岩块尺度对摆型波传播影响研究

基于深部非连续自应力岩体介质的等级块系构造理论,研究块系岩体不同等级尺度对摆型波传播的影响。对冲击载荷作用下块系岩体介质动力模型进行求解得到各岩块的加速度响应。计算在相同的冲击能下,不同等级尺度块系岩体中,各岩块加速度及相应的频域特性包括频域曲线中心频率和中心频带宽度。通过比较得出,块系岩体等级越高,在冲击扰动下块体加速度衰减越快且衰减区域主要集中在初始端块体,同时相比于纵波和横波在块系岩体介质中传播的摆型波是一种低速波且块系岩体等级越高波速越低;块系岩体等级越高初始端岩块中心频率越大、中心频带宽度越宽,随着摆型波的传播块体中心频率向低频移动,中心频带宽度逐渐缩小表现出低频波的特性,且等级越高这种变化趋势越明显。借助于时域和频域内的分析结果和相应的测试技术,有助于反演岩体的破碎程度和节理的发育情况。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(I)：一维块系岩体波动特性的试验研究

与岩体构造层次相关的摆型波现象正逐渐形成非线性岩石力学的重要研究方向,并在诱发地震、岩爆及其他地震动事件的研究中展现出了重要的应用前景。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行一维块系岩体模型的波动特性试验研究,测得一维冲击条件下块体振动的的频谱、振幅、波速特征,获得了迥异于连续介质中波动特性的摆型波特征现象,试验结果表明：一维冲击作用下,在冲击振动通过块系构造岩体向前传播的过程中,发生了从高频振动向低频振动的转移;相邻岩块间发生位移相差很大、甚至位移符号相反的相互对应的摆动;随着冲击比例距离的增加,块系岩体各块体加速度、位移幅值按指数形式衰减;摆型波传播的速度远远小于连续介质中纵波的传播速度,主要取决于块体间的裂隙宽度以及块体的运动速度。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(Ⅰ):一维块系岩体波动特性的试验研究

与岩体构造层次相关的摆型波现象正逐渐形成非线性岩石力学的重要研究方向,并在诱发地震、岩爆及其他地震动事件的研究中展现出了重要的应用前景。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行一维块系岩体模型的波动特性试验研究,测得一维冲击条件下块体振动的的频谱、振幅、波速特征,获得了迥异于连续介质中波动特性的摆型波特征现象,试验结果表明:一维冲击作用下,在冲击振动通过块系构造岩体向前传播的过程中,发生了从高频振动向低频振动的转移;相邻岩块间发生位移相差很大、甚至位移符号相反的相互对应的摆动;随着冲击比例距离的增加,块系岩体各块体加速度、位移幅值按指数形式衰减;摆型波传播的速度远远小于连续介质中纵波的传播速度,主要取决于块体间的裂隙宽度以及块体的运动速度。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(Ⅱ):冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验

深部岩体为具有块状层次结构的含能地质体,在冲击扰动通过块系岩体向前传播的振动过程中,极易诱发原先处于平衡状态的岩体的内应力释放,产生不可逆变形、岩爆、工程地震等工程灾害。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行不同初应力条件下冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验,获得冲击扰动诱发岩块不可逆位移、动力滑移失稳的关键力学机制、规律及充分必要条件。通过深入研究冲击扰动下初应力岩体运动的能量转化机制,推导得到了支配岩块运动规律的特征能量因子,给出了与不同规模的岩体破坏(不可逆位移、动力滑移失稳)相适应的特征能量因子阈值和判别准则。研究表明,基于特征能量因子的判别准则能较好的表征冲击扰动诱发岩块间不可逆位移和动力失稳的特征科学现象。     

一维块系地质块体波动特性的试验和理论研究

深部岩体具有块系等级构造特性,俄罗斯深部矿山原位量测得到的摆型波(μ波)产生于动力冲击作用下(如深部地震、岩爆和封闭核爆等)块系岩体的运动,是一种不同于传统纵波和横波的新型非线性弹性波。为了证明μ波的存在,并对块系块体介质中应力波传播特性及块体材料、尺寸和结构形式的影响进行研究,利用自主研发的深部岩体动态特性试验系统,分别对6种具有不同特征尺寸的花岗岩和水泥砂浆块系块体模型和连续块体模型进行一维低速冲击试验。试验表明:对于两种结构形式的介质,一维冲击作用下,块体(测点)三向加速度幅值均随冲击能量提高近似线性增加。对于块系块体介质,块体三向加速度幅值随块体个数增加呈一阶指数衰减,并且衰减系数与冲击能量无关;冲击能量仅仅改变加速度波谱密度幅值,而对三向振动极值频率没有影响,并且块体越多,能量越大,块体振动波谱趋于低频波的趋势越强;通过对比试验结果和原位量测结论(关于μ波无量纲冲击能量判据,波速和振幅,波谱峰值频率等),证明了块系介质中出现的低频低速波就是μ波;通过对5种块系块体模型三向加速度频谱进行分析,证明其振动极值频率满足定量的规范序列关系(2~(1/2))i f 0,推广了原位测量试验结论。并且上述规律中,块体材料和尺寸效应不明显,而对于连续块体介质上述规律均不成立。最后,分别采用黏弹性夹层和刚性块体、集中质点以及弹性块体三种理论计算模型对冲击作用下块系块体运动参数进行分析,计算结果和试验曲线吻合较好,并讨论了夹层参数的敏感性。     

