卸荷条件下的岩石强度特性研究对于分析开挖作用下岩石工程的安全性具有极为重要的意义.卸荷试验中影响岩石强度的因素很多,包括岩性、卸荷点的位置、卸荷应力路径和卸荷速率等,以锦屏大理岩为对象,重点研究卸荷速率对强度的影响.提出用屈服接近速率来统一表征加荷和卸荷下的应力增加或减小的速率,通过比较加荷和卸荷条件下的屈服接近速率表明,当围压卸荷速率为常规试验轴向应力加荷速率的0.2～0.3倍时,两种应力路径下接近破坏时的屈服接近速率相当.通过2D弹塑性细胞自动机的数值试验和大理岩的室内卸围压试验来验证理论分析的结果,表明:围压卸荷速率越大,岩样的强度就越高;当卸荷速率为常规轴向加荷速率的0.2～0.3倍时,卸荷和加荷路径下的强度相当.从而得出结论:对于各种卸荷应力路径,如果卸荷点处于弹性范围内,当接近破坏时的屈服接近速率一定时,应力路径对强度的影响不明显.
针对地堑构造区域发生冲击地压的灾害问题,基于地堑结构的特殊性及覆岩赋存特征,采用现场调研、理论分析和数值模拟等手段,分析了地堑构造区域覆岩运动特征及煤岩体应力演化规律并建立了相应的力学模型,研究了地堑构造区域冲击地压发生机制.同时,分析了冲击地压前后微震能量、频次的演化特征,得到了地堑构造区域冲击地压微震前兆信息时序规律.研究结果表明:楔形体的滑移下沉与采空区宽度密切相关,地堑构造区内采空区的存在会打破楔形体的稳定状态,FD6和FD8断层的局部滑移错动导致楔形体滑移下沉,而地堑构造区的悬顶结构也对未开采煤体有相应挤压作用,两者的共同作用为冲击地压发生提供了高静应力条件,悬顶结构的破断为冲击地压的发生提供了动载扰动条件,静荷载和动荷载的共同作用导致地堑结构内部的上平巷和三联巷发生冲击显现;在冲击前的一定时间内微震能量和频次期间呈现明显的偏差,且微震日平均能量具有明显的突降和突升现象.基于分析结果结合现场实际,提出了"断链增耗"的防冲技术,为地堑构造区工作面冲击地压防控提供一定的理论参考.
为进一步完善点荷载试验相关方法,以均质大理岩和红砂岩为研究对象,对三种不同取芯直径的圆盘状试样开展轴向试验.以径向试验得到的点荷载强度指标Is(50)作为参照值,分析点荷载强度的尺寸修正问题.结果表明,对比主要规范中的修正指数m的计算误差,不同修正指数m获取的点荷载强度指数Is(50)差别较大;作图法获得的m值与经验值也可能存在较大差别;采用内插法通过D2e-P图像中的PP50值计算获得的Is(50)值与径向点荷试验获得的Is(50)值最接近.
采用数字图像相关方法(digital image correlation,DIC)对含不同填充裂隙大理岩单轴压缩破坏过程进行观测,通过分析破裂过程大理岩表面全局变形场的演化,结合电镜扫描(scanning electron microscope,SEM)技术,从定性和定量的角度,总结不同裂隙倾角和不同裂隙填充条件下裂纹起裂、扩展及贯通的规律.结果表明:预制裂隙倾角的变化,会对裂纹的起裂点、起裂角和岩石的强度产生不同程度的影响;而填充物的存在使得岩石的抗压强度有一定程度的提高;无论裂隙填充与否,裂隙大理岩的破坏大都为剪切和张拉共同作用的结果;由于填充物的影响,岩石在宏观上表现为翼裂纹主导的破坏形式,在细观上表现为明显的剪切破坏趋势;但当裂隙中无填充时,大理岩在宏观上则有翼裂纹和反翼裂纹这2种主导破坏形式,在细观上表现为较明显的张拉破坏趋势.因此,采用DIC方法定量描述岩石破裂过程的裂纹位移场演化,直观的判断含填充和未填充裂隙岩石断裂类型,突破了传统以经验为主判断岩石断裂类型存在的局限性,该研究有助于提升人们对含填充裂隙岩体破坏机制的认识.
