基于储能及耗能特性的深部花岗岩能量体系研究

发布时间：2020-09-30 08:38

　　资源的深部开采是未来矿业发展的必然趋势,也是我国“深地”规划战略的重要发展方向。深部岩体在高地应力的地质环境中表现出高度的非线性,受强开采扰动时岩爆等动力灾害问题突出。研究表明,采用能量理论分析岩爆等深部动力灾害问题更加科学有效。本文针对岩爆等深部动力灾害问题,以三山岛金矿千米开采为背景,在岩石能量理论体系的框架下,基于断裂力学理论并考虑岩石弹性应变时滞特征,结合现场地应力实测数据,系统开展了岩体储能及耗能特性的研究,提出了能量均匀化调控理念。(1)线弹性储能是岩爆灾害能量判据的一种典型且重要的评判指标。研究线弹性储能的关键在于确定准确的弹塑性分界点。首先以声发射监测的裂隙初始点作为花岗岩从弹性储能向塑性耗能过渡的分界点,通过岩石单轴和三轴压缩试验,获得了几组典型围压下的线弹性储能值。并为了判定裂隙初始点是否为花岗岩的弹塑性分界点,依托MTS815岩石试验系统的超高控制精度,设计了一系列应力递增的阶梯循环加卸载试验,确定了三组典型围压下的岩石弹塑性分界点,发现这个分界点略大于岩石的裂隙初始点,且该分界点的物理意义更加明确,受仪器设备之间的配合误差也更小。(2)线弹性储能忽略了岩石弹塑性分界点以上峰值强度以下这部分的储能,在该部分岩石虽已发生损伤乃至破坏,但仍具有一定的储能能力。对此,开展了5个典型围压下的全程循环加卸载试验,采用峰值卸载曲线对岩石储能值进行求取,发现该储能计算值为线弹性储能值的1.2倍。同时,在研究中发现深部花岗岩的部分弹性应变具有时滞特征,对此开展了阶段加卸载试验研究。经过20天的滞弹性应变恢复监测,发现岩石在峰值卸载过程中会有5.6%左右的弹性时滞应变无法瞬时回弹,构建了考虑花岗岩时滞特征的弹性储能极限表征体系。(3)断裂力学理论指出,岩石等脆性材料在破坏过程中能量主要消耗于新裂隙的产生以及结构面之间的相互摩擦这两个方面,即分别对应为破碎耗能与摩擦耗能。基于此认识,针对深部花岗岩开展了不同冲击速率下的SHPB动载试验,初步建立了以能量密度为基础的破碎耗能模型。进而利用本团队自研发的高围压自密封SHPB动载冲击围压装置,考虑了深部地应力环境的实际情况,系统开展了4个典型围压和3个应力比(1:1、1:1.5和1:2)的动载冲击试验,进一步完善了深部花岗岩的破碎耗能模型。(4)现有研究大多围绕破碎耗能展开,关于摩擦耗能的研究有限,而摩擦耗能又是岩石能量体系中不可忽视的一部分。针对这部分不可忽略的摩擦耗能,设计了一种深部花岗岩剪切摩擦试验方法,通过开展不同竖直应力下的剪切摩擦试验,获得了深部花岗岩的摩擦耗能特性。进而,综合双目激光扫描、分形理论和PFC数值模拟等手段对摩擦耗能机制展开了探讨,研究发现,深部花岗岩的摩擦耗能主要消耗在表征结构面宏观起伏趋势的起伏度特征上,且随着竖直应力的增加,深部花岗岩摩擦耗能方式为由爬升向剪切破坏过渡。(5)最后,文章基于上述对深部花岗岩弹性储能机制与破碎、摩擦耗能特性的研究结果,以1000m深的三山岛金矿开采为例,以现场地应力实测数据为应力边界,模拟分析了矿山6个采场采用房柱法开采后90根矿柱的岩爆灾害趋势。并通过改进的SHPB长试样冲击试验,初步探讨了岩石能量的一维传播与散射规律,验证了能量具有可调控的可行性。在此基础上,以减小开挖扰动后能量积聚为主线,提出了能量均匀化理念,探索性地构建了锚网拱架协同支护体系,在一定程度上实现了围岩体能量的均匀展布,对深部开采中岩爆等动力灾害问题的防治提出了新思路。
【学位单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD863;TD313
【部分图文】：