深部块系岩体超低摩擦现象的机理分析

不规则超低摩擦现象是深部块系岩体典型动力学特征现象之一,集中反映了深部块系岩体非协调、非连续的动力学特性。基于俄罗斯Kurlenya M V院士的深部岩体超低摩擦实验建立了深部块系岩体一维动力模型,得出了工作块体水平位移的解析表达式。研究结果表明,一维动力模型理论计算结果与实验数据吻合较好,进一步揭示了深部岩体不规则超低摩擦现象产生的力学条件为分别作用于块系和工作块体上的竖向和水平冲击的时间间隔满足倍数为2的规范序列,指出超低摩擦现象产生机理在于强动载作用下块体间法向力重分布和动摩擦系数不断变化的共同作用,同时说明超低摩擦现象出现的离散周期和低频低速变位摆型波频谱具有密切联系。     

深部巷道块系围岩分析模型及稳定性探讨

深部岩体具有典型的不均匀、不连续的自应力块系等级构造结构。由于浅部巷道围岩应力场分析是基于连续介质力学理论,没有考虑岩体的块体特性,因而无法应用于深部巷道块系围岩的应力场分析。考虑到深部巷道块系围岩破坏类型主要表现为峰后岩块沿软弱接触面的剪切滑移破坏,通过建立深部巷道的平面应变块系围岩模型,得到了轴对称条件下岩块相互作用的解析解;分别假设岩块之间的接触满足刚塑性和Mohr-Coulomb屈服条件,推导得出上述两种屈服条件下的块系围岩模型和连续介质模型的围岩支护力的计算公式。对比分析表明:围岩块体构造特性对深部巷道施工和承载力设计计算有重要的影响;通过假设块体间剪应力与剪切滑移满足分段线性关系,得到了块系围岩径向位移,剪应力和剪切滑移量的解析表达式,引入无量纲化的深部巷道块系围岩稳定性参数λ,并得出当λ<1时块系围岩是稳定的,当λ>1时块系围岩是不稳定的。     

深部岩体非线性力学能量作用原理与应用

 本文以物体高速撞击局部效应与冲击能量因子密切关系为启迪,首次提出了深地下围岩“一高二扰动”等效平均振动能量原理及其表达式,根据深部岩体准共振和摆型波现象出现的无量纲能量条件,深入阐释了该条件的物理基础并定义之为地冲击能量因子。推导了深部围岩岩爆、分区破裂时空构造与地冲击能量因子的关系;结合地下大规模爆炸地冲击运动的传播规律,根据地冲击能量因子发生动力灾变的阈值界定了防护工程安全埋置深度。研究表明：地冲击能量因子为探明深部岩体力学复杂静动力学现象与工程响应关键机制开辟了新的研究途径。     

基于摆型波理论的防冲支护设计

 针对当前煤矿支护方面不能有效解决冲击地压防御这一工程难题,分析并指出煤矿支护形式、支护方法上存在的根本问题。基于深部非连续自平衡应力岩体介质的等级块系构造理论,建立一维非连续自应力块系上覆岩体与支护互馈作用的理论模型,研究在冲击扰动下岩体中摆型波传播时支护性质对支护端岩块动力响应影响上覆岩块动态响应受不同性质支护作用的影响。分析得到：对于刚性支护当支护为刚性时,支护端岩块动力响应的加速度幅值随支护刚度的增大而降低;当刚性支护中具有柔性阻尼耗能机制时,岩块动力响应时间会随阻尼系数的增加而缩短。由此推论：在煤矿支护中,利用刚性支护与柔性阻尼耗能机制相结合的方式可以增强围岩稳定性、增加支护–围岩系统抵抗冲击的能力,以防止冲击地压的严重显现。由此提出刚柔耦合快速吸能让位防冲支护设计理念,并对基于该理念研制的新式巷道防冲吸能液压支架进行简要介绍,对其中核心吸能构件进行初步分析,为进一步研制系列防冲支护设备,形成新式防冲支护技术与方法,改善当前煤矿防冲支护设计,形成新式防冲支护技术与方法,奠定一定的理论基础。     

