纱岭金矿深部地层岩体力学性能与深竖井围岩稳定性分析及控制
发布时间：2021-05-17 15:05
随着浅部矿产资源的日益枯竭,我国逐渐进入深部开采阶段,片帮、岩爆、局部大变形等灾害较浅部在频度和强度方面显著增加,成为深部地下工程建设亟需解决的问题。深部地下工程灾害是由岩石本身力学性能、所处复杂地质环境和开挖扰动力学响应引起的。埋深的增加导致地应力升高,而高地应力导致的围岩片帮、剥落、岩爆以及大变形则是制约深竖井设计和施工的关键因素。深部地层岩石在高地应力作用下力学特性及工程响应较浅部岩石存在明显差异,导致地下工程灾害具有多发性和突发性。因此,开展高地应力作用下深竖井围岩稳定性研究具有重要意义。本文结合国家重点研发计划项目-深部金属矿建井与提升关键技术,从金属矿深竖井开挖围岩稳定性分析及控制这一科学问题出发,依托纱岭金矿在建深竖井为工程背景开展研究。基于深部地层地应力场分布特征、室内岩石力学试验、数值模拟和理论分析,系统研究了不同赋存深度岩石在动、静载荷作用下力学性能、能量演化与分配比例和失稳破坏过程及随深度变化规律,结合声发射监测技术进一步探讨了不同赋存深度岩石失稳破坏过程中声发射信号的频率、时序特征以及硬脆性岩石高地应力作用下致灾机理。最后,采用数值模拟方法模拟了纱岭金矿主井开挖...
【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】：192 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 引言
2 文献综述与研究内容
2.1 “深部”的科学界定
2.2 竖井开挖围岩稳定性分析及控制技术
2.3 岩爆机理及控制措施研究
2.3.1 岩爆机理研究现状
2.3.2 岩石冲击倾向性研究
2.3.3 岩爆防治措施研究
2.4 岩体能量理论研究
2.4.1 岩体储能特征研究
2.4.2 岩体能量耗散特征研究
2.4.3 深部岩体能量释放特征
2.5 声发射在围岩稳定性评价中的应用
2.5.1 声发射不可逆特征研究
2.5.2 声发射b值研究
2.5.3 岩石破裂前兆频谱特征分析
2.6 主要研究内容和技术路线
3 纱岭金矿主井地层完整性评价及地应力分布特征
3.1 纱岭金矿主井穿越地层完整性评价
3.2 地应力测量结果分析
3.2.1 地应力测量目的及意义
3.2.2 水压致裂地应力测量系统及测试过程
3.2.3 地应力测量结果分析
3.2.4 最大水平主应力方向分布特征
3.3 本章小结
4 纱岭金矿深部地层岩石力学性能与冲击危险性分析
4.1 岩样采集与制备
4.2 深部地层岩石细观结构特征
4.2.1 岩石矿物成分及结构形貌
4.2.2 深部地层岩石孔隙结构特征
4.3 单轴压缩作用下深部地层岩石力学性能试验研究
4.3.1 试验方案及力学特征
4.3.2 单轴压缩作用下声发射能量特征
4.3.3 深部岩石单轴压缩作用下裂纹扩展特征
4.3.4 深部地层岩石脆性强度特征
4.4 深部地层岩石三轴压缩作用下力学性能试验研究
4.4.1 试验方案及力学特征分析
4.4.2 三轴压缩作用下声发射时、频参数变异性
4.4.3 AE时间序列分形特征
4.5 深部地层岩石抗拉强度及加载速率效应试验研究
4.5.1 试样制备及试验方法
4.5.2 深部岩石抗拉强度加载速率效应
4.6 深部地层岩石动态冲击作用下力学特征
4.6.1 试验设备简介
4.6.2 动态力学特征
4.6.3 动态冲击下岩样破坏形态
4.7 循环加卸载作用下深部地层岩石力学性能及AE特征研究
4.7.1 循环加卸载试验方案
4.7.2 循环加载对岩体力学性能影响研究
4.7.3 不同围压下岩样扩容特征
4.7.4 深部地层岩石失稳破坏过程与AE信号相关性研究
4.8 不同深度地层岩石冲击危险性
4.8.1 冲击倾向性综合评价
4.8.2 不同埋深岩石冲击危险性
4.9 本章小结
5 深部地层岩石能量演化机制及失稳判据研究
5.1 单轴压缩作用下岩石储能能力随深度变化规律
5.2 三轴压缩作用下深部地层岩石储能特征
5.3 深部地层岩石能量演化机制
5.3.1 能量计算方法
5.3.2 能量演化及分配规律
5.3.3 不同应力水平作用下岩石冲击危险性
5.3.4 工程扰动能量响应特征
5.3.5 基于耗散能岩石损伤及失稳判据
5.4 深部地层岩石失稳破坏能量演化与AE信号相关性
5.4.1 岩石不可逆特征研究
5.4.2 声发射b值演化特征
5.4.3 循环加卸载累计振铃计数与应变关系研究
