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深部硬岩矿山岩爆的动静组合加载力学机制与动力判据

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岩石力学与工程学报 2019年第4期38卷 708-723页

作者：李夕兵宫凤强王少锋李地元陶明周健黄麟淇马春德杜坤冯帆中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083 中南大学深部金属矿产开发与灾害控制湖南省重点实验室湖南长沙410083

深部开采是硬岩矿山未来发展的必由之路。深部开采中经常遭遇的岩爆灾害是硬岩矿山未来发展过程中必须要解决的关键科学问题之一。针对岩爆机制这一世界性科学难题,从深部围岩储能特性、高应力赋存环境和开采受力全路径进行科学分析,发... 详细信息

深部开采是硬岩矿山未来发展的必由之路。深部开采中经常遭遇的岩爆灾害是硬岩矿山未来发展过程中必须要解决的关键科学问题之一。针对岩爆机制这一世界性科学难题,从深部围岩储能特性、高应力赋存环境和开采受力全路径进行科学分析,发现其本质上属于硬岩介质承受"静应力+动力扰动"的动静组合加载力学问题。根据这一思路,在广泛收集国内外典型岩爆案例的基础上,分析了孕育岩爆的"完整弹脆性岩体+高地应力+动力扰动"等必要条件,进一步阐述了深部硬岩矿山岩爆的动静组合力学机制和最近的研究进展。具体研究中,利用硬岩材料,一方面从"静应力+卸载扰动"和"静应力+加载扰动"这2个方面研究了岩爆的力学机制,另一方面在考虑深部工程开挖空间结构效应的基础上,从"静应力+应力调整"和"静应力+动力扰动"这2个方面考察了深部圆形洞室洞壁围岩发生应变型岩爆的破坏特性,分别阐明了不同类型的动静组合加载力学机制。在此基础上,提出了基于动静能量指数的岩爆动力判据和控制思路,岩爆发生的静力和动力组合作用加载的深入研究,为岩爆机制探索提供了新思路和新方法。

关键词：采矿工程深部开采硬岩岩爆金属矿山动静组合高应力动力扰动

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动静组合作用下锚固体的力学特性

动静组合作用下锚固体的力学特性

作者：王国柱河南理工大学

学位级别：硕士

锚杆是岩土工程中广泛采用的一种基本受力构件。冲击地压和放炮等产生的动力扰动会诱发深部岩土锚固支护结构的损伤破坏,其实质是在围岩静力作用的基础上,由附加的动力效应所引起的,是动静组合荷载作用的结果。因此,锚杆锚固系统的动静... 详细信息

锚杆是岩土工程中广泛采用的一种基本受力构件。冲击地压和放炮等产生的动力扰动会诱发深部岩土锚固支护结构的损伤破坏,其实质是在围岩静力作用的基础上,由附加的动力效应所引起的,是动静组合荷载作用的结果。因此,锚杆锚固系统的动静组合受力特性是关于岩土锚固工程稳定性的重要科学问题。本文主要通过试验研究动静组合作用下锚杆锚固系统的破坏模式和破坏过程;基于有限元软件研究界面粘结应力的分布及时程演变规律,粘结滑移特征及其初始静载水平、围岩应力和锚固长度等参数的影响;深入揭示动静组合荷载作用下锚杆锚固系统的破坏机制;建立粘结滑移力学模型。本文具体研究内容包括以下几个方面:(1)通过实验室试验,研究锚固体在静载、动载和动静组合荷载作用下的承载力变化规律和破坏形式,分析静载、动载和动静组合荷载作用下锚固体承载力的区别和联系及其作用机理。试验表明:锚固体在静载、动载和动静组合荷载作用下的破坏形式均为锚杆和灌浆体界面脱粘破坏;在不同加载方式下,动载作用下锚固体的极限承载力最小,动静组合荷载作用下锚固体的极限承载力最大,静载作用下的极限承载力居中。(2)基于有限元软件,模拟锚杆和灌浆体界面在初始静载水平、围岩应力和锚固长度等参数下界面粘结应力分布规律。结果表明:随着初始静载水平的增加,界面粘结应力向锚固体自由端传递更远;围岩应力只在外加荷载比较小的情况下对界面粘结应力的分布有影响;锚固长度超过一定值时,锚固体自由端不出现界面粘结应力。(3)基于损伤理论,通过试验结果分析和模拟结果分析提出了动静组合作用下锚固体的粘结滑移关系。在循环初期,随着循环次数的增加,循环变量不断增加,锚固体不断损伤破坏;在循环后期,循环变量趋于稳定,锚固体已经达到最终破坏状态。

关键词：锚固体应力分布动静组合试验研究数值模拟

一维动静组合加载下多角度耦合充填体力学特性研究

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金属矿山 2021年第9期50卷 18-26页

作者：陈超杨志彬马姣阳李洪宝张震华北理工大学矿业工程学院河北唐山063210 河北省矿业开发与安全技术重点实验室河北唐山063210

为探讨爆破扰动作用下充填矿柱的失稳破坏模式及动力学特性,以尾砂胶结充填体为研究对象,选取3个轴压水平,开展不同传递路径、应变率下SHPB冲击试验。研究表明:(1)相同轴压下,充填体动态抗压强度随应变率增大而增大,相近应变率下,充填... 详细信息

