基于液电效应的高压电脉冲岩体致裂特征及机理

基于液电效应的高压电脉冲致裂技术是一种新型的岩体致裂技术,具有安全高效、绿色环保、能量可控等特点,在煤矿井下围岩应力调控方面拥有广阔的应用前景。由于井下岩体往往处在较为复杂的应力环境,为深入研究该技术在井下不同围岩应力环境下对坚硬岩体的致裂效果,通过LS-DYNA软件对基于RHT损伤本构模型建立的岩石试样进行高压电脉冲岩体致裂数值模拟试验,对岩体内部的损伤和有效应力演化过程进行采集,分析岩体的致裂特征及其裂缝扩展机理,通过数值模拟弥补在室内试验中因放电过程快、电磁干扰大而导致的致裂过程中岩体内部难以有效监测的问题。利用自主研发的高压电脉冲岩体致裂试验平台,开展了不同围岩应力条件下的高压电脉冲岩体致裂试验,通过获得的岩体表面破裂特征验证数值模拟结果的可靠性。获得以下结论:①基于RHT本构模型建立了LS-DYNA高压电脉冲岩体致裂数值模型,根据炸药爆破与高压电脉冲的能量等效关系,构建了高压电脉冲数值模拟等效参数。通过实验室试验与数值模拟结果进行对比,验证了数值模型与等效参数的可靠性;②对试样上表面裂纹扩展情况进行分析,发现裂纹会向最大压初始应力方向偏转。在此过程中,裂纹总长度先是逐渐减小。当所有裂纹与最大初始压应力夹角均小于45°时,裂纹总长度开始逐渐增大;③通过数值模拟,发现在致裂初期,高压电脉冲放电产生的动态应力远大于围岩应力,对试样的破坏起主导作用。随着动态应力在传播过程中的快速衰减,初始围岩应力与动态应力的大小逐渐接近,并最终由初始围岩应力主导裂纹的萌生与扩展。研究结果表明,围岩应力是决定岩体裂缝发育和扩展特征的重要因素,特别是对裂缝的扩展方向有显著影响,在采用高压电脉冲致裂技术对深部岩体进行致裂时,应考虑岩体所处应力状态,科学制定致裂方案,以实现对岩体的高效致裂。

块裂隧道围岩等效岩体变形参数研究

采用Voronoi离散单元方法建立块裂岩体隧道的随机DEM数值模型,通过大量随机数值计算结果验证采用岩体等效变形参数预测隧道收敛变形的可行性。在规则裂隙岩体等效变形参数计算方法的基础上,针对数值模拟揭示的深埋隧道变形特征提出改进的修正计算公式及相应的特征参数。通过与既有解答以及大量随机数值计算结果的对比和统计分析验证修正解的合理性,修正解较为合理改善既有规则裂隙岩体等效变形参数计算方法在反映随机块裂岩体在隧道卸荷条件下变形估算的较大误差。采用修正计算方法得到的岩体等效变形参数可以很好地预测随机块裂岩体中隧道开挖后收敛变形的数学期望值。提出的修正计算方法对当前深部岩体变形参数研究和隧道洞壁收敛位移的估算具有一定的参考价值。

水力劈裂试验与水压致裂试验中岩体劈裂值的差异性探讨——以石曹抽水蓄能电站工程为例

文章以石曹抽水蓄能电站高岔深孔ZKD201为研究对象,基于水力劈裂试验中水力劈裂值P a与水压致裂法地应力测试中水压致裂劈裂值P b的现场试验值,就两种岩体瞬间劈裂压力的差异性进行探讨。结果表明:水力劈裂值P a总体上要低于水压致裂劈裂值P b;水压致裂劈裂值P b作为地应力测试中的辅助参数,可作为参考,对水力劈裂值P a进行验证修正。

二氧化碳裂岩技术及经济性分析

随着科学技术的发展,越来越多的先进技术运用到道路、隧道等工程施工中。同时,越来越多的中国企业加入到非洲基础设施建设中,将越来越多、越来越先进的技术带到非洲,加快非洲建设速度,促进非洲的基础设施蓬勃发展。在石方开挖量大,工期紧张,使用炸药程序繁琐的情况下,如何高效、快速完成施工任务,是特定条件下完成施工任务的难题。采用二氧化碳裂岩技术,既简化审批流程,又提高岩石开挖速度。

