本文選題：原位狀態(tài)　切入點(diǎn)：高地應(yīng)力　出處：《北京科技大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：隨著采深增加和開(kāi)采強(qiáng)度不斷加大,我國(guó)煤礦沖擊地壓日趨嚴(yán)重和復(fù)雜。與淺部開(kāi)采相比,深部開(kāi)采時(shí)巖體處于高地應(yīng)力、高地溫、高承壓水體及爆破、機(jī)械開(kāi)挖動(dòng)力擾動(dòng)(“三高一擾動(dòng)”)的特殊復(fù)雜力學(xué)環(huán)境。深部巖體在高應(yīng)力狀態(tài)下具有高儲(chǔ)能特性,受開(kāi)挖擾動(dòng)后積聚的高能量突然釋放易造成動(dòng)力災(zāi)害。深部巖體所處的應(yīng)力、能量狀態(tài)對(duì)于其擾動(dòng)所產(chǎn)生的響應(yīng)有關(guān)鍵影響。因此,論文以深部巖體原位狀態(tài)分析為基礎(chǔ),以應(yīng)力、能量演化為主線來(lái)分析深部高應(yīng)力巖體的開(kāi)采擾動(dòng)響應(yīng)特征及其致災(zāi)機(jī)理,取得以下成果： 1.深部工程巖體是一個(gè)多場(chǎng)、多相、多狀態(tài)的復(fù)雜地質(zhì)體,通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的研究理論和工程現(xiàn)象總結(jié)分析,提出以應(yīng)力、溫度、熵等狀態(tài)函數(shù)來(lái)表征巖體的原位狀態(tài),并結(jié)合實(shí)際工程特點(diǎn)與需要,重點(diǎn)分析了應(yīng)力場(chǎng)和能量場(chǎng)的特征。在應(yīng)力場(chǎng)中著重分析了構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的特性及其影響因素與分布特征,構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)是勢(shì)場(chǎng),非獨(dú)立場(chǎng)、不穩(wěn)定場(chǎng)以及變形力場(chǎng),在我國(guó)目前煤礦開(kāi)采深度1000-1500m范圍內(nèi),構(gòu)造應(yīng)力以水平應(yīng)力為主,隨著深度的增加增長(zhǎng)顯著,且大小分布較為分散,但是其方向性明顯。同時(shí)針對(duì)應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)空間分析深部動(dòng)力災(zāi)害響應(yīng)所存在的一些不足,探討了構(gòu)建應(yīng)力應(yīng)變梯度與能量密度梯度狀態(tài)空間體系,通過(guò)現(xiàn)有狀態(tài)空間的映射來(lái)建立相應(yīng)的本構(gòu)和準(zhǔn)則的可能。 2.通過(guò)設(shè)計(jì)室內(nèi)巖石加卸載擾動(dòng)與聲發(fā)射聯(lián)合試驗(yàn),對(duì)高應(yīng)力荷載巖石的加卸載擾動(dòng)響應(yīng)特征進(jìn)行分析,獲得以下結(jié)論：巖石單軸加卸載擾動(dòng)試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)選取彈性模量、聲發(fā)射、變形比為響應(yīng)的加卸載響應(yīng)比均表現(xiàn)出隨應(yīng)力水平的變化,特別是巖石處于高應(yīng)力狀態(tài)快要破壞時(shí),加卸載響應(yīng)比會(huì)突然增大到一定的值,雖然巖石的巖性和極限強(qiáng)度不同,但是在臨界失穩(wěn)前,加卸載響應(yīng)比急劇增大的現(xiàn)象卻是共同存在的,可以通過(guò)擾動(dòng)加卸載響應(yīng)比來(lái)衡量巖體的穩(wěn)定狀態(tài),從而繞開(kāi)對(duì)深部不同巖體的強(qiáng)度,所處應(yīng)力水平等條件難以準(zhǔn)確獲知的困難,單純的以一個(gè)統(tǒng)一的無(wú)量綱量值來(lái)表征巖體的穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)三軸加卸載試驗(yàn)對(duì)巖體的擾動(dòng)能量響應(yīng)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)巖石彈塑性能比曲線在破壞前存在一個(gè)拐點(diǎn),當(dāng)巖石達(dá)到這一應(yīng)力狀態(tài)之后,巖石將快速發(fā)生破壞,拐點(diǎn)處的應(yīng)力狀態(tài)對(duì)于巖石失穩(wěn)預(yù)測(cè)有重要意義。