資源的深部開采是未來礦業(yè)發(fā)展的必然趨勢,也是我國“深地”規(guī)劃戰(zhàn)略的重要發(fā)展方向。深部巖體在高地應(yīng)力的地質(zhì)環(huán)境中表現(xiàn)出高度的非線性,受強(qiáng)開采擾動時巖爆等動力災(zāi)害問題突出。研究表明,采用能量理論分析巖爆等深部動力災(zāi)害問題更加科學(xué)有效。本文針對巖爆等深部動力災(zāi)害問題,以三山島金礦千米開采為背景,在巖石能量理論體系的框架下,基于斷裂力學(xué)理論并考慮巖石彈性應(yīng)變時滯特征,結(jié)合現(xiàn)場地應(yīng)力實測數(shù)據(jù),系統(tǒng)開展了巖體儲能及耗能特性的研究,提出了能量均勻化調(diào)控理念。(1)線彈性儲能是巖爆災(zāi)害能量判據(jù)的一種典型且重要的評判指標(biāo)。研究線彈性儲能的關(guān)鍵在于確定準(zhǔn)確的彈塑性分界點。首先以聲發(fā)射監(jiān)測的裂隙初始點作為花崗巖從彈性儲能向塑性耗能過渡的分界點,通過巖石單軸和三軸壓縮試驗,獲得了幾組典型圍壓下的線彈性儲能值。并為了判定裂隙初始點是否為花崗巖的彈塑性分界點,依托MTS815巖石試驗系統(tǒng)的超高控制精度,設(shè)計了一系列應(yīng)力遞增的階梯循環(huán)加卸載試驗,確定了三組典型圍壓下的巖石彈塑性分界點,發(fā)現(xiàn)這個分界點略大于巖石的裂隙初始點,且該分界點的物理意義更加明確,受儀器設(shè)備之間的配合誤差也更小。(2)線彈性儲能忽略了巖石彈塑性分界點以上峰值強(qiáng)度以下這部分的儲能,在該部分巖石雖已發(fā)生損傷乃至破壞,但仍具有一定的儲能能力。對此,開展了5個典型圍壓下的全程循環(huán)加卸載試驗,采用峰值卸載曲線對巖石儲能值進(jìn)行求取,發(fā)現(xiàn)該儲能計算值為線彈性儲能值的1.2倍。同時,在研究中發(fā)現(xiàn)深部花崗巖的部分彈性應(yīng)變具有時滯特征,對此開展了階段加卸載試驗研究。經(jīng)過20天的滯彈性應(yīng)變恢復(fù)監(jiān)測,發(fā)現(xiàn)巖石在峰值卸載過程中會有5.6%左右的彈性時滯應(yīng)變無法瞬時回彈,構(gòu)建了考慮花崗巖時滯特征的彈性儲能極限表征體系。(3)斷裂力學(xué)理論指出,巖石等脆性材料在破壞過程中能量主要消耗于新裂隙的產(chǎn)生以及結(jié)構(gòu)面之間的相互摩擦這兩個方面,即分別對應(yīng)為破碎耗能與摩擦耗能�；诖苏J(rèn)識,針對深部花崗巖開展了不同沖擊速率下的SHPB動載試驗,初步建立了以能量密度為基礎(chǔ)的破碎耗能模型。進(jìn)而利用本團(tuán)隊自研發(fā)的高圍壓自密封SHPB動載沖擊圍壓裝置,考慮了深部地應(yīng)力環(huán)境的實際情況,系統(tǒng)開展了4個典型圍壓和3個應(yīng)力比(1:1、1:1.5和1:2)的動載沖擊試驗,進(jìn)一步完善了深部花崗巖的破碎耗能模型。(4)現(xiàn)有研究大多圍繞破碎耗能展開,關(guān)于摩擦耗能的研究有限,而摩擦耗能又是巖石能量體系中不可忽視的一部分。針對這部分不可忽略的摩擦耗能,設(shè)計了一種深部花崗巖剪切摩擦試驗方法,通過開展不同豎直應(yīng)力下的剪切摩擦試驗,獲得了深部花崗巖的摩擦耗能特性。進(jìn)而,綜合雙目激光掃描、分形理論和PFC數(shù)值模擬等手段對摩擦耗能機(jī)制展開了探討,研究發(fā)現(xiàn),深部花崗巖的摩擦耗能主要消耗在表征結(jié)構(gòu)面宏觀起伏趨勢的起伏度特征上,且隨著豎直應(yīng)力的增加,深部花崗巖摩擦耗能方式為由爬升向剪切破壞過渡。(5)最后,文章基于上述對深部花崗巖彈性儲能機(jī)制與破碎、摩擦耗能特性的研究結(jié)果,以1000m深的三山島金礦開采為例,以現(xiàn)場地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)為應(yīng)力邊界,模擬分析了礦山6個采場采用房柱法開采后90根礦柱的巖爆災(zāi)害趨勢。并通過改進(jìn)的SHPB長試樣沖擊試驗,初步探討了巖石能量的一維傳播與散射規(guī)律,驗證了能量具有可調(diào)控的可行性。在此基礎(chǔ)上,以減小開挖擾動后能量積聚為主線,提出了能量均勻化理念,探索性地構(gòu)建了錨網(wǎng)拱架協(xié)同支護(hù)體系,在一定程度上實現(xiàn)了圍巖體能量的均勻展布,對深部開采中巖爆等動力災(zāi)害問題的防治提出了新思路。
【學(xué)位單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TD863;TD313
【部分圖文】：

