煤矿深部砂岩卸荷特性及岩爆预测方法研究

发布时间：2017-12-01 21:24

  本文关键词：煤矿深部砂岩卸荷特性及岩爆预测方法研究

  更多相关文章： 高地应力 卸荷路径 卸荷速率 初始损伤程度 强度准则 岩爆倾向性 微震监测技术

【摘要】：近年来,经济社会的迅速发展已促使基础工程建设和资源开采逐步向深部开展,深埋地下工程中的岩爆问题成为制约工程建设的技术性难题。然而,岩爆孕育发生机理和倾向性预测方法的研究仍满足不了现实工程中治理岩爆的需求,因此深入研究岩爆的机理,寻找切实可行的岩爆预测方法已成为地下工程中诸多课题的研究重点。本文以淮南新庄孜矿为工程背景,通过对采自新庄孜矿的砂岩开展三轴加卸荷试验,研究砂岩在卸荷条件下的强度变形特征、能量运移转化机理以及破坏模式,借此对岩爆孕育发生机理进行深入探索；在卸荷试验的基础上,提出卸荷条件下适应性更强的强度准则和本构模型,并尝试性地提出了岩石脆性跌落系数与岩爆倾向性的关系；在系统总结已有岩爆倾向性数值指标的基础上,提出了岩爆能量释放率指标RBERR,并将其应用到岩爆工程实例中验证指标的合理性；将前文的试验和理论成果应用到淮南新庄孜矿62采区,预测岩爆可能发生的位置和强度,为后续的工程支护提供可靠依据；根据前文砂岩的三轴加卸荷试验,总结初始损伤程度和卸荷速率对围岩稳定性的影响规律,将该规律应用到淮南新庄孜矿的工程实践中。具体内容可分为以下几个方面：(1)在总结已有岩石加卸荷试验的基础上,发现卸荷方式、卸荷速率以及初始损伤程度是影响岩石卸荷机理的重要因素。因此本文开展了高地应力条件下砂岩在不同卸荷方式、卸荷速率和初始损伤程度影响下的卸荷试验,系统研究三种主控因素对砂岩强度特征、变形特征、扩容演化规律以及破坏模式的影响,为岩爆孕育发生机理的研究提供了重要的依据。(2)能量运移释放是岩爆发生的内在因素,本文在试验的基础上,对砂岩不同卸荷方式下的能量运移转化规律进行了深入探索。首先分析了三种卸荷方式的能量转化机理,对比试验结果验证机理的准确性；而后通过引入能量转化率,分析卸荷速率和初始损伤程度对砂岩卸荷能量特征的影响,并对三种卸荷方式下岩爆的倾向性进行了尝试性的分析；最后提出了极限储能理论,即不同加卸荷路径,若卸荷速率相等,岩石在同一围压下破坏前能够存储的最大弹性应变能基本相等,说明岩石破坏所需能量在一定围压下是个定值,受岩石破坏经历的应力路径影响不大,该结论可为探讨岩爆发生的能量判据提供依据。(3)在砂岩加卸荷试验的基础上,对卸荷条件下岩石的变形破坏机理和本构模型进行了研究,认为Mogi-Coulomb强度准则在描述岩石卸荷强度破坏规律方面适用性更强；提出了一种Mogi-Coulomb和Griffith屈服准则耦合的岩石卸荷屈服准则,并基于弹塑性理论建立了岩石卸荷条件下的渐进破坏本构模型；首次提出应力跌落系数与岩爆倾向性的关系。(4)基于能量释放理论提出一个新的岩爆数值指标—岩爆能量释放率(Rock Burst Energy Release Rate, RBERR), RBERR等值线代表岩爆发生的可能性大小,数值越大的区域岩爆发生的倾向性越大。后将该指标应用到锦屏II级水电站引水隧洞的岩爆实际工程案例中,其预测结果与岩爆实际情况基本吻合,验证了指标的可靠性和合理性。(5)以淮南新庄孜矿为工程背景进行试验和理论的验证,首先采用微震监测技术寻找62采区具有岩爆倾向性的危险区域,随后采用岩爆能量释放率指标RBERR预测其岩爆具体位置及强度可能性,为后续的安全支护工作提供依据,最后将砂岩卸荷试验得到的基本规律和机理应用到新庄孜矿具体工程中,保证工程经济、安全、顺利地进行。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD313

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