【摘要】：巖爆是礦井和隧道的主要災(zāi)害事故,因此需要研究巖爆的發(fā)生機(jī)制,來預(yù)防這種災(zāi)害的發(fā)生。本文采用實(shí)驗(yàn)研究的方法來研究不同巖性單軸壓縮條件下片狀爆裂彈射特征,并分析其發(fā)生機(jī)制。“巖爆”是一種巖體中聚積的彈性變形勢(shì)能在一定條件下的突然猛烈釋放,導(dǎo)致巖石爆裂并彈射出來的現(xiàn)象。大多數(shù)情況下,這種災(zāi)害伴隨著聲響。這一過程常發(fā)生在深部巖體工程中。這些工程關(guān)乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施的建造。因此,有必要掌握巖爆的發(fā)生機(jī)理,以避免發(fā)生人員傷亡和節(jié)省工程的成本。1898,第一次巖爆事件記錄在印度的KOLE褶皺場(chǎng)中。到1903年底為止,已經(jīng)發(fā)生了七十五次巖爆,造成了嚴(yán)重的人員死亡和設(shè)備損害。如此多的巖爆事故的原因是礦柱上的巨大壓力。十九世紀(jì)初,南非金礦也發(fā)生了巖爆事故。在南非,巖爆事件的發(fā)生頻率要大得多,因此許多研究者將其研究集中在該地區(qū),以識(shí)別和理解巖爆的發(fā)生機(jī)制。據(jù)報(bào)道,1975年,南非共有31座金礦發(fā)生了680起巖爆事故,造成了大量人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。此外,在隧道中也有巖爆事件發(fā)生,發(fā)生過巖爆的隧道包括:Alpes深為2200米的Simon水工隧洞,日本的Shimizu隧道(深度范圍:1000米至1300米),Keestu隧道(深度:730米到1050米)。由于各向異性應(yīng)力,陡峭山谷下方的剝落大多數(shù)與巖爆有關(guān)。例如,在24.5公里長(zhǎng)的拉爾達(dá)爾隧道施工中,多次觀察到中等強(qiáng)度的板巖和剝落,并記錄了幾起巖爆事件。1933年,第一次沖擊礦壓發(fā)生在中國(guó)撫順勝利煤礦。根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù),從1949年到1997年,超過2000起的巖爆事故發(fā)生在中國(guó)的33座礦山中。從2001年到2007,在中國(guó)的深部金屬礦山中,超過13000起的巖爆事故已被記錄,傷亡人數(shù)至少有16000人。在錦屏II級(jí)水電項(xiàng)目建設(shè)過程中,四個(gè)高壓隧道發(fā)生了多起巖爆事故。近三十年來,研究人員一直在關(guān)注幾個(gè)有巖爆危險(xiǎn)發(fā)生的工程,包括天生橋引水隧洞、Taipingyi水電站、Ertan水電站、西康鐵路秦嶺隧道、四川二郎隧道、西藏高速公路和錦屏二級(jí)水電站沿雅礱江的引水隧洞。近年來,為了解決沖擊地壓的難題,相關(guān)研究人員和專家對(duì)此做出了一定的貢獻(xiàn)。然而,由于這是一個(gè)復(fù)雜過程,因此還需要進(jìn)一步地研究。目前,巖爆機(jī)理和預(yù)測(cè)有關(guān)的研究大多與巖體的力學(xué)性質(zhì)和行為有關(guān),還需要進(jìn)一步研究能量、斷裂力學(xué)、突變理論與數(shù)值分析。本研究目的是研究和識(shí)別煤巖體在單軸抗壓強(qiáng)度下的爆裂彈射機(jī)理。另外,彈出的速度也是預(yù)測(cè)爆裂彈射破壞所必需的。沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理需要計(jì)算出可能對(duì)礦山工人造成的傷害,如由礦山機(jī)械(輕微損壞或落下)或礦井的支護(hù)系統(tǒng),(墜落的錨桿和網(wǎng)狀物)造成的傷害。遺憾的是,目前尚無直接預(yù)測(cè)巖爆方法。在深部工程中,研究人員往往依賴于巖體的力學(xué)性質(zhì)、開挖尺寸和周圍地震活動(dòng)等。