块系岩体动力特性理论与实验对比分析

由于深部岩体存在构造等级现象，因而使作为岩石力学分析基础的连续介质力学缺乏依据。超低摩擦实验效应则集中反映块系岩体动力特性的机制，对超低摩擦实验现象的解释与验证非常重要。首先通过对超低摩擦实验现象的描述及数据的整理归纳出规律，然后建立块系岩体动力模型并进行理论分析及数值计算来验证超低摩擦效应，揭示出产生这一效应的根本原因在于法向力的重分布以及动摩擦因数的变化，而且实验现象与数值计算在趋势上是一致的。在具有构造等级的深部岩体介质的变形过程中，储能及返还性状与介质变形的摩擦因数有关。根据深部岩体的构造特点、高地应力及含能和非协调变形的特点，围绕深部岩体工程响应发生的静、动力特征，提出深部岩体的构造、变形与破坏需要研究的科学问题。     

单轴压缩下非贯通节理岩体损伤破坏能量演化机制研究

能量的积聚与释放伴随发生在节理岩体受荷变形全过程。为探寻加载过程中节理岩体能量演化规律,基于单轴压缩试验及岩石能量原理,研究非贯通节理岩体变形破坏过程中总能量U、弹性应变能U~e及耗散能U~d的转化特征,揭示节理岩体损伤破坏能量演化机制,建立了基于弹性能耗比变化率(dK/dε)的非贯通节理岩体裂缝扩展及强度失效准则。研究表明:节理存在对岩体中能量的存储具有明显的削弱作用,峰值点总能量与弹性应变能随节理数量的增加逐渐减小;节理岩体的弹性应变能U~e及耗散能U~d变化曲线存在"阶梯状"突减或突增,双节理岩样弹性应变能和耗散能突增或突减的数值明显小于单节理岩样;峰前与峰后阶段弹性能耗比变化率发生连续突变(dK/dε正负交替变换)与突变(dK/dε保持为正无穷)作为节理岩体裂缝扩展及强度失效判据。     

深部岩体变形破坏动态本构模型

 根据深部岩体在卸荷条件下能量释放、消耗和转移的过程中,其体积变形经历弹性回弹和扩容以及剪切变形可能经历峰值前(弹性和内摩擦强化阶段)和峰值后(软化及残余破坏阶段)阶段的性状,提出深部岩体变形破坏全过程动态本构模型。该模型的特点可归纳为：(1) 引入Juamann导数,能够计算有限变形;(2) 描述卸荷过程中与时间相关的体变回弹、扩容至破裂的全过程关系;(3) 描述了卸荷过程中,深部岩体强度(长期强度、破坏强度和残余强度)被调动的演化过程,并用同轴的屈服面、破坏面与残余破坏面3个圆锥面加以描述;(4) 运用物理细观力学理论,引入宏观裂纹扩展滞后时间表征岩体不同构造水平在强化中的贡献,给出内摩擦强化阶段流变方程;(5) 运用裂纹运动散布理论,引入破裂时间表征宏观裂纹扩展贯通过程,给出破裂过程中的强度随时间的演化方程,用塑性流动理论给出软化阶段形变本构方程。最后,在LS-DYNA平台下对本构模型进行二次开发,通过深埋地下隧洞开挖变形破坏的算例,初步展示该模型在深部岩体力学理论与工程中的应用前景。     

充填体与岩体三维能量耗损规律及合理匹配

 根据灰砂配比为1∶4,1∶8,1∶10和1∶12的4种胶结充填体力学试验结果,揭示不同配比充填体三维损伤耗能规律。针对矿床开采岩体应力转移并释放能量特征,探索矿床开采过程中岩体三维能量释放规律。研究结果表明,矿体埋藏越深,开挖岩体释放能量越高;岩体弹性模量越高或泊松比越低,岩体释放能量越小。根据充填体与岩体耦合作用的三维能量耗损特征,探讨充填体与岩体的合理匹配,并用该匹配模型验证安庆铜矿采用最低充填配比1∶12开采矿石是可行的。研究发现,充填体与岩体的匹配系数K和三维原岩应力、岩体及充填体力学参数相关,不同开采技术条件必须设计合适的充填体抗压强度才能实现与岩体匹配。     

应力波入射黏弹性节理的传播特性研究

应力波传播特性的研究是进行工程动态稳定性评价的基础。依托柱状节理玄武岩开挖爆破试验,考虑节理岩体的蠕变和应力松弛特性,提出了黏弹性节理的等效标准线性固体模型,采用"位移不连续理论",获得了应力波入射黏弹性节理的传播方程,并探讨了应力波入射黏弹性节理的传播规律。透射系数随入射波频率的增大而减小,而反射系数整体上呈现出随频率的增大而增大的趋势。在临界入射角内,随入射角度增大,转换波(T_(sp),T_(ps),R_(sp)和R_(ps))均先增大后减小且转换波的透射系数(T_(sp)和T_(ps))最小,反射同类型波(R_(ss)或R_(pp))先减小后增大,透射同类型波(T_(ss)或T_(pp))则基本没有变化;应力波在节理处发生了复杂的能量转移,随入射角度增大,反射同类型波和反射转换波之间能量此消彼长并在某一角度附近几乎同时达到极值,同类型波的部分能量转移到转换波,但其能量仍远高于转换波。