开采深度,金属矿

分布表到下１万米，目前世界先进水平勘探开采深度已达２５００逡逑米至４０００米，而我国大多小于５００米，向地球深部进军是我们必须解决的战逡逑略科技问题”邋［１］。中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年逡逑（２０１６－２０２０年）规划纲要也提出了要加强深海、深地、深空、深蓝四个领逡逑域的战略高技术部署［２］。深孔钻探、深地实验室、深地质封存、地下城市等逡逑重大深部工程也日渐兴盛。２０１８年５月２６日，松科二井胜利完井，完钻井逡逑深达７０１８米，成为亚洲国家实施的最深大陆科学钻井，也是国际大陆科学钻逡逑探计划（ＩＣＤＰ）成立２２年来实施的最深钻井。２０１０年１２月１２日，中国首逡逑个极深地下实验室一一“中国锦屏地下实验室”在四川雅砻江锦屏水电站投入逡逑使用，锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达２４００米，是目前世界上岩石覆盖最深逡逑的实验室。目前，世界上煤炭开采深度已达１５００邋ｍ，地热开采深度己超过３０００逡逑有色金属矿开懫深度超过４０００邋ｍ，油气资源开采深度达７５００邋ｍ［３］。目前，逡逑国外采深在１０００邋ｍ以上的金属矿山己超过１２０座，尤以加拿大、南非、澳大逡逑利亚、美国等国家最具代表性，其中南非的Ｍｐｏｎｅｎｇ邋Ｇｏｌｄ邋Ｍｉｎｅ开采深度高逡逑达４３５０邋ｍ，目前世界上开采深度超过２５００邋ｍ的主要金属矿井见图１－１所示。逡逑Ｍｐｏｎｅｎｇ邋Ｇｏｌｄ邋Ｍｉｎｅ，逦Ｄｒｉｅｆｏｎｔｅｉｎ邋Ｇｏｌｄ邋Ｍｉｎｅ，逡逑－

金属矿山,深部,岩爆

逡逑随着开采深度的增加，岩体应力水平不断提高，工程环境愈发恶劣，工逡逑程活动诱发的岩爆、板裂、分区破裂等深部高能级动力灾害问题日益凸显，逡逑发生频率逐渐增高，灾害类型日趋复杂，往往造成开挖工作面的严重破坏、逡逑大规模地表塌陷、大范围生态环境破坏、设备损坏和人员伤亡等不可挽回的逡逑重大损失，严重威胁着矿山工程的安全与稳定［４］。南非是世界上最早进入深逡逑部开采的国家，丨９８７－１９９５年间，因岩爆和岩崩引起的受伤率和死亡率分别逡逑占南非采矿工业的１／４和１／２以上［５］。印度Ｋｏｌａｒ金矿的岩爆事件导致距离岩逡逑爆震中２？３邋ｋｍ处的建筑物被毁，岩爆事件所释放的能量相当于４．５？５．０级地逡逑震所释放的能量。１８９８年印度石英脉型矿床科拉尔金矿采用空场采矿法开采逡逑到３２０邋ｍ深度时出现了岩爆现象。岩爆问题是由来己久的世界性难题，自１７３８逡逑年英国莱比锡煤矿岩爆首次报道以来，联邦德国、南非、中国、前苏联、波逡逑兰、捷克斯洛伐克、匈牙利、保加利亚、奥地利、意大利、瑞典、挪威、新逡逑西兰、美国、法国、加拿大、日本、印度、比利时、安哥拉、瑞士等众多国逡逑家和地区相继记录有岩爆问题。逡逑

示意图,深部岩体,释放荷载,示意图

地应力测试方法逡逑部开采与浅部开采的最大区别在于开挖前岩体内己储存了大量量聚集、转移、消耗、释放和演化，造成了岩石损伤和破坏，各种动力灾害的形成。而高地应力是岩石内部积聚能量的直接掌握深部地应力规律，是解决高应力条件下开挖导致的深部工［１９］。地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称、绝对应力或原岩应力，主要由地球水平方向的构造应力和垂应力两部分组成，是引起采矿、水利水电、土木建筑、铁道、其他各种地下或露天岩石开挖工程变形和破坏的根本作用力［Ｍ］据测量基本原理的不同，目前的地应力测试方法分直接测量法两类：直接测量法由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如复应力、平衡应力等，并根据这些应力量与原岩应力的相互关原岩应力值，在计算过程中并不涉及不同物理量的换算，不需

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