在采礦過程中,開采接近構(gòu)造應(yīng)力區(qū),如褶皺、斷層、殘留的支柱等,發(fā)生巖爆機(jī)會(huì)較多。根據(jù)以往的研究成果,巖爆一般分為應(yīng)變破裂型、滑移破裂型及其組合模式。然而,這些研究并沒有解決巖爆機(jī)制。因此,本課題的研究重點(diǎn)是解決巖石爆裂彈射機(jī)理。在進(jìn)行研究過程中,一些少量的因素是非常重要的。這些重要的因素可以節(jié)省大量的時(shí)間和資源。一個(gè)因素是:問題的識(shí)別,識(shí)別問題和研究者進(jìn)行研究的原因是非常重要的。另一個(gè)因素是:可用的資源;有必要列出所有可能的資源,進(jìn)行良好的研究這是非常必要的。它包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(地質(zhì)、力學(xué)等)的可用性、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備(這些設(shè)備是樣品制備和進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所必需的)的可用性。本次實(shí)驗(yàn)所用到的實(shí)驗(yàn)儀器如下:(1)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)采用電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)制備的巖心樣品進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定。該機(jī)具有1000 kN的負(fù)載能力,位移分辨率可達(dá)0.2μm。數(shù)據(jù)采集頻率可達(dá)1000 Hz,加載速率為0.5 MPa/s。為了保證在試樣的整個(gè)接觸面上施加均勻的應(yīng)力,必須將試樣置于中心并平行于機(jī)器的支承板。此外,為了減少“端部效應(yīng)”,潤(rùn)滑油被施加在樣品的端面上。潤(rùn)滑的目的是減少試樣端面與機(jī)器軸承板之間的摩擦。單軸抗壓強(qiáng)度可以被描述為:通過壓縮所制備的試樣,記錄巖石破壞時(shí)的載荷。它是試樣上的最大載荷與試樣的橫截面積之比。橫截面面積可以通過試樣尺寸來計(jì)算。(2)聲發(fā)射儀當(dāng)材料中局域源快速釋放能量產(chǎn)生瞬態(tài)彈性波時(shí),可以記錄到聲發(fā)射事件�；臼录c滑移面積、位錯(cuò)和應(yīng)力降有關(guān)。通常觀察到兩種類型的聲發(fā)射波形,一種具有快速衰減的振幅,另一種沒有明顯的振幅衰減�？焖偎p的聲發(fā)射事件通常包括上升時(shí)間、峰值幅度、到達(dá)時(shí)間、事件持續(xù)時(shí)間、檢測(cè)閾值、能量和能量速率。聲發(fā)射速率指示微破裂強(qiáng)度,并已被用于識(shí)別巖石中的損傷。在所有事件中釋放的總能量稱為聲發(fā)射累積能量。在聲發(fā)射技術(shù)的幫助下,在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中可以觀察到巖石的損傷過程,而且監(jiān)測(cè)所需的時(shí)間和成本也較短。這項(xiàng)技術(shù)具有廣泛的工程應(yīng)用,如與其他方法集成的組合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以幫助評(píng)估結(jié)構(gòu)的安全性。在試樣安裝了兩個(gè)聲發(fā)射傳感器。聲發(fā)射探頭類型為R.45,前置放大器類型為BP-SIS。采樣頻率為5 MHz,電磁輻射閾值為20 dB,聲發(fā)射探頭閾值為39 dB,預(yù)增益(前置放大器增益)設(shè)置為60dB,聲發(fā)射探頭(濾波器低)高通量設(shè)置為1 kHz,低通設(shè)置為400 kHz。