深部高应力矿床岩体开采扰动响应特征研究

发布时间：2018-03-25 02:16

本文选题：原位状态　切入点：高地应力　出处：《北京科技大学》2015年博士论文

【摘要】：随着采深增加和开采强度不断加大,我国煤矿冲击地压日趋严重和复杂。与浅部开采相比,深部开采时岩体处于高地应力、高地温、高承压水体及爆破、机械开挖动力扰动(“三高一扰动”)的特殊复杂力学环境。深部岩体在高应力状态下具有高储能特性,受开挖扰动后积聚的高能量突然释放易造成动力灾害。深部岩体所处的应力、能量状态对于其扰动所产生的响应有关键影响。因此,论文以深部岩体原位状态分析为基础,以应力、能量演化为主线来分析深部高应力岩体的开采扰动响应特征及其致灾机理,取得以下成果： 1.深部工程岩体是一个多场、多相、多状态的复杂地质体,通过对现有的研究理论和工程现象总结分析,提出以应力、温度、熵等状态函数来表征岩体的原位状态,并结合实际工程特点与需要,重点分析了应力场和能量场的特征。在应力场中着重分析了构造应力场的特性及其影响因素与分布特征,构造应力场是势场,非独立场、不稳定场以及变形力场,在我国目前煤矿开采深度1000-1500m范围内,构造应力以水平应力为主,随着深度的增加增长显著,且大小分布较为分散,但是其方向性明显。同时针对应力应变状态空间分析深部动力灾害响应所存在的一些不足,探讨了构建应力应变梯度与能量密度梯度状态空间体系,通过现有状态空间的映射来建立相应的本构和准则的可能。 2.通过设计室内岩石加卸载扰动与声发射联合试验,对高应力荷载岩石的加卸载扰动响应特征进行分析,获得以下结论：岩石单轴加卸载扰动试验分析发现选取弹性模量、声发射、变形比为响应的加卸载响应比均表现出随应力水平的变化,特别是岩石处于高应力状态快要破坏时,加卸载响应比会突然增大到一定的值,虽然岩石的岩性和极限强度不同,但是在临界失稳前,加卸载响应比急剧增大的现象却是共同存在的,可以通过扰动加卸载响应比来衡量岩体的稳定状态,从而绕开对深部不同岩体的强度,所处应力水平等条件难以准确获知的困难,单纯的以一个统一的无量纲量值来表征岩体的稳定状态。通过三轴加卸载试验对岩体的扰动能量响应进行分析,发现岩石弹塑性能比曲线在破坏前存在一个拐点,当岩石达到这一应力状态之后,岩石将快速发生破坏,拐点处的应力状态对于岩石失稳预测有重要意义。针对能量在现场难以直接获取的困难,提出建立岩体能量耗散与声发射特征的关系,试验分析显示岩体能量耗散与声发射能存在一个正相关的关系,可以拟合出二者关系公式。最后根据以上扰动响应特征分析提出岩体冲击发生的危险性应该是一个动态的“材料参数”,以此定义了扰动冲击危险势和冲击强度,强调对于某种材料其冲击危险性是由所处应力、能量状态所决定的,可以用加卸载响应比等扰动响应特征来定量分析岩体的冲击危险势和冲击强度。 3.近断层开采扰动造成断层及附近岩体内的应力和能量重新分布,易引发诸如断层矿震、冲击地压等较大的地质灾害。通过引入地震学和地球物理方面的一个重要概念-应力触发,建立了开采扰动引起断层面库仑应力变化的动态模型,提出了开采对断层的扰动效应特征判据,即基于库仑扰动应力变化的断层扰动破坏应力判据,面积判据和梯度判据。库仑扰动应力水平越高,分布范围越大,应力梯度越高,失稳时释放能量就越多越激烈,则潜在的诱发动力灾害的危险性就越大。据此理论结合数值模拟综合分析了鲍店矿近断层开采对断层的扰动致灾效应,分析结果与矿区实际情况基本吻合,为矿井邻近断层开采过程中动力灾害的预测和控制提供科学依据。 4.由于实际工程中某一原位状态的岩体系统,可能包含有不同储能特性的岩体。当这一原位状态受到某一扰动时,不同储能体产生的响应不一样,相互作用时的机制也不同,造成系统发生动力冲击的条件和冲击的强度也不同。在对两种不同储能岩体组合系统相互作用的机制及其动力失稳的条件分析基础上,建立了开采扰动冲击源模型,即在同一时间参与同一力学过程的释能体和破裂体的组合,冲击源在时间上是动态的,空间上是变边界的。分析了冲击源的力学机制与冲击条件及此过程中的能量演化特征,并以华亭煤矿开采扰动冲击事件为实例对冲击源冲击强度、空间尺度及应力降问的相关性进行了分析,得出华亭矿区冲击源尺度在公里级范围。对巷道冲击源释能体应力降模式进行了探讨,提出在冲击源不同位置其应力降大小与其到破裂体中心的距离存在一个指数关系。最后提出了根据两体相互作用的耦合响应特征通过监测冲击源应力相关区域来构建冲击灾害监测系统的构想。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD31

【参考文献】