针对岩石单轴压缩试验中存在的加载条件敏感性的问题,采用自行开发的二维弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,对不同尺寸的非均质岩石试样进行单轴压缩破裂过程模拟,研究不同的加载条件对岩石宏观变形行为和破裂模式的影响.结果表明,均质性相同的岩石试样在单轴压缩破裂过程中所表现的尺寸效应和形状效应现象与岩石本身的非均质性关系不大,加载垫板与试样之间力学性质的差异是造成岩样单轴压缩破裂过程尺寸效应和形状效应的根本原因,模拟结果再现了典型的试验现象.通过研究加载垫板与试样端部之间不同的摩擦情况,结果表明,即使试样端部存在较小的摩擦,仍然会造成岩样单轴强度和变形特性的离散性.因此,通过减小试样端部的摩擦来提高岩石单轴压缩试验质量是不可靠的.
为研究单裂隙花岗岩在应力–化学溶液渗透条件下的开度演化规律,开展单裂隙花岗岩在恒定三轴压应力及化学溶液渗透作用下的试验.对试验过程中渗透溶液离子浓度进行分析,结果表明,压应力作用下,裂隙接触面矿物溶解、自由面矿物溶解以及矿物沉淀3个过程影响裂隙开度的演化规律.通过裂隙面三维扫描数据获取裂隙开度变化与接触面积率的关系,并基于此在已有研究基础上分别建立酸性溶液和碱性溶液渗透作用下花岗岩裂隙开度演化模型.模拟结果表明,模型计算结果与试验结果符合较好,能够很好地描述裂隙在化学溶液渗透和应力作用下的演化规律;酸性溶液渗透作用下,接触面矿物溶解过程的强弱控制着裂隙开度的演化,而碱性溶液渗透作用下,矿物的沉淀过程也发挥着重要作用.
采用平面弹塑性细胞自动机模型在细观尺度上模拟应变软化岩石类材料的单轴压缩破坏过程.在平面弹性力学细胞自动机的基础上,推导分析平面弹塑性问题的细胞自动机更新规则,开发二维岩石弹塑性细胞自动机数值模拟软件;模拟不同均质度岩石的单轴压缩破坏过程,并在应力峰值后区考虑反复加卸载过程.模拟得到的岩石单轴压缩条件下的全程应力-应变曲线与典型的加卸载应力-应变试验曲线吻合较好,模拟得到的声发射曲线很好地反映出岩石声发射的Kaiser效应.
以正在进行的大型国际合作项目 DECOVALEX-THMC为背景,利用自行开发的弹塑性细胞自动机模拟系统,对开挖损伤区近场模型域进行程序校验(BMT)模拟研究,揭示高放废物从处置开始直至1×106 a 的演化过程中,裂隙的存在对开挖损伤区力学性能的影响.首先进行的是弹性分析,研究对象包括开挖损伤区近场均质模型和包含复杂裂隙网络的非均质模型域,该裂隙网络是瑞典Aspo硬岩实验室根据裂隙映射得出的真实裂隙网络分布.引入简单的弱化参数表达式,用弱化元胞单元来代表模型中的复杂裂隙网络,以模拟裂隙的软化效应.采用项目指导委员会提供的随时间变化的温度、应力、水流边界条件,模拟地质围岩从开挖、核废物处置、加热100～1×106 a 的力学演化过程.模拟结果显示,裂隙的存在对应力场、变形场和破坏过程有较大的影响,并将模拟的结果与国际上其他研究小组的模拟结果进行对比,吻合较好,说明该模型和方法的合理性,并可适合于该项目下一步的研究工作.在此基础上,采用弹塑性细胞自动机模拟系统,对裂隙网络模型和均质模型进行弹塑性破坏过程分析,结果表明,由于裂隙的存在,裂隙网络模型的破坏过程更加复杂.
