深部高地应力下岩石力学行为研究进展

越来越多的煤矿和金属矿进入深部开采.随着开采深度的增加,一系列工程灾害如岩爆、煤与瓦斯突出、顶板垮落、底板突水等日益严重,且深部开采中巷道与采场的维护理论也与浅部有十分明显的区别.人们认识到这种差别的根源在于岩石所处的赋存环境上的差异,深部与浅部在赋存环境上的差别是所谓``三高''即高地应力、高地温和高孔隙水压,尤其是高地应力条件下岩石表现出十分特殊的力学行为.简要介绍了深部开采现状、深部开采面临的技术难题以及深部岩体所处的高地应力环境,在此基础上,综述了深部高地应力条件下有关岩石力学性质的研究进展,包括高应力条件下岩石的脆-延转化特性、岩石的流变特性、岩石的强度特征、岩石的破坏特征尤其是岩爆等.文章最后指出深部条件下热-水-力耦合模型是一个值得关注的研究方向.      

掏槽参数对煤矿岩巷爆破效果的影响

为了提高掘进进尺,以川煤集团绿水洞矿掘进工程为背景,利用动力有限元程序LS-DYNA3D进行掏槽参数优化研究。结合井下现场实验,分析岩巷掏槽爆破不同参数动态应力、破碎范围的变化以及井下实际爆破效果。掏槽中心孔底向孔口平均有效应力峰值在有中心眼爆破较无中心眼爆破时增加了40%以上,中心眼爆破对槽腔底部的形成起主要作用。在其他条件相同的情况下单孔载荷从1.2 kg提高到1.8 kg,掏槽区中心眼底到孔口平均应力只增加20%,并且破碎范围的增加较少,实际进尺增加小于10%。现场掘进实验表明：在常规爆破载荷下,有中心眼比无中心眼爆破深度提高31%~65%,掏槽角小于78°时,随掏槽角度增加爆破进尺下降较平缓; 但掏槽角增至82°左右, 随掏槽角度增加爆破进尺下降明显。

     

峒室爆破中分装药包位置参数的工程计算

为减小爆破震动对路基和边坡稳定性的影响，从装药的“微分减震”原理出发，采用分装药包代替常规的集中药包，并进一步确定分装药包间距，运用应力波理论和工程计算相结合的方法，探讨岩石破裂圈与分装药包应力叠加的联系，总结出在一般条件下的分装药包设计规律和方法；并通过工程实践得到了进一步验证，对同类爆破工程的设计具有重要指导意义．     

边坡预裂爆破参数优化研究

边坡工程施工中常用到预裂爆破,预裂爆破参数对爆破降震起着非常重要的作用。通过大量的预裂爆破试验,得出了适用于该边坡的炮孔直径、炮孔间距、线装药密度、不耦合系数等一系列常规预裂爆破参数。通过ANSYS/LS-DYNA数值模拟,得出了与4种炮孔直径对应的理想的预裂爆破参数,且与爆破试验的结果基本一致。通过回归分析,得出了用于该边坡选取预裂爆破参数的简易公式,用以指导该工程的后续施工。实践证明,采用爆破试验与数值模拟相结合的方法,对于爆破参数的优化选择,效果明显。     

深埋岩石隧洞的周边控制爆破方法与参数确定

利用弹性理论方法,结合周边控制爆破的炮孔间贯通裂纹形成机理分析了原岩应力对光面爆破和预裂爆破炮孔间贯通裂纹形成的影响。结果为:原岩应力的存在有利于光面爆破的炮孔间贯通裂纹的形成,不利于预裂爆破的炮孔间贯通裂纹的形成。由此得出结论:高原岩应力条件下的隧洞开挖周边控制爆破宜采用光面爆破方法,光面爆破参数需要根原岩应力、隧洞开挖半径和岩石力学性质进行相应调整。对高原岩应力条件的隧洞开挖实施预裂爆破时,应采用岩石定向断裂爆破技术。     

高地应力条件下隧洞开挖动态卸荷的破坏机理初探

分析了高地应力条件下静水压力场中圆形隧洞钻爆开挖时开挖边界上初始应力场动态卸荷效应及破坏机理，并计算了其破坏范围。初始应力动态卸荷时，动应力在隧洞径向表现为卸荷回弹，而在切向出现动应力集中，表现为加载。动态卸荷时间对径向应力的影响较对切向应力大，卸荷时间越短，扰动的幅度越大；初始应力动态卸荷在岩体中所造成的破坏范围较准静态卸荷情况大，卸荷时间越短，破坏范围越大。     

