深部巷道围岩能量场演化机制与吸能锚杆支护机理研究
发布时间：2021-03-28 13:26
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。众多研究资料表明,深部岩体在高地应力的地质环境中表现出高度的非线性,受强扰动开采时会诱发岩爆、微震等一系列动力灾害,这些灾害的本质是能量非线性演化至灾变的过程,因此,从能量角度出发研究巷道失稳问题更加有效。本文采用理论分析、室内实验、数值模拟和井下试验相结合的研究方法,对深部巷道失稳破坏过程中围岩体能量场演化机制及高阻尼吸能锚杆的动态吸能特性开展了系统研究。（1）围岩变形破坏本质是能量积聚、耗散和释放综合作用结果。在弹性力学理论框架下,根据Hoek-Brown强度准则,推导距临空面不同位置岩体弹性应变能积聚和释放分布规律;由线弹性断裂力学,采用压剪滑移模型研究裂纹扩展的摩擦热能和表面能。考虑到高应力环境下,岩体裂纹尖端塑性变形所耗散塑性能越发凸显,根据双剪统一强度理论确定Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹尖端的塑性区边界曲线方程,据此结合弹塑性力学获得了塑性变形的塑性能。基于裂纹扩展能量平衡,结合算例分析各部分能量空间展布。（2）对于岩爆灾害时空演化规律复杂性,开展了不同硐径比的圆形模型巷道双向加载试验再现岩爆现象。试验时辅...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１世界上几处开釆深度超过２５００?ｍ的金属矿井??－１?－??
开采深度??达１４００ｍ、山东玲珑金矿采深１１５０ｍ、山东三山岛金矿开采深度接近１０５０ｍ、??金川二矿区采深ｌ〇〇〇ｍ，此外会泽铅锌矿、六苴铜矿、文峪金矿、憧关中金??矿、阿舍勒铜矿等矿山都己逐步进入深部开采阶段［８１。按目前的开采进度，??我国金属矿山幵采深度每年以１０？２５ｍ增加，在未来１０？１５年内，预计有三??分之一的金属矿山达到或超过１０００ｍ，其中最深开采深度可达２０００ｍ以上，??金属矿山超千米开采是未来发展的必然趋势［９］。我国采深ｌ〇〇〇ｍ以上金属矿??山统计如图１－２所示。??－２。。－?■■■■■■■■■■■■■■■■??Ｈ年■皮礴■■■■瓜西舍山…約长??－４００－?ＩＩＩ??－ｒ梓■＊■■■■■铜醒铜金矿洲铁??＾?－６００－?Ｉ??￥＝?Ｈ?Ｉ，？??－１４００－?■?■■■■??－１６００－?■??图１－２我国采深１０００ｍ以上金属矿山统计??大量工程实践发现，随着采矿作业不断向深部发展，岩体所处地质力学??环境环境愈加复杂，即高地应力、高孔隙水压、高地温及动力扰动环境，使??岩体的基本力学特征、组织结构及工程响应发生根本性变化，进而诱使岩爆、??冒顶、岩块弹射等动力灾害发生频率愈加频繁、破坏强度急剧加大，且时常??造成工作面、设备损坏，威胁工作人员生命安全以岩爆为例，最早记录??可追溯到１８世纪３０年代英国莱比锡煤矿。此后世界上２０多个国家，如南非、??美国、前苏联、印度、智利、瑞典等各地的硬岩矿山等相继发生各种强度不??等的岩爆。南非采矿是世界上拥有深部竖井最多的国家，开采深度可达??２０００？４５００ｍ。据统计在１９８７？１９９５年，因岩爆事件引起的死亡率占南非采矿??