(3)紅外攝像儀紅外相機(jī)的幀速率為100/s,幀尺寸為640×480,室溫為22℃,與測(cè)試塊的距離為1.6米。紅外熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以測(cè)量樣品的表面溫度。紅外熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以用來監(jiān)測(cè)溫度的變化。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可以得到溫度大小來研究樣品的溫度變化特性,從而來了解巖爆發(fā)生的機(jī)制。該紅外系統(tǒng)已被用來作為非接觸和非破壞性的技術(shù)來研究樣品內(nèi)部的裂紋。紅外系統(tǒng)和圖像處理方法被用于巖體力學(xué)和結(jié)構(gòu)行為的可視化。(4)高速攝影機(jī)高速攝影機(jī)的幀速率為100/s,幀速為640×480。距煤樣的距離為1米。高速攝影機(jī)可以用來記錄巖爆過程中彈射出的巖石碎片,是一個(gè)很有用的工具。利用高速攝像機(jī)拍攝的照片記錄了裂紋萌生、擴(kuò)展和合并的過程。換言之,高速攝影機(jī)記錄了巖爆的整個(gè)過程。(5)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀在巖爆過程中,采用動(dòng)態(tài)應(yīng)變放大器和數(shù)據(jù)采集儀器來記錄力和位移變化。該系統(tǒng)由傳感器、放大器、計(jì)算機(jī)和處理軟件組成。數(shù)據(jù)采集速度可達(dá)100 kPs。系統(tǒng)中使用的傳感器就像小型電子芯片。在每個(gè)樣品上粘貼四個(gè)應(yīng)變片,粘貼兩個(gè)垂直和兩個(gè)水平應(yīng)變。這些應(yīng)變片通過導(dǎo)線連接到放大器。實(shí)驗(yàn)樣品取自朔州市平魯區(qū)茂華下梨園煤業(yè)有限公司。礦床位于山西北部。在實(shí)驗(yàn)室中制備了煤、砂巖和青石三種煤巖體試樣,試樣直徑為50 mm,高度為100 mm。通過實(shí)驗(yàn)得到了單軸壓縮下煤巖體片狀爆裂彈射的基本規(guī)律。(1)煤樣煤樣2:應(yīng)力曲線圖顯示應(yīng)力為2.4 MPa和2.7 MPa處應(yīng)力下降,并且在5.7 MPa時(shí)完全破裂,這些應(yīng)力下降處的聲發(fā)射高度活躍。除此之外,紅外熱像儀可以監(jiān)控到試樣內(nèi)部溫度的變化。在室溫下,IR顯示煤樣的溫度為22oC,試樣破壞后升至22.21oC。煤樣3:施加載荷的初始階段AE計(jì)數(shù)出現(xiàn)峰值,第二個(gè)峰值出現(xiàn)在試樣破壞之前。在最大應(yīng)力點(diǎn)之前的應(yīng)力曲線中有四次應(yīng)力降,之后出現(xiàn)一個(gè)應(yīng)力降。這些應(yīng)力降分別發(fā)生在0.24 MPa,2.0 MPa,3.6 MPa,5.2 MPa和7.5 MPa。煤樣在室溫下的初始溫度記錄為22.05oC,最高可達(dá)22.47oC。(2)砂巖砂巖樣品1:應(yīng)力曲線圖表明,試塊受到的峰值應(yīng)力為43 MPa,然后在應(yīng)力曲線中出現(xiàn)最大的應(yīng)力降。最后,在砂巖樣品完全失效之前,又發(fā)生了三次應(yīng)力下降。砂巖破壞之前,AE計(jì)數(shù)較少,破壞之后AE計(jì)數(shù)高度活躍,由于破壞后儲(chǔ)存在砂巖中的彈性能量突然釋放。溫度曲線一直在變化。它隨著載荷的增加而增加,并在最大應(yīng)力點(diǎn)之后立即下降。巖芯樣品的初始溫度和最終溫度分別為22.52oC和22.65oC。砂巖樣品2:砂巖破壞之前,應(yīng)力曲線幾乎是一條線性曲線,只是在最大應(yīng)力水平之前,巖芯樣品表面出現(xiàn)應(yīng)力降,并出現(xiàn)裂紋。