針對(duì)能量在現(xiàn)場(chǎng)難以直接獲取的困難,提出建立巖體能量耗散與聲發(fā)射特征的關(guān)系,試驗(yàn)分析顯示巖體能量耗散與聲發(fā)射能存在一個(gè)正相關(guān)的關(guān)系,可以擬合出二者關(guān)系公式。最后根據(jù)以上擾動(dòng)響應(yīng)特征分析提出巖體沖擊發(fā)生的危險(xiǎn)性應(yīng)該是一個(gè)動(dòng)態(tài)的“材料參數(shù)”,以此定義了擾動(dòng)沖擊危險(xiǎn)勢(shì)和沖擊強(qiáng)度,強(qiáng)調(diào)對(duì)于某種材料其沖擊危險(xiǎn)性是由所處應(yīng)力、能量狀態(tài)所決定的,可以用加卸載響應(yīng)比等擾動(dòng)響應(yīng)特征來(lái)定量分析巖體的沖擊危險(xiǎn)勢(shì)和沖擊強(qiáng)度。 3.近斷層開(kāi)采擾動(dòng)造成斷層及附近巖體內(nèi)的應(yīng)力和能量重新分布,易引發(fā)諸如斷層礦震、沖擊地壓等較大的地質(zhì)災(zāi)害。通過(guò)引入地震學(xué)和地球物理方面的一個(gè)重要概念-應(yīng)力觸發(fā),建立了開(kāi)采擾動(dòng)引起斷層面庫(kù)侖應(yīng)力變化的動(dòng)態(tài)模型,提出了開(kāi)采對(duì)斷層的擾動(dòng)效應(yīng)特征判據(jù),即基于庫(kù)侖擾動(dòng)應(yīng)力變化的斷層擾動(dòng)破壞應(yīng)力判據(jù),面積判據(jù)和梯度判據(jù)。庫(kù)侖擾動(dòng)應(yīng)力水平越高,分布范圍越大,應(yīng)力梯度越高,失穩(wěn)時(shí)釋放能量就越多越激烈,則潛在的誘發(fā)動(dòng)力災(zāi)害的危險(xiǎn)性就越大。據(jù)此理論結(jié)合數(shù)值模擬綜合分析了鮑店礦近斷層開(kāi)采對(duì)斷層的擾動(dòng)致災(zāi)效應(yīng),分析結(jié)果與礦區(qū)實(shí)際情況基本吻合,為礦井鄰近斷層開(kāi)采過(guò)程中動(dòng)力災(zāi)害的預(yù)測(cè)和控制提供科學(xué)依據(jù)。 4.由于實(shí)際工程中某一原位狀態(tài)的巖體系統(tǒng),可能包含有不同儲(chǔ)能特性的巖體。當(dāng)這一原位狀態(tài)受到某一擾動(dòng)時(shí),不同儲(chǔ)能體產(chǎn)生的響應(yīng)不一樣,相互作用時(shí)的機(jī)制也不同,造成系統(tǒng)發(fā)生動(dòng)力沖擊的條件和沖擊的強(qiáng)度也不同。在對(duì)兩種不同儲(chǔ)能巖體組合系統(tǒng)相互作用的機(jī)制及其動(dòng)力失穩(wěn)的條件分析基礎(chǔ)上,建立了開(kāi)采擾動(dòng)沖擊源模型,即在同一時(shí)間參與同一力學(xué)過(guò)程的釋能體和破裂體的組合,沖擊源在時(shí)間上是動(dòng)態(tài)的,空間上是變邊界的。分析了沖擊源的力學(xué)機(jī)制與沖擊條件及此過(guò)程中的能量演化特征,并以華亭煤礦開(kāi)采擾動(dòng)沖擊事件為實(shí)例對(duì)沖擊源沖擊強(qiáng)度、空間尺度及應(yīng)力降問(wèn)的相關(guān)性進(jìn)行了分析,得出華亭礦區(qū)沖擊源尺度在公里級(jí)范圍。對(duì)巷道沖擊源釋能體應(yīng)力降模式進(jìn)行了探討,提出在沖擊源不同位置其應(yīng)力降大小與其到破裂體中心的距離存在一個(gè)指數(shù)關(guān)系。最后提出了根據(jù)兩體相互作用的耦合響應(yīng)特征通過(guò)監(jiān)測(cè)沖擊源應(yīng)力相關(guān)區(qū)域來(lái)構(gòu)建沖擊災(zāi)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)想。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD31

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1661092