?北京科技大学博士学位论文???弱，新旧裂纹扩展所耗散表面能、塑性热能、摩擦热能和辐射能大幅度增加；??应变软化阶段（Ｖ），裂隙沿最大主应力方向快速贯通，前期积聚弹性能??释放出来，转化为表面能、热能、碎块弹射能等。各种能量间转化关系如图??３－１所示。??外力做功??局部应力集中?？灘方育??，＿＿ｖ＿＿?ｍ????裂散?丨应变“存Ｉ?｜断＾能｜?ｃ＝＞新｜｜Ｓ散??｜?１Ｓ?｜?Ｉ裂ｌｉｇ敢Ｉ丨麵放Ｉ??，５??摩擦織｜?｜獅｜丨声織｜?ｊ謝能??图３－１岩石变形破坏过程中能量转化关系??３．２围岩破裂过程能置积聚与释放??３．２．１弹性能分布特征??深部金属资源开采前岩体处于三维受力状态分别为尸、ｇ和Ｏｚ，其中户和??＜７为水平向应力，〇ｚ，为垂直向应力。假设岩体开挖前为均质、连续和各向同??性的弹性体，且沿硐室掘进方向不产生变形，即可视为平面问题。硐室力学??计算模型如图３－２所示。??ｆ?ｔ?Ｉ?Ｉ?｜?Ｉ?Ｉ?；?１??：＾１：??ｒ?暑—??？?：：??Ｉ??＂１?￣￣ｆ￣ｆ￣ｉ￣￣ｔ￣ｆ￣ｆ￣ｒ??图３－２硐室应力计算模型??围岩内弹性应变能是一个标量，可以衡量单位体积内岩体储存能量大校??由胡克定律可以获得弹性应变能计算公式为：??－１９－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同围压下闭合单裂隙砂岩力学响应及能量耗散机制研究[J]. 于辉,刘少伟,贾后省,王树立. 采矿与安全工程学报. 2020(02)
[2]含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取[J]. 来兴平,张帅,崔峰,王泽阳,许慧聪,方贤威. 岩石力学与工程学报. 2020(03)
[3]钻孔卸压防治冲击地压机理及影响因素分析[J]. 马斌文,邓志刚,赵善坤,李少刚. 煤炭科学技术. 2020(05)
[4]侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究[J]. 谷雪斌,郭伟耀,赵同彬,沈宝堂,张东晓. 山东科技大学学报(自然科学版). 2020(01)
[5]卸压孔劈裂局部解危效应试验研究[J]. 张晓君,李晓程,刘国磊,李宝玉. 岩土力学. 2020(S1)
[6]动载冲击地压巷道围岩稳定性多层次控制技术[J]. 焦建康,鞠文君,吴拥政,何杰. 煤炭科学技术. 2019(12)
[7]井壁Ⅰ型裂缝尖端塑性区研究[J]. 崔莹,屈展,赵均海,王萍. 成都理工大学学报(自然科学版). 2019(06)
[8]基于声发射的深层砂岩裂纹发育分类研究[J]. 蔡国军,周扬,陈世豪,贾俊,李苏申,罗巧丽. 水力发电. 2020(02)
[9]单轴压缩下花岗岩声发射、红外特征及损伤演化试验研究[J]. 张艳博,吴文瑞,姚旭龙,梁鹏,田宝柱,黄艳利,梁精龙. 岩土力学. 2020(S1)
[10]循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性[J]. 张英,苗胜军,郭奇峰,王培涛. 工程科学学报. 2019(07)
博士论文
[1]考虑岩体非线弹性的深部地应力测量方法研究[D]. 张亦海.北京科技大学 2020
[2]非贯通交叉型节理岩体巷道围岩定向破裂机理与控制研究[D]. 武旭.北京科技大学 2019
[3]基于储能及耗能特性的深部花岗岩能量体系研究[D]. 陈璐.北京科技大学 2019
[4]NPR锚杆冲击拉伸动力学特性研究[D]. 李晨.中国矿业大学(北京) 2016
[5]深部岩体开挖过程围岩能量调整机制与力学效应[D]. 范勇.武汉大学 2015
[6]岩石变形破坏过程中的能量演化机制[D]. 张志镇.中国矿业大学 2013
[7]高地应力条件下围岩劈裂破坏的力学机理及其能量分析模型研究[D]. 刘宁.山东大学 2009
[8]温度载荷作用下花岗岩力学性质演化及其微观机制研究[D]. 徐小丽.中国矿业大学 2008
硕士论文
[1]加载速率影响的岩石变形场演化及声发射特征实验研究[D]. 邢同振.北方工业大学 2017
本文编号：3105640
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：174 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１世界上几处开釆深度超过２５００?ｍ的金属矿井??－１?－??
开采深度??达１４００ｍ、山东玲珑金矿采深１１５０ｍ、山东三山岛金矿开采深度接近１０５０ｍ、??金川二矿区采深ｌ〇〇〇ｍ，此外会泽铅锌矿、六苴铜矿、文峪金矿、憧关中金??矿、阿舍勒铜矿等矿山都己逐步进入深部开采阶段［８１。按目前的开采进度，??我国金属矿山幵采深度每年以１０？２５ｍ增加，在未来１０？１５年内，预计有三??分之一的金属矿山达到或超过１０００ｍ，其中最深开采深度可达２０００ｍ以上，??金属矿山超千米开采是未来发展的必然趋势［９］。我国采深ｌ〇〇〇ｍ以上金属矿??山统计如图１－２所示。??－２。。－?■■■■■■■■■■■■■■■■??Ｈ年■皮礴■■■■瓜西舍山…約长??－４００－?ＩＩＩ??－ｒ梓■＊■■■■■铜醒铜金矿洲铁??＾?－６００－?Ｉ??￥＝?Ｈ?Ｉ，？??－１４００－?■?■■■■??－１６００－?■??图１－２我国采深１０００ｍ以上金属矿山统计??大量工程实践发现，随着采矿作业不断向深部发展，岩体所处地质力学??环境环境愈加复杂，即高地应力、高孔隙水压、高地温及动力扰动环境，使??岩体的基本力学特征、组织结构及工程响应发生根本性变化，进而诱使岩爆、??冒顶、岩块弹射等动力灾害发生频率愈加频繁、破坏强度急剧加大，且时常??造成工作面、设备损坏，威胁工作人员生命安全以岩爆为例，最早记录??可追溯到１８世纪３０年代英国莱比锡煤矿。此后世界上２０多个国家，如南非、??美国、前苏联、印度、智利、瑞典等各地的硬岩矿山等相继发生各种强度不??等的岩爆。南非采矿是世界上拥有深部竖井最多的国家，开采深度可达??２０００？４５００ｍ。据统计在１９８７？１９９５年，因岩爆事件引起的死亡率占南非采矿??
