用于分析岩爆倾向性的剩余能量指数

通过分析岩石变形破坏过程中的能量变化 ,提出以岩石在峰值强度前储存的弹性应变能和峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之差 (即剩余能量 )与峰值强度后稳定破坏所需的能量耗散之比作为剩余能量指数 ,以反映岩石在峰值强度后区的动态特性 ;推导了剩余能量指数计算公式 ,并给出了其试验测定方法 .此外 ,分析了将剩余能量指数作为岩爆倾向性指标的合理性 ,并采用铜陵有色金属公司冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行了峰值前的循环加、卸载试验和变形破坏全过程试验 ,结合该矿床实际岩爆资料 ,对剩余能量指数与现有基于能量理论的岩爆倾向性指标进行对比分析 。

一种新的岩爆倾向性指标

从岩石的变形和破坏过程中的能量储存和能量耗散出发,指出岩石的单轴抗压强度与单轴抗拉强度之比值可以表征结构较完整岩石的弹性变形能的储存能力以及峰值前后的应变量之比值可以表征岩石的能量储存与耗散之间的相对大小,提出用这两种比值的乘积作为岩爆倾向性指标。采用铜陵有色金属公司冬瓜山深部矿床的典型矿岩进行试验,对这种新的岩爆倾向性指标与现有的岩爆倾向性指标进行对比分析,结合该矿床实际的岩爆调查,说明新指标可以较好地表征岩石的岩爆倾向性,并提出了这种新指标判据的初步建议。

煤层冲击倾向性评价损伤指标

为提高煤层冲击倾向评价的准确性,采用理论和试验相结合的方法,研究了煤样峰值损伤因子与煤样完全破坏时的盈余能量的关系。理论和试验研究表明:煤样的峰值损伤因子与煤样完全破坏时的盈余能量呈二次多项式的关系,随着峰值损伤因子的增加,煤样完全破坏时的盈余能量降低,煤岩峰值损伤因子表征了煤样完全破坏时的盈余能量。盈余能量反映了煤体发生冲击地压的难易程度和猛烈程度,因此,可以采用单轴压缩煤样的峰值损伤因子来评价煤层的冲击倾向。根据盈余能量和煤样峰值损伤因子的大小,对煤层的冲击倾向性进行了分级。现场实践表明,相对于传统冲击倾向指标,该分级指标更贴近实际。

基于多种判据和能量聚集的岩爆倾向性研究

岩石具有存储高应变能的能力、围岩具有聚集高应变能的环境是岩爆发生的两个必要条件。论文以三山岛金矿深部开采为研究背景,基于室内物理力学试验,采用脆性系数、线弹性能及冲击性能评价等三种判据指标对三山岛金矿深部赋存的主要岩石的岩爆冲击倾向性进行定性分析;然后依据FLAC3D数值模拟计算深部采场围岩的弹性应变能积聚与分布特征,以及采场围岩最大线弹性能圈定范围内的总能量;并依据地震学理论,对岩爆的地震级别进行定量预测。研究成果对深部开采设计优化,控制岩爆发生、保证高效安全开采具有重要的指导意义。

基于数字钻技术的岩石材料岩爆倾向性预测研究

为了超前预测岩石材料岩爆倾向性,建立岩石内摩擦角与数字钻参数之间关系的解析模型,同时构建内摩擦因数与剩余弹性能指数的关系,通过室内三轴试验研究6种岩石力学参数与剩余弹性能指数之间的相关性,提出基于数字钻技术的岩石材料的岩爆倾向性的超前预测方法。研究结果表明:在不同围压状态下,各岩石下的剩余弹性能指数与弹性模量、抗压强度均呈线性正相关关系;泊松比与剩余弹性能指数呈线性负相关;预测的岩石岩爆倾向性与室内试验结果基本一致,从而验证了该方法的可靠性。

确定弹性应变能指标的岩样卸载点的声发射方法

弹性应变能指标方法是岩爆倾向性评判中应用最多的一种方法,但该方法的一个技术难题是在实验中难以确定卸载点。在武夷山隧道工程的岩爆倾向性评价的室内试验中结合岩石的声发射监测技术,试图解决这个难题,并利用弹性应变能指标法对该隧道的岩爆倾向性进行了评价。试验研究结果表明,采用声发射监测技术并利用岩石峰值破坏前声发射突增的特性,可以较好地控制初次加载达到岩石峰值强度的80%以上,且在岩石不发生破坏的情况下及时卸载,从而能很好地满足弹性应变能指标法对岩石加卸载条件的要求,提高了测试结果的可靠性。同时,本实验得出该隧道具有发生中等岩爆的倾向性的结论。