在三维条件下定义了实体细胞自动机的基本组件,综合运用弹塑性理论、细胞自动机自组织演化理论、统计原理以及岩石力学理论等,建立了模拟岩石三维破裂过程的张量型细胞自动机模型,并开发了相应的数值模拟软件EPCA3D.利用EPCA3D对脆性岩石进行单轴压缩破裂过程模拟,通过破裂模式、岩样内部破裂情况、全应力-应变曲线和声发射曲线等的分析,揭示岩石破裂的机制.结果表明,EPCA3D能够较好地模拟非均质岩石在载荷作用下微裂纹的萌生、扩展和贯通的全过程.利用该模拟系统,采用应力-应变线性组合的加载控制方式,研究了不同围压对岩石全应力-应变曲线的影响.研究结果表明:对于脆性非均质岩石,低围压下容易表现为II类行为,且强度较低;高围压下容易表现为I类变形行为,且强度较高.
我国煤矿安全状况虽持续好转,但煤矿冲击地压灾害的影响却愈发严重,仅近5 a就发生了 8起冲击地压事故,累计死亡48人.我国煤矿冲击地压防治多为"头痛医头、脚疼医脚",冲击地压发生源头、孕灾机理不清.同时,以山东巨野、兖州等煤田为代表的东部充分采动矿井,具有开采深度大、采动影响因素复杂等特征;以内蒙古鄂尔多斯和陕西彬长矿区为代表的西部非充分采动矿井,则具有高强度开采、厚硬岩层等特征,均给冲击地压防治带来了新的挑战.因此,煤矿冲击地压源头防治已成为当前亟待解决的重大工程科学问题.针对这一难题,从冲击地压基础理论与模拟技术、监测及危险区判识技术、区域与局部防控技术装备等3方面系统的分析了当前冲击地压研究取得的成果与不足,结合前期研究基础与现场实践,提出了煤矿冲击地压源头防治思想.进而将其梳理为煤矿冲击地压源头属性与特性、煤矿冲击地压全过程孕灾与源头防治原理等2个科学问题,冲击地压全过程精细模拟技术、矿井全生命周期煤岩体应力与全尺度覆岩结构监测技术、冲击危险精准甄别与智能识别技术、煤矿冲击地压井上下协同防控技术等4个技术问题.根据生产矿井和新建矿井的特点,分别制定了相应的防治思路与技术框架.研究成果为我国煤矿冲击地压防治提供了一种新的思路,为煤矿"零冲击"目标提供理论依据与技术支撑.
边坡的稳定性评价应当不仅仅局限于边坡的初始失稳破坏评价,也应该包括边坡发生破坏后坡体形态的发展以及最终的平衡状态评价,因为它对于描述滑坡造成的危害更为直观.鉴于此,结合物质点方法开发过程中的一些最新进展进行简要介绍,包括隐式物质点方法、随机物质点方法以及考虑流-固全耦合的物质点方法,同时对其在不同工况下的边坡稳定性评价进行了应用与探讨,揭露了边坡相应工况下不同的破坏机制和模式,包括降雨引起的浅层破坏、斜长边坡的平动破坏以及黏土体常见的向上渐进式转动破坏等.研究结果表明,该方法可以稳定、高效地评价边坡的初始破坏以及诱发的众多次生破坏,直观深入地描述边坡的破坏机制以及评估破坏带来的风险.