5.5 冲击载荷下深部花岗岩能量耗散特征
5.6 开挖扰动岩体能量路径探讨
5.7 本章小结
6 深竖井开挖围岩稳定性分析及控制技术
6.1 深竖井围岩稳定性评价指标
6.2 纱岭金矿主井深部地层开挖围岩稳定性
6.2.1 Hoek-Brown准则确定岩体参数
6.2.2 主井开挖位移场随深度变化特征
6.2.3 主井开挖应力场和塑性区随深度变化规律
6.3 不均匀地层对深部井筒稳定性影响
6.4 基于破坏接近度的围岩稳定性分析
6.5 不同深度地层能量场分布特征
6.6 主井深部地层危险区域综合分析及预测
6.7 主井深部地层围岩稳定性控制措施
6.8 本章小结
7 结论及创新点
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]开挖技术对隧道围岩稳定性数值模拟分析[J]. 朱宝合,戴亦军. 公路. 2020(02)
[2]冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及能耗规律[J]. 陈俊宇,裴向军,杜瑞锋,张祺. 科学技术与工程. 2019(31)
[3]Investigating the mechanical and acoustic emission characteristics of brittle failure around a circular opening under uniaxial loading[J]. Peng Li,Fen-hua Ren,Mei-feng Cai,Qi-feng Guo,Hao-fei Wang,Kang Liu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2019(10)
[4]循环加卸载下泥岩能量演化与损伤特性分析[J]. 徐颖,李成杰,郑强强,倪贤,王倩倩. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[5]穿越破碎带的隧道围岩数值模拟及稳定性评价[J]. 王建. 土工基础. 2019(04)
[6]山东蓬莱近海岸的地应力状态及断层稳定性评价[J]. 李兵,丁立丰,王建新,侯砚和,谢富仁. 地质力学学报. 2019(04)
[7]三山岛金矿新立矿区西南翼破碎岩体稳定性控制数值模拟研究[J]. 戚伟,朱乾坤,赵兴东,李威. 有色金属(矿山部分). 2019(04)
[8]干湿循环作用下弱胶结岩石声发射特征试验研究[J]. 宋朝阳,纪洪广,刘志强,张月征,王桦,谭杰. 采矿与安全工程学报. 2019(04)
[9]单轴压缩与劈裂荷载下灰岩声发射b值特性研究[J]. 刘希灵,刘周,李夕兵,韩梦思. 岩土力学. 2019(S1)
[10]冲击载荷作用下层状岩石破碎能耗及块度特征[J]. 武仁杰,李海波,李晓锋,于崇,夏祥,刘黎旺. 煤炭学报. 2020(03)
博士论文
[1]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
[2]倾斜厚大矿体崩落法开采顶板围岩冒落机理与演化规律研究[D]. 朱鹏瑞.北京科技大学 2019
[3]基于孔扩张理论的深立井围岩与井筒相互作用研究[D]. 汪平生.中国矿业大学 2018
[4]硬脆性砂岩强度与变形特性研究[D]. 张诗淮.北京科技大学 2019
[5]北山花岗岩岩爆特征实验研究及现场综合监测分析[D]. 王超圣.中国矿业大学(北京) 2018
[6]高放废物处置库甘肃北山花岗岩围岩长期稳定性研究[D]. 马利科.核工业北京地质研究院 2017
[7]弱胶结砂岩细观结构特征与变形破坏机理研究及应用[D]. 宋朝阳.北京科技大学 2017
[8]胶结充填体结构与动力学特性研究及应用[D]. 曹帅.北京科技大学 2017
[9]开采动力灾害与区域应力场之间的协同机制与响应特征研究[D]. 张月征.北京科技大学 2016
[10]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
硕士论文
[1]朱集西矿千米深井沿空掘巷围岩控制技术研究[D]. 李路恒.中国矿业大学 2019
[2]软弱岩层对深部井筒稳定性的影响规律研究[D]. 鲁竞争.中国矿业大学 2018
[3]某硬岩矿山深部开挖巷道岩爆机理与支护方案研究[D]. 王磊.江西理工大学 2018
[4]深部开采岩爆机理及处理对策研究[D]. 韩瑞庭.武汉工程大学 2017