?北京科技大学博士学位论文???弱，新旧裂纹扩展所耗散表面能、塑性热能、摩擦热能和辐射能大幅度增加；??应变软化阶段（Ｖ），裂隙沿最大主应力方向快速贯通，前期积聚弹性能??释放出来，转化为表面能、热能、碎块弹射能等。各种能量间转化关系如图??３－１所示。??外力做功??局部应力集中?？灘方育??，＿＿ｖ＿＿?ｍ????裂散?丨应变“存Ｉ?｜断＾能｜?ｃ＝＞新｜｜Ｓ散??｜?１Ｓ?｜?Ｉ裂ｌｉｇ敢Ｉ丨麵放Ｉ??，５??摩擦織｜?｜獅｜丨声織｜?ｊ謝能??图３－１岩石变形破坏过程中能量转化关系??３．２围岩破裂过程能置积聚与释放??３．２．１弹性能分布特征??深部金属资源开采前岩体处于三维受力状态分别为尸、ｇ和Ｏｚ，其中户和??＜７为水平向应力，〇ｚ，为垂直向应力。假设岩体开挖前为均质、连续和各向同??性的弹性体，且沿硐室掘进方向不产生变形，即可视为平面问题。硐室力学??计算模型如图３－２所示。??ｆ?ｔ?Ｉ?Ｉ?｜?Ｉ?Ｉ?；?１??：＾１：??ｒ?暑—??？?：：??Ｉ??＂１?￣￣ｆ￣ｆ￣ｉ￣￣ｔ￣ｆ￣ｆ￣ｒ??图３－２硐室应力计算模型??围岩内弹性应变能是一个标量，可以衡量单位体积内岩体储存能量大校??由胡克定律可以获得弹性应变能计算公式为：??－１９－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]不同围压下闭合单裂隙砂岩力学响应及能量耗散机制研究[J]. 于辉,刘少伟,贾后省,王树立. 采矿与安全工程学报. 2020(02)
[2]含水承载煤岩损伤演化过程能量释放规律及关键孕灾声发射信号拾取[J]. 来兴平,张帅,崔峰,王泽阳,许慧聪,方贤威. 岩石力学与工程学报. 2020(03)
[3]钻孔卸压防治冲击地压机理及影响因素分析[J]. 马斌文,邓志刚,赵善坤,李少刚. 煤炭科学技术. 2020(05)
[4]侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究[J]. 谷雪斌,郭伟耀,赵同彬,沈宝堂,张东晓. 山东科技大学学报(自然科学版). 2020(01)
[5]卸压孔劈裂局部解危效应试验研究[J]. 张晓君,李晓程,刘国磊,李宝玉. 岩土力学. 2020(S1)
[6]动载冲击地压巷道围岩稳定性多层次控制技术[J]. 焦建康,鞠文君,吴拥政,何杰. 煤炭科学技术. 2019(12)
[7]井壁Ⅰ型裂缝尖端塑性区研究[J]. 崔莹,屈展,赵均海,王萍. 成都理工大学学报(自然科学版). 2019(06)
[8]基于声发射的深层砂岩裂纹发育分类研究[J]. 蔡国军,周扬,陈世豪,贾俊,李苏申,罗巧丽. 水力发电. 2020(02)
[9]单轴压缩下花岗岩声发射、红外特征及损伤演化试验研究[J]. 张艳博,吴文瑞,姚旭龙,梁鹏,田宝柱,黄艳利,梁精龙. 岩土力学. 2020(S1)
[10]循环荷载下花岗岩应力门槛值的细观能量演化及岩爆倾向性[J]. 张英,苗胜军,郭奇峰,王培涛. 工程科学学报. 2019(07)
博士论文
[1]考虑岩体非线弹性的深部地应力测量方法研究[D]. 张亦海.北京科技大学 2020
[2]非贯通交叉型节理岩体巷道围岩定向破裂机理与控制研究[D]. 武旭.北京科技大学 2019
[3]基于储能及耗能特性的深部花岗岩能量体系研究[D]. 陈璐.北京科技大学 2019
[4]NPR锚杆冲击拉伸动力学特性研究[D]. 李晨.中国矿业大学(北京) 2016
[5]深部岩体开挖过程围岩能量调整机制与力学效应[D]. 范勇.武汉大学 2015
[6]岩石变形破坏过程中的能量演化机制[D]. 张志镇.中国矿业大学 2013
[7]高地应力条件下围岩劈裂破坏的力学机理及其能量分析模型研究[D]. 刘宁.山东大学 2009
[8]温度载荷作用下花岗岩力学性质演化及其微观机制研究[D]. 徐小丽.中国矿业大学 2008
硕士论文
[1]加载速率影响的岩石变形场演化及声发射特征实验研究[D]. 邢同振.北方工业大学 2017
本文编号：3105640
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