深孔爆破技术在高地应力低透气性高瓦斯煤层增透防突中的适用性

同时考虑爆炸波、爆生气体、煤层原始瓦斯压力和煤层地应力的作用,对不同地应力条件下的高瓦斯低透气性煤层深孔爆破进行了有限差分动力数值模拟,并与室内相似模型实验和相关现场实践进行了对比。结果表明：地应力对煤层深孔爆破效果的影响显著,尤其对于高地应力煤层,地应力严重抑制着煤层爆生裂隙的扩展,煤层爆生裂隙半径随地应力的增大而近线性地减小,但深孔爆破技术对于高应力低透气性煤层仍可取得良好的增透效果;煤层地应力的主应力方向在一定程度上影响着爆生裂隙的扩展方向,实际工程需结合煤层地应力状况来布置爆破孔的空间位置。

     

不同地应力条件下切缝药包爆破的数值模拟

针对切缝药包定向爆破的特点,考虑岩石介质非均匀性的基础上,把岩石爆破视为爆炸应力波动态作用和爆生气体压力准静态作用的过程,基于损伤力学理论建立岩石爆破的力学模型,并对不同地应力条件下切缝药包爆破的裂纹演化规律进行数值模拟,分析不同地应力条件对切缝药包爆破效果的影响。模拟结果表明:采用切缝药包爆破时,裂纹主要萌生于切缝周边,沿切缝方向扩展,切缝对定向裂纹的控制作用明显;当考虑地应力作用,且最大地应力方向与切缝方向垂直时,不利于定向裂纹的扩展;最大地应力方向与切缝方向平行时,有利于定向裂纹的扩展。裂纹的扩展方向受控于切缝角度和最大地应力方向这2个条件,裂纹扩展规模则受到地应力的限制。     

邻近隧道掘进爆破对既有隧道的影响

结合在建的贵昆线六盘水至沾益段增建Ⅱ线扒挪块隧道开挖工程,采用动力有限元程序建立了3 维模型,对贵昆线狮子口隧道混凝土衬砌的质点振动速度以及应力分布情况进行了计算。计算结果表明,在 整个考察范围内,垂直方向振速峰值比其他2个方向上的振速峰值大,但在拱顶以及底板单元的主要拉伸应 力为水平方向,说明垂直振速并不能完全代表围岩的受力状况。在实际工程中,不仅要控制爆破振动速度,而 且对围岩的受力状况也要进行分析。计算最大振速为4.94cm/s,小于工程要求的5.00cm/s;拱顶最大拉伸 应力为0.54MPa,既有隧道混凝土衬砌没有受到破坏。     

上覆岩土条件下孤石爆破预处理炸药单耗实验

盾构机在风化花岗岩地层掘进会遇到高强度孤石,为降低施工风险、避免刀盘及刀具严重损坏,常采用地面钻孔爆破对前方孤石进行预处理,但其炸药单耗一般由经验公式确定,导致爆破效果不理想。结合实际工程对爆破块度小于30 cm的特殊要求,采用爆破模型实验对炸药单耗进行研究。实验结果表明:满足特殊块度要求的陆地钻孔爆破炸药单耗是常规钻孔爆破的5.4~6.5倍;上覆地层厚度与炸药单耗呈线性递增关系;实验得出的炸药单耗是瑞典经验公式计算值的3.4~4.9倍。由此提出满足工程需要的炸药单耗修正公式,应用于实际工程并通过验证取得良好效果,为类似工程孤石爆破预处理炸药单耗的计算提供依据和参考。     

岩石深孔爆破对邻近煤层的动应力作用

为解决松软煤体爆破孔成形困难导致深孔预裂爆破技术无法应用的问题,选择在运输巷底板距煤层较近的岩石中进行爆破,利用数值模拟方法进行了相关理论探讨。分析了煤岩介质和单煤体介质中布孔的差异,建立了单煤体和煤岩体深孔预裂爆破的5个数值计算模型。研究了单煤体和煤岩介质爆破孔与抽放孔连心线上有效应力随距离的变化,从岩孔爆破传播到煤层其应力衰减的程度较单煤层中大得多,但在靠近抽放孔附近煤层,二者的差距变小。抽放孔轴线方向所受有效应力的大小是决定爆破效果的重要因素,煤岩介质中爆破孔与抽放孔间距为2.0m 时,抽放孔轴线方向上的平均有效应力与单煤层中爆破孔与抽放孔间距为3.0m 时的相当,可作为实现岩孔爆破效果的布孔参数。     