反倾板裂岩体边坡振动物理模拟试验研究

探讨反倾板裂岩体边坡在动力扰动作用下的变形破坏机制和失稳模式,为防治理论提供依据。结合沙窝子高边坡的已有地质资料及汶川地震以后的边坡变形破坏调查情况,在相似理论的基础上,采用重晶石粉、膨润土及石蜡油组成的相似材料,按照1∶500的相似比例对该处边坡进行了构建,通过振动台试验,研究了其在动力作用下的响应过程。试验结果表明动力触发因素对边坡的影响非常显著,特别是坡体的软弱岩层带容易产生拉破坏,坡体的变形破坏往往最先发生在此处,甚至构成其后缘主要破坏边界。从历史演变的角度可将这类边坡的变形失稳过程概括为3个阶段,即倾倒变形阶段(潜伏阶段)、坡体震裂阶段(触发累计阶段)和坡体溃滑阶段(能量释放阶段);整个震动破坏阶段又可以进一步分为岩土体松动碎裂、后缘坡肩拉裂、裂缝发展和变形位移累计、前缘坡脚鼓出及抛起式溃滑剪出5个阶段。

隧道震裂岩体围岩分级方法初探

汶川地震产生了大量的震裂松动山体,为合理评价在这些震裂山体中新建隧道的围岩级别,通过极震区在建隧道现场震裂岩体调查,对震裂岩体特征及其对围岩稳定性的影响进行了分析。震裂岩体是一种受强烈地震波作用后,岩体结构面更加发育,层间结合更差的一种岩体;并且硬质岩和软质岩的震裂特征不同,硬质震裂岩体易产生集中式张裂缝和松动,软质震裂岩体易产生体积式松弛变形。在此基础上,提出了岩体震裂等级,划分为轻微、中等、强烈三种级别,并建立了震裂岩体围岩分级的修正方案,即:轻微震裂岩体对围岩稳定性影响不大,可不考虑降低围岩级别,或者降低0.5级;中等震裂岩体对围岩稳定性有不利影响,围岩级别降低0.5～1级;强烈震裂岩体对围岩稳定性影响极为不利,围岩级别降低1～1.5级。

新型裂岩器材装填药剂的燃烧性能研究

利用密闭爆发器实验系统,对一种新型裂岩器材的装填药剂燃烧性能进行了研究,以此对后续产品中的药剂组分、比例进行指导性调控。设计了9∶1~4∶6不同梯度组分的混合药剂进行密闭爆发器实验,对所有药剂的p-t曲线及d p/d t-t曲线分析后确定火药力实验中所用药剂配比为7∶3与5.5∶4.5。使用0.12 g/cm^(3)、0.2 g/cm^(3)两种装填密度对混合药剂进行火药力实验,参照火药燃速处理方法,假设混合药剂为单一整体,密度为1.5 g/cm^(3),在此假设基础上得到药剂燃烧的Γ-ψ曲线及相应的火药力、燃速系数等参数,其中单+添(7∶3)配方的火药力最高,为564.87 kJ/kg,双+添(7∶3)配方的火药力比之略低,但仍高于5.5∶4.5配方的火药力。通过对药剂的Γ-ψ曲线分析解释了双+添(5.5∶4.5)配方在实验中出现明显燃烧未完全现象的原因;对混合药剂对应火药力、燃速系数的分析发现,火药对整体药剂的做功能力占主导性因素,火药占比的上升会显著提高药剂的燃烧效能,但装填密度的改变对两种火药燃烧效果的影响却不一致。装填密度的上升会导致单基药配方燃烧效能的下降,而双基药配方会出现燃烧效能的上升。

震裂软岩隧道围岩-支护失稳机制和处治机理分析

以穿越5·12发震断裂带(龙门山断裂带)的广甘高速公路软岩隧道为工程依托,依据对施工现场频发的围岩-支护结构失稳破坏的统计,以及典型失稳案例的分析,探讨了震裂软岩隧道围岩-支护失稳机制及处治机理,并选取具有代表性的围岩-支护失稳段为试验段,对其处治机理及效果进行验证分析。研究结果表明:隧址区岩体受地震及新近地震的反复揉搓,致使山体内部岩体产生震裂损失、围岩稳定性不足、地下水的渗透性增强、围岩与支护结构不能密切接触,是造成软岩隧道围岩-支护失稳事故的直接诱因;通过掌子面反压回填、地下水引排、塌腔回填、加强超前支护、基底注浆加固、改善施工工法和加强支护参数等处治措施,可有效地稳定掌子面前方松动岩体、控制震裂松动围岩压力、增强围岩-支护体系的稳定性,且使支护体系具备一定的安全储备能力。

块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其应用

在详细论述岩体基质岩块与裂缝变形、气体渗流及相互作用物理机制的基础上 ,提出了块裂介质岩体变形与气体渗流的耦合数学模型及其数值解法 ,这是岩体介质固气耦合数学模型的重要发展 .以含裂缝煤层瓦斯抽放为例 ,通过数值分析 ,揭示了含裂缝煤层瓦斯在基质岩块和裂缝中运移、传递和交换 ,伴随的岩体裂缝和基质岩块变形和应力分布 ,及其对瓦斯气体运移的相互作用影响规律 .

