岩体动力传播的摆型波理论及应用研究
发布时间：2019-07-29 13:51
【摘要】：针对深部开采冲击地压动力灾害日趋严重,本文利用岩体动力传播的摆型波理论研究深部冲击地压的发生及防治。对块系岩体动力传播特征现象与冲击地压的关系进行了理论分析。研究了块系岩体特性对摆型波传播衰减的影响,分析了块系岩体的准共振及超低摩擦特征现象诱发的冲击地压,同时研究了摆型波传播过程块系岩体与支护动力失稳诱发的冲击地压。进一步对块系岩体中的能量传递与耗散进行了理论分析。同时从理论上分析了深部冲击地压的防治。通过试验研究了一维块系岩体在冲击作用下的动力传播规律。得到如下结论：1摆型波传播的主要衰减区域集中在块系岩体的端部且低频低速传播。岩块尺度越小传播速度越慢且响应频率下降越快。岩块间黏性变化时仅影响岩块的动力响应幅值,但弹性下降时响应周期变大且幅值下降明显。2针对块系岩体的准共振特征现象,给出了摆型波传播过程块系岩体的准共振方程,并从理论上得到了块系岩体的共振条件,进而得到(准)共振诱发的冲击地压。3针对块系岩体的超低摩擦特征现象,通过岩块间的相对位移极值给出块系岩体的超低摩擦发生判据,进而得到超低摩擦诱发的岩体错动型冲击地压。4从岩体与支护的运动稳定性角度分析了块系岩体与支护的动力失稳,给出了块系岩体与支护的动力失稳判别准则,进而得到岩体与支护动力失稳诱发的冲击地压。5通过建立摆型波传播过程块系岩体能量传递与耗散的数学模型,得到块系岩体动能和势能的转化规律及系统能量的耗散规律。6针对深部冲击地压的防治,提出岩体与支护统一吸能防冲理论,给出支护端岩块的能量控制方程。吸能防冲应以岩体吸能为主支护吸能为辅进行统一吸能防冲。7通过试验得知岩块间夹层性质及夹层厚度均对摆型波传播速度及岩块加速度衰减影响较大,同时对频域响应的中心频率和最值频率亦有明显的影响。8通过试验得知局部岩块破裂时摆型波传播速度有所下降,同时对岩块的加速度时-频响应亦有明显的影响。
【图文】：
题己经迫在屑睫。逡逑Ｋｕｒｌｅｎｙａ［３，４］发现岩体在爆炸作用下产生信号交错变化的现象，由此推测岩体中的动力传逡逑播可能存在一种新的非线性弹性波称其为摆型波。图１．１为反１１如１１文３［５］从实测波形中分离出来逡逑的摆型波波形曲线。其中，ｆｐ和？．、．分别为缴波和横波到法时间，为摆型波到达时间，ｒ，为摆逡逑型波记录时间，Ｆｐ和分别为纵波和横波波速，纵坐标为位移幅值用电压表示。同时，在块逡逑系介质冲击响应试验及深部爆炸和岩爆时的波谱分析中均证明了摆型波的存在及其非线性低逡逑频低速特性。逡逑８（＂１邋？逡逑４００邋■逦Ｉ邋汽邋Ｉ逡逑Ｈ邋ＩＯ邋－逦；邋；邋Ｉ邋，邋Ｉ逦：逡逑ｎ邋ｎ邋ｉ逡逑．kw逦逦Ｖ：邋邋邋逦－逡逑时间／ｍｓ逡逑图１．１地下爆炸时典型的位移波形逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｗａｖｅｆｏｒｍ邋ｏｆ邋ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋ｏｎ邋ｔｙｐｉｃａｌ邋ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ邋ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ逡逑关于深部岩体动力灾害研究己引起国内外学者广泛关注［６－１１心２７］。由于深部岩体的结构特逡逑点、变形特点、高应力状态等，使其表现为非均匀、非连续及自平衡应力存在状态，由此引逡逑发的一些力学现象用传统的连续介质力学不能给出很好的解释，如摆型波现象。同时，相对逡逑于浅部岩体工程发生了一系列新的静力和动力特征科学现象，如超低摩擦、准共振等，正在逡逑形成岩石力学新的分支一深部非线性岩体力学口＊］。针对深部岩体构造特性，，ＳａｄｏｖｓｋｙＰ９］提出逡逑深部岩体等级块系构造理论
造层次及其成因进行了分析。等级块系岩体中的动力传播会出现摆型波现象。由于经典连续逡逑介质力学的波动理论忽略了岩体的构造和应力状态，因此无法圆满解释摆型波现象。为了在逡逑理论上解释该现象，建立了自应力受压岩体示意图，如图１．２。逡逑＂＇巧呡逡逑图１．２自应力受压岩体模型逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｒｏｃｋ邋ｍａｓｓ邋ｏｎ邋ｓｅｌｆ－ｓｔｒｅｓｓ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ逡逑在进一步研究摆型波产生机理时发现了块系岩体中的超低摩擦现象和准共振现象。在动逡逑为传播过程中块体间的相对脱离变得明显出现超低摩擦现象，同时块系岩体的平均振动周期逡逑减小势能转化为动能更快进而出现准共振。