聚能药包在岩石定向断裂爆破中的应用研究

以爆炸动力学、岩石断裂力学理论为原理,对聚能药包用于岩石定向断裂爆破时导向裂缝的形成,裂纹的起裂、扩展和贯通进行了初步研究,同时对该方法的爆破参数进行了设计,并通过现场进行试验验证其正确性。结果表明由聚能射流形成的切缝有明显的定向作用,使爆生气体的能量沿预定方向集中,裂纹的定向断裂控制效果良好,表明该方法是一种比较理想的断裂控制爆破技术。最后指出了该方法目前需要进一步研究的方面。研究成果对相关理论研究和现场应用均有一定的指导意义。     

基于小波包能量谱爆炸参量对爆破振动信号能量分布的影响

基于现场实测爆破振动数据,根据爆破振动信号具有短时非平稳的特点,采用小波包分析技术对不同爆炸参量(爆心距、最大段药量和微差雷管段数)下产生的爆破振动信号进行小波包能量谱分析,获得了爆破振动信号不同频带的能量分布,研究了不同爆炸参量下的爆破振动信号能量分布特征,从爆破振动信号能量角度探讨了不同爆炸参量下爆破地震波的衰减规律,为研究爆破地震效应提供了一种新的分析技术。     

岩石爆破开挖诱发振动的等效模拟方法

岩石爆破开挖过程中爆炸荷载的复杂性、岩石介质模型的多变性、本构方程的多样性、以及群孔爆破模拟计算工作量巨大等诸多因素使得准确模拟爆破诱发的围岩振动存在较大的困难,鉴于此提出一种等效数值模拟方法。根据爆破过程炮孔周围岩石破坏范围的空间分布特征,确定群孔起爆条件下爆炸荷载作用的等效弹性边界;通过分析炸药起爆后炮孔空腔动力膨胀、岩体裂纹扩展、炮孔堵塞物运动以及爆生气体的逸出,计算了等效边界上沿炮孔轴向变化的爆炸荷载。结合瀑布沟水电站1# 尾水隧洞爆破开挖监测,基于动力有限元法运用该等效技术模拟了围岩的质点振动速度。数值模拟与现场实测数据的对比表明该等效模拟技术用于岩石爆破开挖围岩响应的计算是合适的。计算结果同时还显示,等效边界邻近岩体力学参数的选取对计算结果有重要影响。     

邻近爆破对矩形岩柱稳定性影响的突变理论分析

运用突变理论,建立了邻近爆破扰动诱发矩形岩柱失稳的非线性动力学模型,导出了岩柱发生动 力失稳的充分必要条件。根据建立的尖点突变模型,分析了竖向压力、爆破扰动强度及频率对矩形岩柱失稳 机理的影响。结果表明:(1)借助突变理论分析邻近爆破扰动诱发岩柱失稳机理是可行的;(2)邻近爆破扰动 强度越大,岩柱越容易发生失稳破坏;(3)竖向荷载越大,满足岩柱失稳条件所对应的爆破扰动强度越小,岩柱 发生失稳的可能性越大;(4)岩柱发生动力失稳破坏,爆破扰动频率必须满足一定条件。     

轮廓爆破下柱状节理岩体开裂过程的数值模拟

以白鹤滩水电站柱状节理玄武岩为研究对象,根据现场的柱状节理分布统计资料生成数值模型,模拟边坡开挖轮廓爆破下柱状节理岩体的开裂过程。结果表明：轮廓爆破时,柱状节理面对岩体裂纹的发展起着导向和控制作用;爆炸荷载作用下炮孔周围的节理面首先张开,然后裂缝沿着炮孔连心线附近的节理面扩展,最后形成贯通的由大量柱状节理面连接而成的裂缝;预裂爆破条件下,预裂缝宽度先增大后减少,最后达到稳定的开度,而且预裂爆破在柱状节理岩体中产生的裂纹范围比光面爆破产生的大。

     

用动光弹方法研究隧道岩爆的爆破扰动机理

利用动态光弹性方法,以Lamb模型为依据,研究了不同荷载形式下,模型内应力波的传播、相互作用规律以及刻槽的拦截效应。实验结果与弹性动力学解答基本一致:(1)倾斜冲击荷载作用下,模型内传播的有P波、S波和Rayleigh波,其中P波和Rayleigh波对岩爆有突出贡献;(2)等差条纹图的分布规律,可以合理解释岩爆高发区段与开挖面的位置关系;(3)模型表面的刻槽,可以实现对Rayleigh波的大量拦截,说明隧道表面切槽的岩爆控制方法理论上是可行的。