大型地质体控制下,相邻矿井开采过程中时常发生冲击地压.为研究大型断层和巨厚砾岩层顶板条件下两个相邻矿井间相邻工作面开采过程中冲击地压的发生机理,以义马矿区跃进矿23070工作面和常村煤矿21220工作面为实际工程背景,对两工作面回采期间冲击显现特征和微震事件时空演化及能量特征展开现场实测分析,并对井间覆岩结构应力分布开展理论分析和数值模拟.研究结果表明,义马矿区F16逆冲断层的活化运动和巨厚砾岩层的整体控制作用,为冲击地压的孕灾提供了力源条件,井间相邻工作面同时回采期间,采空区上覆岩梁与井间煤岩柱系统构成“非对称T形”结构,21220工作面煤体冲击导致应力转移至井间煤柱和23070工作面,从而诱发23070工作面冲击;井间开采扰动导致应力转移并诱发冲击地压,与滞后开采工作面初始冲击强度及推进长度具有密切关系;基于理论与工程实测结果,提出了以弱化矿井间高应力传递的结构链为核心的井间“弱链增耗”防冲技术.为巨厚砾岩层顶板矿井群开采条件下相邻矿井工作面冲击地压发生机理及控制技术的研究提供理论基础.
利用自行研发的弹塑性细胞自动机模型和模拟系统,建立了非均质岩石水压致裂过程的细胞自动机模拟方法.该方法能够反映流体在水力梯度作用下进入新生微裂隙、形成新的流体渗流边界而对该边界产生张拉效应,并引起微裂隙的进一步扩展、贯通,最终形成宏观裂纹的过程,可以方便地进行水压致裂过程中边界条件和水力参数的动态更新.同时,研究了不同均质度和井筒内径对水压致裂行为的影响.结果表明,随着井筒内径增加,极限水压力降低,而破裂模式基本相似,模拟结果与典型实验现象吻合较好.
为深入探究深部开挖过程中岩体卸荷致灾过程的内部响应特征及其灾变规律,利用自主研发的三轴声发射采集系统,对砂岩进行不同围压、不同卸荷速率下的常规三轴卸围压声发射试验,并采用地震统计学方法对声发射绝对能量E,等候时间δ等参数进行统计分析.结果表明:①卸荷过程释放绝对能量的概率密度函数在101 ～ 104 aJ 4个能级内服从幂律分布;②随着卸载速率减小,出现在小能量区间的声发射事件可能性增大,相同卸压速率下随着围压的增大也会出现类似的变化趋势;③声发射“余震”事件在不同围压和卸荷速率下遵循同一线性关系,且不受“主震”事件能量大小波动的影响;④在小等候时间区间内(＜0.1 s),幂指数不受围压和卸载速率的影响,对于大等候时间区间(＞0.1 s),幂指数在1.3到1.9区间波动,并且不同能量阈值下的等候时间分布具有一致性.
针对深埋硬岩在多轴应力条件下的破坏特征,在笔者所在课题组工作的基础上,提出能够反映岩石在多轴应力作用下力学参数随塑性内变量的演化关系以及中间主应力和最小主应力对深埋硬岩脆延转换行为影响的岩体局部劣化模型(rock mass local deterioration model,RLDM),该模型考虑真实岩体应力状态对岩体力学行为的控制作用,并嵌入到自行开发的三维弹塑性细胞自动机软件系统中,而基于局部作用原理的细胞自动机方法能够方便地考虑岩石破坏过程中局部力学参数的动态更新.实验室尺度岩样的破坏过程模拟,较好地反映了随着围压的升高,岩石由脆性向延性转化的试验现象;工程尺度的锦屏二级水电站引水隧洞破坏行为模拟,获得的隧洞破裂模式较好地反映现场实际破坏现象,从而验证模型和模拟方法的正确性和合理性.在此基础上,以深埋硬岩为研究对象,分别考虑不同侧压力系数、不同中间主应力大小和方向,分析多轴应力对深埋硬岩破裂行为的影响,解释造成深埋硬岩隧洞复杂破裂模式的原因.结果表明,最小主应力升高使深埋隧洞的稳定性增强;深埋隧洞围岩的稳定性具有中间主应力效应及其区间性的特征.