基于最大能量耗散率的岩爆倾向性指标研究

岩爆倾向性判别为隧洞岩爆风险评价提供了基本依据。在分析岩石单轴压缩各阶段能量耗散演化特征的基础上,提出基于最大能量耗散率(耗散能密度时间导数的最大值)的岩爆倾向性评价新指标,从稳定性判定准则、经验和岩爆倾向性定义3个角度阐明其科学合理性。为定量计算所提指标,建立考虑空隙压密和初始损伤的弹脆性损伤本构模型;为验证指标及损伤模型的适用性,开展4种岩石(玄武岩、花岗岩、灰岩、砂岩)在刚性和柔性压力机下的单轴压缩及循环加卸载试验。最后基于正交试验、相关性分析和极差分析,揭示岩爆倾向性的影响因素及不同指标间的内在关系。结果表明:岩石单轴压缩应力–应变曲线峰后阶段存在能量耗散率峰值,该值可作为材料固有稳定性指标评价岩爆倾向性,兼顾了岩石的峰前能量储耗特性和峰后特征;所提弹脆性损伤模型较好反映了岩石单轴加载下的非线性力学行为和内蕴能量演化特征,应力–应变和耗散能密度理论曲线均与试验值吻合良好;不同岩石最大能量耗散率与实际岩爆等级一致,证实了所提指标的可靠性;弹性模量、脆性和初始损伤是岩爆倾向性的主要影响因素,最大能量耗散率指标较好体现了岩石脆性对岩爆倾向性的影响,与剩余弹性能指数的相关性最强(相关系数0.940)。研究成果可为岩爆倾向性的合理评价提供理论依据和参考。

基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性判据

在考虑岩石加载全过程中能耗特性的基础上,提出一种基于线性储能规律和剩余弹性能指数的岩爆倾向性新判据。选用14种岩石(包括6种花岗岩、2种大理岩、4种砂岩、1种板岩、1种灰岩)进行不同应力水平下的单轴压缩一次加卸载试验,利用图形积分方式获得岩石试样在不同卸载点处的总输入能密度、弹性能密度、耗散能密度值,分别考察弹性能密度、耗散能密度和总输入能密度之间的定量关系,得到弹性能密度和总输入能密度之间的线性函数关系,发现储能系数(不同应力水平下弹性能密度和总输入能密度的比值)为定值的线性储能规律。在此基础上,提出一种计算岩石材料在峰值强度时储存在岩石内部弹性能的方法,改进了峰值能量冲击性指数的计算公式,进而建立一种基于剩余弹性能指数(峰前弹性能密度和峰后破坏能密度的差值)的岩爆倾向性判据。依据岩石试验破坏情况,提出基于定性指标和定量指标的室内岩石材料岩爆等级划分标准。研究结果表明,依据岩爆倾向性新判据所得判别结果和岩石材料实际岩爆倾向性等级比较一致,为从岩石材料全加载过程中能耗特性方面分析岩爆倾向性提供了一种新方法。

新城金矿深竖井开挖岩爆危险性预测

选取新城金矿新竖井-930 m以下6个水平的岩芯作为研究对象,从岩石力学性质、围岩应力状态、围岩条件3个方面选取8个评价指标,采用熵权法和逼近理想解排序法(TOPSIS法)建立了岩爆多指标综合危险性等级预测模型.采用数值模拟方法,分析了竖井深部开挖后围岩应力与弹性应变能分布;结合花岗岩三轴试验结果和地震学理论,从能量角度分析了竖井开挖后岩爆危险性.结果表明:岩爆危险性并非随深度线性增长,而是受岩石性质、岩体完整性、地应力环境、开挖引起能量积聚等多因素综合作用结果;新城金矿竖井深部施工具有强岩爆危险性,需加强监测并采取卸压措施.建议改变传统短掘短支工艺,采用柔性让压支护手段进行岩爆防控.