为探讨爆破扰动作用下充填矿柱的失稳破坏模式及动力学特性,以尾砂胶结充填体为研究对象,选取3个轴压水平,开展不同传递路径、应变率下SHPB冲击试验。研究表明:(1)相同轴压下,充填体动态抗压强度随应变率增大而增大,相近应变率下,充填体动态抗压强度随所施轴压梯度的增大呈现出先增大后减小趋势,当轴压为静载强度40%时达到最大动态抗压强度;(2)动静组合加载下充填体应力—应变曲线主要分为弹性阶段、屈服阶段及破坏阶段,弹性模量随轴压的增大呈先增大后减小趋势;(3)轴压作用下,充填体破坏模式为剪切破坏,冲击波经不同传递路径或不同角度传递至充填体时,破坏模式仍为剪切破坏,无轴压作用时,充填体破坏模式为劈裂拉伸破坏。(4)利用ANSYS/LS-DYNA模拟动静组合加载下充填体冲击过程,得到冲击波直接或经花岗岩间接作用于充填体时,最大应力峰值出现时刻基本相同,应力大小差异较大,在充填体内应力波衰减量为20%,经花岗岩间接作用于充填体时应力波衰减量为29%。

关键词：充填开采冲击荷载动静组合 SHPB 破坏模式充填体

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一维动静组合加载下损伤岩石力学特性研究

一维动静组合加载下损伤岩石力学特性研究

作者：马佳骥石家庄铁道大学

学位级别：硕士

深部岩石由于受地应力作用,在受到冲击扰动后表现出与浅部岩石不同的动力学特性,冲击损伤后的岩石和完整岩石的动力学特性也存在较大差异。本文为了深入研究岩石在不同应力状态下的动力学特性,考虑动静组合加载外界条件,对损伤和完整岩... 详细信息

深部岩石由于受地应力作用,在受到冲击扰动后表现出与浅部岩石不同的动力学特性,冲击损伤后的岩石和完整岩石的动力学特性也存在较大差异。本文为了深入研究岩石在不同应力状态下的动力学特性,考虑动静组合加载外界条件,对损伤和完整岩石的动力学特性进行对比研究。采用可施加轴压的SHPB试验装置对灰砂岩进行一维动静组合循环加载试验,以循环冲击进入损伤稳定期的灰砂岩作为损伤岩石和完整岩石进行一维动静组合加载下的动力学特性研究试验。主要研究内容及成果如下:(1)采用声波波速法和弹性模量法对灰砂岩一维动静组合循环加载下的损伤演化规律进行研究,得到了灰砂岩在初次冲击后由损伤初始阶段进入损伤稳定发展阶段,在临界破坏时进入损伤加速阶段的规律。(2)在同轴压、同应变率下,相比完整岩石,损伤岩石的峰值应变大、峰值应力小、冲击破碎后的块数多、粒径小。纯动载下,试样均呈拉伸破坏模式,一维动静组合加载下,试样均呈压剪破坏模式。(3)相同应变率下,损伤岩石割线模量和动态抗压强度均随轴压的增大先增大后减小,完整岩石则一直增大(45 MPa轴压值没有达到完整岩石的弹性极限,但达到了损伤岩石的弹性极限),而两种岩石单位体积吸收能均随轴压的増大而减小;相同轴压时,两种岩石割线模量均随应变率的增加没有表现出特定规律,但动态抗压强度和单位体积吸收能均随应变率的增大而增大。(4)采用静载和动静组合加载下的岩爆倾向性指标对损伤和完整岩石的岩爆倾向性进行研究,得出了在同轴压、同入射能冲击下,完整岩石比损伤岩石更容易发生岩爆的结论。(5)采用推广的应变等价原理,提出了损伤灰砂岩一维动静组合加载下的损伤演化方程,并由此得出了损伤岩石一维动静组合加载下的本构模型。经过验证,该模型的本构曲线与试验得出的本构曲线具有较好的一致性,说明所建模型可以用来表征损伤灰砂岩一维动静组合加载下的本构关系。

关键词：动静组合循环冲击损伤岩石动力学特性

酸化岩石在动静组合作用下的力学性能及岩爆机理研究

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酸化岩石在动静组合作用下的力学性能及岩爆机理研究

作者：吴云华东交通大学

学位级别：硕士

深部岩石力学问题是岩石力学与地下工程领域研究的焦点问题,在深部地下工程开采过程中,深部岩石由于开挖卸荷致使岩体应力重分布,储存在岩石内的能量突然释放出来,致使岩爆灾害的产生。岩爆发生机理极为复杂,与深部岩体所处的周边环境... 详细信息