分布表到下１萬米，目前世界先進(jìn)水平勘探開采深度已達(dá)２５００逡逑米至４０００米，而我國大多小于５００米，向地球深部進(jìn)軍是我們必須解決的戰(zhàn)逡逑略科技問題”邋［１］。中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年逡逑（２０１６－２０２０年）規(guī)劃綱要也提出了要加強(qiáng)深海、深地、深空、深藍(lán)四個領(lǐng)逡逑域的戰(zhàn)略高技術(shù)部署［２］。深孔鉆探、深地實驗室、深地質(zhì)封存、地下城市等逡逑重大深部工程也日漸興盛。２０１８年５月２６日，松科二井勝利完井，完鉆井逡逑深達(dá)７０１８米，成為亞洲國家實施的最深大陸科學(xué)鉆井，也是國際大陸科學(xué)鉆逡逑探計劃（ＩＣＤＰ）成立２２年來實施的最深鉆井。２０１０年１２月１２日，中國首逡逑個極深地下實驗室一一“中國錦屏地下實驗室”在四川雅礱江錦屏水電站投入逡逑使用，錦屏地下實驗室垂直巖石覆蓋達(dá)２４００米，是目前世界上巖石覆蓋最深逡逑的實驗室。目前，世界上煤炭開采深度已達(dá)１５００邋ｍ，地?zé)衢_采深度己超過３０００逡逑有色金屬礦開懫深度超過４０００邋ｍ，油氣資源開采深度達(dá)７５００邋ｍ［３］。目前，逡逑國外采深在１０００邋ｍ以上的金屬礦山己超過１２０座，尤以加拿大、南非、澳大逡逑利亞、美國等國家最具代表性，其中南非的Ｍｐｏｎｅｎｇ邋Ｇｏｌｄ邋Ｍｉｎｅ開采深度高逡逑達(dá)４３５０邋ｍ，目前世界上開采深度超過２５００邋ｍ的主要金屬礦井見圖１－１所示。逡逑Ｍｐｏｎｅｎｇ邋Ｇｏｌｄ邋Ｍｉｎｅ，邐Ｄｒｉｅｆｏｎｔｅｉｎ邋Ｇｏｌｄ邋Ｍｉｎｅ，逡逑－

逡逑隨著開采深度的增加，巖體應(yīng)力水平不斷提高，工程環(huán)境愈發(fā)惡劣，工逡逑程活動誘發(fā)的巖爆、板裂、分區(qū)破裂等深部高能級動力災(zāi)害問題日益凸顯，逡逑發(fā)生頻率逐漸增高，災(zāi)害類型日趨復(fù)雜，往往造成開挖工作面的嚴(yán)重破壞、逡逑大規(guī)模地表塌陷、大范圍生態(tài)環(huán)境破壞、設(shè)備損壞和人員傷亡等不可挽回的逡逑重大損失，嚴(yán)重威脅著礦山工程的安全與穩(wěn)定［４］。南非是世界上最早進(jìn)入深逡逑部開采的國家，丨９８７－１９９５年間，因巖爆和巖崩引起的受傷率和死亡率分別逡逑占南非采礦工業(yè)的１／４和１／２以上［５］。印度Ｋｏｌａｒ金礦的巖爆事件導(dǎo)致距離巖逡逑爆震中２？３邋ｋｍ處的建筑物被毀，巖爆事件所釋放的能量相當(dāng)于４．５？５．０級地逡逑震所釋放的能量。１８９８年印度石英脈型礦床科拉爾金礦采用空場采礦法開采逡逑到３２０邋ｍ深度時出現(xiàn)了巖爆現(xiàn)象。巖爆問題是由來己久的世界性難題，自１７３８逡逑年英國萊比錫煤礦巖爆首次報道以來，聯(lián)邦德國、南非、中國、前蘇聯(lián)、波逡逑蘭、捷克斯洛伐克、匈牙利、保加利亞、奧地利、意大利、瑞典、挪威、新逡逑西蘭、美國、法國、加拿大、日本、印度、比利時、安哥拉、瑞士等眾多國逡逑家和地區(qū)相繼記錄有巖爆問題。逡逑

地應(yīng)力測試方法逡逑部開采與淺部開采的最大區(qū)別在于開挖前巖體內(nèi)己儲存了大量量聚集、轉(zhuǎn)移、消耗、釋放和演化，造成了巖石損傷和破壞，各種動力災(zāi)害的形成。而高地應(yīng)力是巖石內(nèi)部積聚能量的直接掌握深部地應(yīng)力規(guī)律，是解決高應(yīng)力條件下開挖導(dǎo)致的深部工［１９］。地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力，主要由地球水平方向的構(gòu)造應(yīng)力和垂應(yīng)力兩部分組成，是引起采礦、水利水電、土木建筑、鐵道、其他各種地下或露天巖石開挖工程變形和破壞的根本作用力［Ｍ］據(jù)測量基本原理的不同，目前的地應(yīng)力測試方法分直接測量法兩類：直接測量法由測量儀器直接測量和記錄各種應(yīng)力量，如復(fù)應(yīng)力、平衡應(yīng)力等，并根據(jù)這些應(yīng)力量與原巖應(yīng)力的相互關(guān)原巖應(yīng)力值，在計算過程中并不涉及不同物理量的換算，不需

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本文編號：2830622