为研究深部煤矿顶底板围岩在高应力下的冲击危险性,以跃进煤矿为工程背景,取自23092工作面的底板硬岩作为试验对象,应用真三轴试验机进行了一系列多轴(常规三轴和真三轴)条件下的压缩力学特性试验,部分试验还同步了破坏过程声发射信号测量.借助光学显微镜和场发射扫描电镜辅助分析试样微观特性表征.多轴压缩力学试验表明23092工作面底板硬岩具有明显弹脆性变形破坏行为,底板硬岩在单轴压缩情况下的脆性程度最高,中间主应力与脆性破坏指数负相关.最小主应力恒定时,中间主应力增加情况下的岩样的全应力-应变曲线、宏观破坏模式、岩样破裂角、脆性指数以及破坏岩样的SEM图像的变化特征均表明底板硬岩的脆性破坏特征与应力状态有关,即中间主应力增加促进其脆性破坏行为.底板硬岩在多轴应力状态下表现出峰值强度较大离散性,这与成岩过程中软弱矿物夹杂汇聚造成的岩石均质性差异有关.底板硬岩的冲击倾向性受真三向应力状态影响,最小主应力接近零的巷道底板表层附近硬岩表现为无或弱冲击危险性,但在中间主应力较高的深层硬岩则表现强冲击危险性,且随中间主应力增加而增强.多轴条件下压缩破坏的声发射信号具有前兆释放性,声发射信号伴随峰后多阶段破裂显著增强.
目前爆破扰动下隧道的动力响应解析解研究多为稳态,且主要集中在无衬砌隧道;而实际工程施工爆破扰动以瞬态波的形式传播,且大多隧道有衬砌.因此,论文以深埋圆形有衬砌隧道为研究对象,采用波函数展开法和梯形求积,开展平面爆破P波扰动下的隧道瞬态动力响应解析解研究:通过分析平面简谐P波入射时衬砌和围岩中的波场,考虑深埋隧道衬砌与围岩相互作用的边界条件,确定隧道周围的稳态响应;在稳态解的基础上运用梯形求积,求出平面爆破P波扰动下深埋圆形衬砌隧道动力响应问题的瞬态解析解,进而分析隧道衬砌与围岩接触面和隧道内的动应力集中系数、径向和环向振动速度的动态响应情况.研究结果表明:本文解析结果与FLAC及CASRock数值结果一致,验证了本文方法的可行性以及正确性;动力扰动过程中隧道两帮出现拉应力集中,顶底板主要出现压应力集中,隧道两侧的径向振动速度要显著大于隧道顶部,环向振动速度随着爆破荷载的加卸载先增大后减小至零.解析结果可以为深埋隧道的支护提供理论基础.
煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给.针对“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”这一科学命题,基于冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义“三因素”(“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”)理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道“三级”吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验.煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据.
随着污水厂污水处理量的不断增加,剩余污泥处理问题变得日益严重,污泥减量技术是目前解决剩余污泥难题的重要途径.从基于解偶联、隐性生长、微型动物捕食等方面阐述了废水处理污泥减量化技术的研究和应用现状,介绍了相关技术及工艺的原理和特点,并提出了其研究的发展趋势.
通过结合化学热力学及动力学、过渡态理论和岩石力学等方面的知识,建立了应力作用下岩石的溶解动力学模型,分析了应力作用对岩石固相物质活度及矿物溶解动力学速率的影响,探讨了应力作用下水岩相互作用机制.研究结果表明:岩石所承受应力与周围流体压力之间存在的应力差所产生的化学势差是应力作用下溶解反应的驱动力;应力的施加显著提高了岩石中固相物质的活度,由此加快了矿物溶解反应的动力学速率;应力作用下的岩石细观溶解机制可根据固液界面应力分配及优先溶解部位上的差别分别用水膜扩散模型或岛渠模型进行描述;应力作用下水岩相互作用存在着应力、化学与渗流的3场耦合问题:应力推动化学反应的发生,化学作用使得岩石表面的细观形貌发牛改变,局部的应力分布及大小也随着形貌的变化而改变,进而影响化学反应发生的位置及进程,同时也改变渗流通道的演化规律.
