本文關(guān)鍵詞：煤礦深部砂巖卸荷特性及巖爆預(yù)測(cè)方法研究

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【摘要】：近年來(lái),經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展已促使基礎(chǔ)工程建設(shè)和資源開(kāi)采逐步向深部開(kāi)展,深埋地下工程中的巖爆問(wèn)題成為制約工程建設(shè)的技術(shù)性難題。然而,巖爆孕育發(fā)生機(jī)理和傾向性預(yù)測(cè)方法的研究仍滿足不了現(xiàn)實(shí)工程中治理巖爆的需求,因此深入研究巖爆的機(jī)理,尋找切實(shí)可行的巖爆預(yù)測(cè)方法已成為地下工程中諸多課題的研究重點(diǎn)。本文以淮南新莊孜礦為工程背景,通過(guò)對(duì)采自新莊孜礦的砂巖開(kāi)展三軸加卸荷試驗(yàn),研究砂巖在卸荷條件下的強(qiáng)度變形特征、能量運(yùn)移轉(zhuǎn)化機(jī)理以及破壞模式,借此對(duì)巖爆孕育發(fā)生機(jī)理進(jìn)行深入探索；在卸荷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,提出卸荷條件下適應(yīng)性更強(qiáng)的強(qiáng)度準(zhǔn)則和本構(gòu)模型,并嘗試性地提出了巖石脆性跌落系數(shù)與巖爆傾向性的關(guān)系；在系統(tǒng)總結(jié)已有巖爆傾向性數(shù)值指標(biāo)的基礎(chǔ)上,提出了巖爆能量釋放率指標(biāo)RBERR,并將其應(yīng)用到巖爆工程實(shí)例中驗(yàn)證指標(biāo)的合理性；將前文的試驗(yàn)和理論成果應(yīng)用到淮南新莊孜礦62采區(qū),預(yù)測(cè)巖爆可能發(fā)生的位置和強(qiáng)度,為后續(xù)的工程支護(hù)提供可靠依據(jù)；根據(jù)前文砂巖的三軸加卸荷試驗(yàn),總結(jié)初始損傷程度和卸荷速率對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響規(guī)律,將該規(guī)律應(yīng)用到淮南新莊孜礦的工程實(shí)踐中。具體內(nèi)容可分為以下幾個(gè)方面：(1)在總結(jié)已有巖石加卸荷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)卸荷方式、卸荷速率以及初始損傷程度是影響巖石卸荷機(jī)理的重要因素。因此本文開(kāi)展了高地應(yīng)力條件下砂巖在不同卸荷方式、卸荷速率和初始損傷程度影響下的卸荷試驗(yàn),系統(tǒng)研究三種主控因素對(duì)砂巖強(qiáng)度特征、變形特征、擴(kuò)容演化規(guī)律以及破壞模式的影響,為巖爆孕育發(fā)生機(jī)理的研究提供了重要的依據(jù)。(2)能量運(yùn)移釋放是巖爆發(fā)生的內(nèi)在因素,本文在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)砂巖不同卸荷方式下的能量運(yùn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律進(jìn)行了深入探索。首先分析了三種卸荷方式的能量轉(zhuǎn)化機(jī)理,對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證機(jī)理的準(zhǔn)確性；而后通過(guò)引入能量轉(zhuǎn)化率,分析卸荷速率和初始損傷程度對(duì)砂巖卸荷能量特征的影響,并對(duì)三種卸荷方式下巖爆的傾向性進(jìn)行了嘗試性的分析；最后提出了極限儲(chǔ)能理論,即不同加卸荷路徑,若卸荷速率相等,巖石在同一圍壓下破壞前能夠存儲(chǔ)的最大彈性應(yīng)變能基本相等,說(shuō)明巖石破壞所需能量在一定圍壓下是個(gè)定值,受巖石破壞經(jīng)歷的應(yīng)力路徑影響不大,該結(jié)論可為探討巖爆發(fā)生的能量判據(jù)提供依據(jù)。(3)在砂巖加卸荷試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)卸荷條件下巖石的變形破壞機(jī)理和本構(gòu)模型進(jìn)行了研究,認(rèn)為Mogi-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則在描述巖石卸荷強(qiáng)度破壞規(guī)律方面適用性更強(qiáng)；提出了一種Mogi-Coulomb和Griffith屈服準(zhǔn)則耦合的巖石卸荷屈服準(zhǔn)則,并基于彈塑性理論建立了巖石卸荷條件下的漸進(jìn)破壞本構(gòu)模型；首次提出應(yīng)力跌落系數(shù)與巖爆傾向性的關(guān)系。(4)基于能量釋放理論提出一個(gè)新的巖爆數(shù)值指標(biāo)—巖爆能量釋放率(Rock Burst Energy Release Rate, RBERR), RBERR等值線代表巖爆發(fā)生的可能性大小,數(shù)值越大的區(qū)域巖爆發(fā)生的傾向性越大。后將該指標(biāo)應(yīng)用到錦屏II級(jí)水電站引水隧洞的巖爆實(shí)際工程案例中,其預(yù)測(cè)結(jié)果與巖爆實(shí)際情況基本吻合,驗(yàn)證了指標(biāo)的可靠性和合理性。(5)以淮南新莊孜礦為工程背景進(jìn)行試驗(yàn)和理論的驗(yàn)證,首先采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)尋找62采區(qū)具有巖爆傾向性的危險(xiǎn)區(qū)域,隨后采用巖爆能量釋放率指標(biāo)RBERR預(yù)測(cè)其巖爆具體位置及強(qiáng)度可能性,為后續(xù)的安全支護(hù)工作提供依據(jù),最后將砂巖卸荷試驗(yàn)得到的基本規(guī)律和機(jī)理應(yīng)用到新莊孜礦具體工程中,保證工程經(jīng)濟(jì)、安全、順利地進(jìn)行。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TD313

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本文編號(hào)：1242526