[5]HOEK-BROWN强度准则的参数取值研究及其工程应用[D]. 田茂霖.山东科技大学 2017
[6]思山岭矿深竖井施工方法及井壁围岩稳定性分析[D]. 孙显腾.东北大学 2015
[7]不同岩石声发射时频特性及其信号识别技术研究[D]. 刘祥鑫.江西理工大学 2012
[8]深井施工围岩稳定性研究[D]. 吴迪.东北大学 2011
[9]终南山隧道大直径深竖井围岩稳定性研究[D]. 杜良平.同济大学 2008
[10]高埋深地下洞室围岩稳定性及支护结构研究[D]. 梁礼绘.天津大学 2007
本文编号：3191973
【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】：192 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
Abstract
1 引言
2 文献综述与研究内容
2.1 “深部”的科学界定
2.2 竖井开挖围岩稳定性分析及控制技术
2.3 岩爆机理及控制措施研究
2.3.1 岩爆机理研究现状
2.3.2 岩石冲击倾向性研究
2.3.3 岩爆防治措施研究
2.4 岩体能量理论研究
2.4.1 岩体储能特征研究
2.4.2 岩体能量耗散特征研究
2.4.3 深部岩体能量释放特征
2.5 声发射在围岩稳定性评价中的应用
2.5.1 声发射不可逆特征研究
2.5.2 声发射b值研究
2.5.3 岩石破裂前兆频谱特征分析
2.6 主要研究内容和技术路线
3 纱岭金矿主井地层完整性评价及地应力分布特征
3.1 纱岭金矿主井穿越地层完整性评价
3.2 地应力测量结果分析
3.2.1 地应力测量目的及意义
3.2.2 水压致裂地应力测量系统及测试过程
3.2.3 地应力测量结果分析
3.2.4 最大水平主应力方向分布特征
3.3 本章小结
4 纱岭金矿深部地层岩石力学性能与冲击危险性分析
4.1 岩样采集与制备
4.2 深部地层岩石细观结构特征
4.2.1 岩石矿物成分及结构形貌
4.2.2 深部地层岩石孔隙结构特征
4.3 单轴压缩作用下深部地层岩石力学性能试验研究
4.3.1 试验方案及力学特征
4.3.2 单轴压缩作用下声发射能量特征
4.3.3 深部岩石单轴压缩作用下裂纹扩展特征
4.3.4 深部地层岩石脆性强度特征
4.4 深部地层岩石三轴压缩作用下力学性能试验研究
4.4.1 试验方案及力学特征分析
4.4.2 三轴压缩作用下声发射时、频参数变异性
4.4.3 AE时间序列分形特征
4.5 深部地层岩石抗拉强度及加载速率效应试验研究
4.5.1 试样制备及试验方法
4.5.2 深部岩石抗拉强度加载速率效应
4.6 深部地层岩石动态冲击作用下力学特征
4.6.1 试验设备简介
4.6.2 动态力学特征
4.6.3 动态冲击下岩样破坏形态
4.7 循环加卸载作用下深部地层岩石力学性能及AE特征研究
4.7.1 循环加卸载试验方案
4.7.2 循环加载对岩体力学性能影响研究
4.7.3 不同围压下岩样扩容特征
4.7.4 深部地层岩石失稳破坏过程与AE信号相关性研究
4.8 不同深度地层岩石冲击危险性
4.8.1 冲击倾向性综合评价
4.8.2 不同埋深岩石冲击危险性
4.9 本章小结
5 深部地层岩石能量演化机制及失稳判据研究
5.1 单轴压缩作用下岩石储能能力随深度变化规律
5.2 三轴压缩作用下深部地层岩石储能特征
5.3 深部地层岩石能量演化机制
5.3.1 能量计算方法
5.3.2 能量演化及分配规律
5.3.3 不同应力水平作用下岩石冲击危险性
5.3.4 工程扰动能量响应特征
5.3.5 基于耗散能岩石损伤及失稳判据
5.4 深部地层岩石失稳破坏能量演化与AE信号相关性
5.4.1 岩石不可逆特征研究
5.4.2 声发射b值演化特征
5.4.3 循环加卸载累计振铃计数与应变关系研究
5.5 冲击载荷下深部花岗岩能量耗散特征
5.6 开挖扰动岩体能量路径探讨
5.7 本章小结
6 深竖井开挖围岩稳定性分析及控制技术
6.1 深竖井围岩稳定性评价指标
6.2 纱岭金矿主井深部地层开挖围岩稳定性
6.2.1 Hoek-Brown准则确定岩体参数
6.2.2 主井开挖位移场随深度变化特征
6.2.3 主井开挖应力场和塑性区随深度变化规律
6.3 不均匀地层对深部井筒稳定性影响
6.4 基于破坏接近度的围岩稳定性分析
6.5 不同深度地层能量场分布特征
6.6 主井深部地层危险区域综合分析及预测
6.7 主井深部地层围岩稳定性控制措施
6.8 本章小结