块裂层状岩质边坡稳定性极限分析上限解

采用室内模型试验仿真构造了顺层和反倾斜块裂层状岩质边坡,分别定性地确定了可能出现的两种类型边坡的破坏模式,并根据实际工程中可能出现的边坡破坏特征,进一步拓展了这两种类型边坡的破坏模式,使其更具有普遍性.然后根据极限分析上限法基本原理,对室内模型试验结果进行分析求解,验证了极限分析上限法在该类型边坡稳定性分析中的适用性,并使极限分析上限法演绎到普遍破坏模式中.这进一步拓展了极限分析法的应用范围,为块裂层状岩质边坡稳定性分析提供了一种有效的分析手段.

汶川地震震裂的斜坡岩体结构特征

汶川震区震后斜坡地质灾害频发,其中岩体震裂松动是引起震后次生地质灾害的主要原因。以震裂岩体结构精测为基础,结合现场回弹测试与声波探测,震裂岩体具有结构面显著张开、无充填或者少量充填和岩体架空等宏观特征,同时具有回弹强度低、大范围的低波速带和强渗透性等变形特性。坡表岩体的回弹强度在20～30MPa,波速值集中在2000～3000m/s,完整性系数在0.15～0.5,完整性较差,渗透性基本上属于强透水、严重透水段。以波速值为主要划分依据,将震裂岩体分为严重震裂岩体、中等震裂岩体、轻度震裂岩体三个等级。

板裂化地下岩体工程稳定的力学机理及概率分析

在岩体基本力学介质中，当板状岩体的结构和性状符合某些特征时，它的力学机理从总体上能够采用板壳理论进行分析。根据这一成果，具体分析了直立层状岩体中的地下工程，在其长度远大于直立高度的情况下，岩体中的应力分布问题；并根据工程结构可靠性分析原理，研究了直立层状岩体的稳定概率分析方程和计算方法。

激光辐照热裂破岩规律及力学性能

分析了激光辐照热裂破岩工艺参数对岩石力学性能的影响规律,以提高激光辐照热裂破岩效率。开展了激光辐照热裂破岩正交实验研究,分析了激光功率、辐照时间及辐照距离对激光辐照热裂破岩温度变化及岩石形貌损伤的影响规律,基于X-ray diffraction(XRD)物相图谱分析了激光辐照热裂破岩后岩石不同区域物相成分及含量,探讨了激光功率、辐照时间及辐照距离对激光辐照区物相含量变化的影响趋势,研究了激光功率、辐照时间及辐照距离对岩石强度的弱化程度。研究表明:随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小,岩石反应区温度变大,热裂纹生成数量增多且裂纹深度变大,岩石热破碎反应增强;激光高温辐照后岩样所含高脆性、低强度、低导热率和低热膨胀系数的石英和钙长石含量占比增加,且随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小,岩样烧灼孔内所含石英和钙长石成分增多;激光辐照后岩样烧灼孔内冷凝沉积物主要成分为石英和钠长石,且冷凝沉积物中部分晶体在激光辐照作用下转变为非晶体结构;激光辐照时间对岩石强度弱化程度影响最大,激光辐照距离次之,而激光功率对岩石强度弱化程度影响最小;随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小,岩石抗压强度由83.89 MPa显著降低至36.13 MPa,岩石轴向挤压形变量变大,挤压破碎效果增强,岩石强度弱化程度变大。结果表明,激光辐照岩石可以有效降低岩石强度,提高激光辐照热裂破岩效率。

板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理研究

溃屈破坏和倾倒变形是板裂介质围岩所特有的两种破坏形式,是结构失稳的表现。本文对板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理进行研究,并结合工程实例进行验证。其研究成果可为板裂介质围岩中隧道的衬砌设计提供技术指导。

震裂软岩隧道施工期围岩-支护体系失稳分析

地震的发生将对原山体造成较大震裂揉动挫伤,隧道开挖后围岩-支护体系易发生失稳现象。文章依托震区杜家山隧道的典型失稳断面,结合现场监测和数值分析手段,从震裂软岩的基本特性、结构失稳特征、不同裂隙结构面倾角三个角度分析了震裂软岩隧道施工期围岩-支护结构的失稳机理,得到以下结论:强震区软岩主要表现出破碎、散体、密度低、架空等基本特征,隧道开挖后结构失稳多以拱顶-拱腰发生剪性坍塌破坏的形态出现;失稳主要以塌方为主,塑形挤出、剪切滑动及组合作用破坏形式是其主要的失稳模式;隧道开挖后洞周变形、结构受力、塑性区影响最大均发生在45°倾角的裂隙结构面时,此条件下施工最为不利。