應(yīng)力曲線達(dá)到最大應(yīng)力后立即下降,這表明試樣樣品完全失效。彈性變形時(shí),AE計(jì)數(shù)較少,破壞時(shí)AE計(jì)數(shù)較為活躍。溫度曲線一直連續(xù)變化。載荷最大時(shí),溫度達(dá)到最大值。在室溫下,巖芯樣品的初始溫度記錄為22.41oC,實(shí)驗(yàn)中最高可達(dá)22.52oC。砂巖樣品3:砂巖破壞之前,應(yīng)力曲線是一個(gè)線性曲線,直到最大應(yīng)力57 MPa,然后觀察到應(yīng)力突然下降,巖芯完全破壞。在施加的初始載荷水平下,通過AE計(jì)數(shù)觀察到彈性變形。溫度曲線表現(xiàn)與其他砂巖樣品不同,試樣剛開始時(shí),溫度曲線很高,隨后溫度較低。(3)石灰?guī)r石灰?guī)r樣品1:石灰?guī)r加載時(shí)的最大應(yīng)力為50 MPa,然后觀察到巖芯樣品表面出現(xiàn)突然的應(yīng)力下降并發(fā)生破壞。初始載荷作用下,AE計(jì)數(shù)較為活躍之后,AE計(jì)數(shù)較小。紅外攝像儀顯示:最低溫度為21.98oC,最高溫度可達(dá)22.11oC。石灰?guī)r樣品2:石灰?guī)r破壞之前,應(yīng)力曲線是一個(gè)線性曲線,直到最大應(yīng)力50MPa,然后應(yīng)力突然下降,巖芯完全破壞。最低最高溫度分別為22.28oC和22.43oC。石灰?guī)r樣品3:石灰?guī)r破壞之前,應(yīng)力曲線是一個(gè)線性曲線,直到最大應(yīng)力24MPa,然后應(yīng)力突然下降,巖芯完全破壞。紅外攝像儀顯示:溫度的范圍分別在22.67oC到22.79oC之間。巖爆同時(shí)伴隨著巖石的爆裂彈射。彈射出的巖石碎塊對(duì)工人來說,是非常危險(xiǎn)的。破壞強(qiáng)度取決于巖石碎塊的大小和速度。巖爆發(fā)生時(shí)巖石爆裂彈射的速度公式為:(?)根據(jù)上式,分別計(jì)算出所有煤巖試樣彈射速度。據(jù)計(jì)算,速度與巖屑覆蓋的距離和噴射角度成正比。其中砂巖試樣3的彈射速度最大,石灰?guī)r試樣3的彈射速度最小。高速攝像機(jī)被用來觀測(cè)彈射過程。砂巖樣品的壓縮過程中伴有聲響,而煤和石灰?guī)r則沒有聲音。在單軸壓縮試驗(yàn)過程中,大量的砂巖碎屑從巖芯樣品表面噴出并落下一段距離,而石灰?guī)r樣品中只有很少的碎屑彈射出來,煤樣也有大量的煤屑彈射出來。石灰?guī)r樣品與剪切破壞類似,而砂巖和煤樣則為爆裂彈射。高速攝像機(jī)記錄了煤巖體爆裂彈射的全過程。AE計(jì)數(shù)用來分析單軸壓縮下煤巖體的破壞。對(duì)于煤樣,煤樣2的最大AE計(jì)數(shù)率為22,000;對(duì)于砂巖樣品,砂巖樣品1的最大AE計(jì)數(shù)率為30,000,青石樣品的最大AE計(jì)數(shù)率29,000。如果最大AE計(jì)數(shù)率被認(rèn)為是巖石樣品中最大斷裂強(qiáng)度的標(biāo)度,那么砂巖樣品具有最大的斷裂強(qiáng)度。大多數(shù)情況下,AE計(jì)數(shù)率的行為發(fā)生煤巖體破裂時(shí),即加載初期聲發(fā)射計(jì)數(shù)較小,破壞前后較大。然而,青石樣品1和2的兩個(gè)樣品的AE計(jì)數(shù)不是這樣的規(guī)律。在單軸壓縮實(shí)驗(yàn)中,不同巖石類型的樣品呈現(xiàn)出不同的失效模式。砂巖和石灰?guī)r巖芯樣本的基本破壞模式是以長(zhǎng)板形式破壞,而只有少數(shù)彈射板與巖芯樣本高度相同。煤樣的破壞形式則以錐形形式破壞。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TD313

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本文編號(hào)：2718530