摆型波Ｗ较低的频率和较大的幅值在岩体中低频逡逑低速传播极易诱发深部岩体岩爆和冲击地压等动力灾害给深部地下结构带来严重影响［Ｗ。钱逡逑屯虎［８］给出摆型波对预测冲击地压有价值的Ｈ个临界动力特征参数口，Ａ，并给出＜？的逡逑物理意义逡逑（Ｄ邋＝邋ａｒｃｔａｎ——－—逦（１．３）逡逑式中：＾；；为摆型波包络线的最大幅值，／．为摆型波包络线顶点所对应的时间，为摆型波到逡逑达时间。因此，口表示包络线的开角，其物理意义为摆型波衰减的快慢，它意味着岩体中产逡逑生相对运动的岩块间摩擦力的大小。同时，参数Ａ和机与冲击地压的能量及尺度范围有关。逡逑９，Ｐ，，e猓雀霾问丧欹米魑けǔ寤鞯匮沟男畔⒉问ｅ义习谛筒ㄏ窒蠹蟹从沉松畈靠橄笛姨宓姆切鳌⒎橇ρ匦裕浯ス痰姆窍咤义闲缘推档退偬匦钥桑字苯右⑸畈垦姨宄寤鞯匮苟趾ΑＭü姨
本文编号：2520543
【图文】：
题己经迫在屑睫。逡逑Ｋｕｒｌｅｎｙａ［３，４］发现岩体在爆炸作用下产生信号交错变化的现象，由此推测岩体中的动力传逡逑播可能存在一种新的非线性弹性波称其为摆型波。图１．１为反１１如１１文３［５］从实测波形中分离出来逡逑的摆型波波形曲线。其中，ｆｐ和？．、．分别为缴波和横波到法时间，为摆型波到达时间，ｒ，为摆逡逑型波记录时间，Ｆｐ和分别为纵波和横波波速，纵坐标为位移幅值用电压表示。同时，在块逡逑系介质冲击响应试验及深部爆炸和岩爆时的波谱分析中均证明了摆型波的存在及其非线性低逡逑频低速特性。逡逑８（＂１邋？逡逑４００邋■逦Ｉ邋汽邋Ｉ逡逑Ｈ邋ＩＯ邋－逦；邋；邋Ｉ邋，邋Ｉ逦：逡逑ｎ邋ｎ邋ｉ逡逑．kw逦逦Ｖ：邋邋邋逦－逡逑时间／ｍｓ逡逑图１．１地下爆炸时典型的位移波形逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｗａｖｅｆｏｒｍ邋ｏｆ邋ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ邋ｏｎ邋ｔｙｐｉｃａｌ邋ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ邋ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ逡逑关于深部岩体动力灾害研究己引起国内外学者广泛关注［６－１１心２７］。由于深部岩体的结构特逡逑点、变形特点、高应力状态等，使其表现为非均匀、非连续及自平衡应力存在状态，由此引逡逑发的一些力学现象用传统的连续介质力学不能给出很好的解释，如摆型波现象。同时，相对逡逑于浅部岩体工程发生了一系列新的静力和动力特征科学现象，如超低摩擦、准共振等，正在逡逑形成岩石力学新的分支一深部非线性岩体力学口＊］。针对深部岩体构造特性，，ＳａｄｏｖｓｋｙＰ９］提出逡逑深部岩体等级块系构造理论
造层次及其成因进行了分析。等级块系岩体中的动力传播会出现摆型波现象。由于经典连续逡逑介质力学的波动理论忽略了岩体的构造和应力状态，因此无法圆满解释摆型波现象。为了在逡逑理论上解释该现象，建立了自应力受压岩体示意图，如图１．２。逡逑＂＇巧呡逡逑图１．２自应力受压岩体模型逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｍｏｄｅｌ邋ｏｆ邋ｒｏｃｋ邋ｍａｓｓ邋ｏｎ邋ｓｅｌｆ－ｓｔｒｅｓｓ邋ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ逡逑在进一步研究摆型波产生机理时发现了块系岩体中的超低摩擦现象和准共振现象。在动逡逑为传播过程中块体间的相对脱离变得明显出现超低摩擦现象，同时块系岩体的平均振动周期逡逑减小势能转化为动能更快进而出现准共振。摆型波Ｗ较低的频率和较大的幅值在岩体中低频逡逑低速传播极易诱发深部岩体岩爆和冲击地压等动力灾害给深部地下结构带来严重影响［Ｗ。钱逡逑屯虎［８］给出摆型波对预测冲击地压有价值的Ｈ个临界动力特征参数口，Ａ，并给出＜？的逡逑物理意义逡逑（Ｄ邋＝邋ａｒｃｔａｎ——－—逦（１．３）逡逑式中：＾；；为摆型波包络线的最大幅值，／．为摆型波包络线顶点所对应的时间，为摆型波到逡逑达时间。因此，口表示包络线的开角，其物理意义为摆型波衰减的快慢，它意味着岩体中产逡逑生相对运动的岩块间摩擦力的大小。同时，参数Ａ和机与冲击地压的能量及尺度范围有关。逡逑９，Ｐ，，e猓雀霾问丧欹米魑けǔ寤鞯匮沟男畔⒉问ｅ义习谛筒ㄏ窒蠹蟹从沉松畈靠橄笛姨宓姆切鳌⒎橇ρ匦裕浯ス痰姆窍咤义闲缘推档退偬匦钥桑字苯右⑸畈垦姨宄寤鞯匮苟趾ΑＭü姨
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