7 结论及创新点
7.1 结论
7.2 创新点
7.3 展望
参考文献
作者简历及在学研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]开挖技术对隧道围岩稳定性数值模拟分析[J]. 朱宝合,戴亦军. 公路. 2020(02)
[2]冲击载荷作用下砂岩的动力学特性及能耗规律[J]. 陈俊宇,裴向军,杜瑞锋,张祺. 科学技术与工程. 2019(31)
[3]Investigating the mechanical and acoustic emission characteristics of brittle failure around a circular opening under uniaxial loading[J]. Peng Li,Fen-hua Ren,Mei-feng Cai,Qi-feng Guo,Hao-fei Wang,Kang Liu. International Journal of Minerals Metallurgy and Materials. 2019(10)
[4]循环加卸载下泥岩能量演化与损伤特性分析[J]. 徐颖,李成杰,郑强强,倪贤,王倩倩. 岩石力学与工程学报. 2019(10)
[5]穿越破碎带的隧道围岩数值模拟及稳定性评价[J]. 王建. 土工基础. 2019(04)
[6]山东蓬莱近海岸的地应力状态及断层稳定性评价[J]. 李兵,丁立丰,王建新,侯砚和,谢富仁. 地质力学学报. 2019(04)
[7]三山岛金矿新立矿区西南翼破碎岩体稳定性控制数值模拟研究[J]. 戚伟,朱乾坤,赵兴东,李威. 有色金属(矿山部分). 2019(04)
[8]干湿循环作用下弱胶结岩石声发射特征试验研究[J]. 宋朝阳,纪洪广,刘志强,张月征,王桦,谭杰. 采矿与安全工程学报. 2019(04)
[9]单轴压缩与劈裂荷载下灰岩声发射b值特性研究[J]. 刘希灵,刘周,李夕兵,韩梦思. 岩土力学. 2019(S1)
[10]冲击载荷作用下层状岩石破碎能耗及块度特征[J]. 武仁杰,李海波,李晓锋,于崇,夏祥,刘黎旺. 煤炭学报. 2020(03)
博士论文
[1]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
[2]倾斜厚大矿体崩落法开采顶板围岩冒落机理与演化规律研究[D]. 朱鹏瑞.北京科技大学 2019
[3]基于孔扩张理论的深立井围岩与井筒相互作用研究[D]. 汪平生.中国矿业大学 2018
[4]硬脆性砂岩强度与变形特性研究[D]. 张诗淮.北京科技大学 2019
[5]北山花岗岩岩爆特征实验研究及现场综合监测分析[D]. 王超圣.中国矿业大学(北京) 2018
[6]高放废物处置库甘肃北山花岗岩围岩长期稳定性研究[D]. 马利科.核工业北京地质研究院 2017
[7]弱胶结砂岩细观结构特征与变形破坏机理研究及应用[D]. 宋朝阳.北京科技大学 2017
[8]胶结充填体结构与动力学特性研究及应用[D]. 曹帅.北京科技大学 2017
[9]开采动力灾害与区域应力场之间的协同机制与响应特征研究[D]. 张月征.北京科技大学 2016
[10]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
硕士论文
[1]朱集西矿千米深井沿空掘巷围岩控制技术研究[D]. 李路恒.中国矿业大学 2019
[2]软弱岩层对深部井筒稳定性的影响规律研究[D]. 鲁竞争.中国矿业大学 2018
[3]某硬岩矿山深部开挖巷道岩爆机理与支护方案研究[D]. 王磊.江西理工大学 2018
[4]深部开采岩爆机理及处理对策研究[D]. 韩瑞庭.武汉工程大学 2017
[5]HOEK-BROWN强度准则的参数取值研究及其工程应用[D]. 田茂霖.山东科技大学 2017
[6]思山岭矿深竖井施工方法及井壁围岩稳定性分析[D]. 孙显腾.东北大学 2015
[7]不同岩石声发射时频特性及其信号识别技术研究[D]. 刘祥鑫.江西理工大学 2012
[8]深井施工围岩稳定性研究[D]. 吴迪.东北大学 2011
[9]终南山隧道大直径深竖井围岩稳定性研究[D]. 杜良平.同济大学 2008
[10]高埋深地下洞室围岩稳定性及支护结构研究[D]. 梁礼绘.天津大学 2007
本文编号：3191973
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