速度峰值与应力波扰动强度间均呈线性关系。

高宽比及应力波扰动对砂岩块体超低摩擦影响试验研究

为揭示层状岩体在应力波扰动作用下岩块尺寸对超低摩擦型冲击地压影响机制,以沈阳红阳三矿顶板砂岩块体为研究对象,将5个块体上下依次叠放置于自主研制块系岩体超低摩擦试验装置加载腔内,始终以中间块体为工作块体,用不同工作块体的高宽比H/H(0.8~2.0)模拟不同构造层次或同一构造层次不同破碎程度的岩体,通过对块系模型系统施加应力波扰动P(频率0~10 Hz、振幅0~1 MPa)模拟爆破、顶板断裂、集中开采等扰动作用,施加轴压F和水平冲击F分别模拟岩体上覆岩层压力和顶板断裂冲击作用,开展应力波扰动作用下高宽比不同的砂岩块体超低摩擦试验。以高宽比作为反映岩块尺寸的表征指标,以应力波扰动频率和振幅作为反映扰动作用的表征指标,以工作块体水平位移作为超低摩擦效应强度的表征指标,分析得到轴压、应力波扰动及水平冲击组合作用下高宽比及应力波扰动对砂岩工作块体的超低摩擦效应强度影响规律与能量演化特征。研究结果表明:应力波扰动、轴压及水平冲击作用一定时,工作块体水平位移随其高宽比增大而呈递减趋势,即越趋破碎的岩体在相同应力环境下产生超低摩擦效应强度越大;高宽比一定时,工作块体水平位移随应力波扰动频率增加呈先增后减变化、随应力波扰动振幅增加而增加;不同试验工况下,工作块体单位质量动能及功率谱密度最大值均随高宽比减小而逐渐增大,高宽比为0.8时工作块体所携带动能最大,超低摩擦效应强度相对较大。

应力波扰动下孔洞块体超低摩擦效应试验研究

矿山开采过程中,采掘、放炮、地震等扰动极易诱发冲击地压灾害。用含孔洞砂岩块体模拟巷道,采取自主研制的含孔洞块体超低摩擦加载试验装置,进行应力波扰动对含孔洞砂岩块体超低摩擦效应影响的试验研究,并分析不同工况下工作块体相应能量变化特征。研究结果表明:应力波扰动通过顶板向下传播会使巷道块体在长时间拉压作用下形成疲劳损伤,巷道稳定性大幅降低,此时巷道极易在水平冲击作用下产生超低摩擦效应,尤其是垂直方向应力波扰动频率趋于2 Hz时超低摩擦效应强度最大;含孔洞砂岩块体超低摩擦效应强度与应力波扰动强度成正比;同一水平冲击及应力波扰动作用下,含孔洞砂岩块体单位质量动能幅值及功率谱密度幅值均大于完整砂岩块体,含孔洞砂岩块体稳定性远低于完整砂岩块体稳定性。