金安桥水电站坝基裂面绿泥石化岩体利用研究

金水桥水电站坝基裂面绿泥石化岩体在原位条件下具有较好的性状,总体为Ⅲ类岩体,经适当处理后可做高混凝土重力坝坝基。但在开挖中该岩体极易受扰动、松驰,为保证大坝安全在开挖时应禁止大药量爆破,并尽量减少开挖后的暴露时间;对建基面以下松驰岩体进行固结灌浆。

聚能锥角对线性聚能爆破致裂岩体效果的影响

为研究不同聚能锥角下线性聚能爆破致裂岩体效果,在巷道岩壁开展了5种聚能锥角(40°、50°、60°、70°、80°)下的聚能爆破和岩体损伤测试试验,数值模拟了不同聚能锥角形成的聚能射流。结果表明:线性聚能爆破定向致裂岩体效果显著,聚能方向损伤增量显著大于非聚能方向;聚能锥角为40°时致裂岩体效果最好,最大损伤增量达0.93,裂纹扩展深度和长度较大,50°、60°、70°和80°聚能锥角时,最大损伤增量、射流压力、射流长度、射流头部速度、射流尾部速度等均随聚能锥角的增大而减小,致裂岩体效果逐渐减弱。

基于高精度三维模型的危岩体控制爆破技术研究

开展复杂环境下危岩体控制爆破技术的研究,对提高公路施工效率、消除潜在安全隐患具有重要的理论意义和参考价值。依托古蔺至金沙高速公路建设项目为工程背景,为了消除施工过程中的危岩体隐患,进行危岩体控制爆破技术研究。采用三维激光扫描技术,架设6个扫描站点,构建了危岩体高精度三维DTM表面模型,结合高密度电法,布设4条物探测线,实现危岩体区域地质三维可视化。基于高精度三维模型,进行了裂岩管致裂试验,设计炮孔深度为危岩体高度的70%,裂岩管间采用串接方式,每孔裂岩管总装药量为720 g。结果表明:构建的高精度三维模型准确反映了危岩体形态特征,为爆破方案设计提供了可靠的资料,同时裂岩管的致裂效果良好,易于危岩体的后期治理排除,为同类项目提供了可行的参考方案。

强震区软弱岩体震裂特征及其隧道建设中面临的问题

通过对强震区建设过程中多条软岩隧道岩体的调研分析,揭示了强震区软岩隧道的基本震裂特征,根据对强震区软岩隧道建设过程中病害特征的现状调研,提出了穿越强震区大量"松"而未"动","裂"而未"塌"的软岩隧道建设过程中所面临的问题。

采后10 a垮裂岩体自修复特征的钻孔探测研究——以神东矿区万利一矿为例

采动垮裂岩体在煤层采后多年的长期演变过程中,常易发生导水能力逐步降低的自修复现象,研究其产生机制与规律对于实现矿区采损环境的生态再恢复意义重大。为了揭示神东矿区万利一矿煤层开采约10 a后垮裂岩体的自修复特征,采用钻孔原位探测方法对单一煤层采动和多煤层重复采动这2类典型条件下的覆岩垮裂特征及其自修复规律进行了观测研究。结果表明,历经8~12 a时间的演变,上覆垮裂岩体的自修复现象显著,表现为钻进冲洗液漏失量小、孔内水位下降缓的低渗透现象。采煤时覆岩的初始垮裂程度直接影响采后多年探测揭露的岩体自修复效果;从横向上看,开采边界附近为采动裂隙的显著发育区,因而其垮裂岩体自修复效果要低于盘区中部压实区的垮裂岩体;从纵向上看,垮落带中下部及导水裂隙带中上部自修复效果最好,而垮落带上部及其与导水裂隙带交界的过渡区由于普遍赋存有厚硬砂岩,因而其岩层垮落块度大、自修复效果相对偏低。煤层埋深越大,较大的支承压力更易促使超前煤岩体的压缩、以及边界附近显著发育裂隙的开度减小,这有助于促进裂隙的自修复;因而浅部矿区垮裂岩体实现自修复所需的年限更长。相比单一煤层开采,多煤层重复采动产生的二次活化作用会改变上煤层覆岩已有垮裂状态,还可能破坏在其中已发生的自修复进程;上下煤层采煤间隔时间越长,覆岩整体的自修复进程越慢、效果越差。