深部岩石力学问题是岩石力学与地下工程领域研究的焦点问题,在深部地下工程开采过程中,深部岩石由于开挖卸荷致使岩体应力重分布,储存在岩石内的能量突然释放出来,致使岩爆灾害的产生。岩爆发生机理极为复杂,与深部岩体所处的周边环境密切相关。在深部地下环境中,深部岩石受到高地应力产生的静载以及工程扰动或地震产生的动载共同作用。此外,酸性水溶液广泛存在于地下深部工程,深部岩石长期处于酸性溶液浸泡,其力学性能与浅部岩石完全不同。基于地下深部工程的实际情况,本文开展了酸化岩石在动静组合作用下的力学性能及岩爆机理研究,为深部地下工程的岩爆机理研究以及岩爆预测提供参考。首先,采用取芯机及磨石机对岩石进行取芯并打磨,制备大理岩及红砂岩的岩石试样,采用切割机将岩样尺寸制定为50×25mm以及50×100mm的圆柱体试件。其次,将浓盐酸用水稀释,配制得到PH=4的酸性溶液,并用PH测试笔进行溶液PH值的测定,将上述试样置于该酸性溶液中养护30d,所测得的每隔12小时酸性溶液的PH值后用胶头滴管滴加盐酸保持溶液酸性维持在PH=4,利用万能压力试验机测得岩石的单轴抗压强度以及单轴抗拉强度。然后在霍普金森压杆上进行动静组合作用下岩石的动态力学试验,采用二波法对试验数据进行处理得到了岩样的动态破坏应力-应变关系曲线,并根据能量理论对岩爆动力学机理进行了研究。本文研究得出如下结论:1、化学腐蚀作用下岩石单轴抗压及抗拉强度显著下降,且单轴抗压强度较抗拉强度下降更为明显。大理岩较红砂岩的质量损伤更大,且大理岩的力学性能比红砂岩变化的更为明显。2、在冲击动载作用下,酸化后红砂岩的动态抗压强度远大于酸化后大理岩的动态抗压强度,且红砂岩与大理岩的动态抗压强度均随着冲击气压的增大而增大。轴向静载及围压能显著提高岩石的动态抗压强度。3、在一维及三维动静组合作用下,随着冲击气压或平均应变率的增加,岩样破碎的碎块颗粒直径明显降低,有着显著的应变率相关性。4、动静组合作用下酸化红砂岩的动态抗压强度随着红砂岩吸收能量的增大而增大,经计算发现本试验中的酸化岩石不具有岩爆倾向性。

关键词：化学腐蚀动静组合深部岩石力学性能岩爆

循环冻融作用下岩石动静组合加载力学特性研究

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循环冻融作用下岩石动静组合加载力学特性研究

作者：沈建琳石家庄铁道大学

学位级别：硕士

岩石长期暴露在空气中,经过较高的昼夜温差作用和季节更替循环,内部结构会发生变化,产生冻融损伤。一般情况下岩石自身就存在静应力作用,在进行爆破、机械振动等作业施工时会使岩石同时受到冲击荷载的作用。本文以红砂岩为研究对象,探... 详细信息

岩石长期暴露在空气中,经过较高的昼夜温差作用和季节更替循环,内部结构会发生变化,产生冻融损伤。一般情况下岩石自身就存在静应力作用,在进行爆破、机械振动等作业施工时会使岩石同时受到冲击荷载的作用。本文以红砂岩为研究对象,探究冻融损伤岩石在受到静载与动载同时作用时的动态力学性质。利用能够施加轴压的霍普金森杆进行实验,结合HJC本构模型采用ANSYS/LS-DYNA软件进行相关数值模拟,研究冻融损伤后的红砂岩在动静组合作用下的力学性质,主要研究内容和结论如下:(1)冻融损伤试样静态力学性质分析。使用冻融箱对完整岩石进行冻融循环,通过常规物理试验、单轴压缩实验、劈裂实验测量岩石的物理性质以及拉伸、压缩强度等指标。发现随着冻融循环次数的增加,岩样表层出现剥落现象,质量逐渐减少,密度逐渐降低,抗拉、抗压强度逐渐下降。岩样经历10次冻融循环后,应力应变曲线压密阶段显著增大,冻融前试样为较硬岩,冻融10次之后变为软岩,在冻融10次至30次过程中,试样均为软岩。(2)冻融损伤岩体RMR质量评价。利用衰变函数模型分析红砂岩冻融完整性损失,计算得到红砂岩的衰变常数为0.043,结合单轴抗压强度实验结果计算得到半衰期为16次,可知本次采用的试样总体抵抗冻融风化能力较弱。将室内试验成果及冻融完整性损失结果综合应用到RMR岩体质量评价体系中,得到冻融损伤岩体质量修正公式,为冻融岩石室内试验成果的工程实际应用提供有效途径。前5次冻融红砂岩岩体质量由Ⅱ级好岩体变为Ⅲ级中等质量岩体,5次至50次冻融区间内RMR值逐渐降低并趋于平缓,但仍为Ⅲ级中等质量岩体。(3)冻融损伤岩石动静组合加载实验。利用直径为50 mm的能施加轴压的霍普金森压杆对不同冻融损伤程度的岩石试样施加特定轴压,然后进行冲击实验。本次主要考虑冻融损伤程度、轴压大小和冲击速度等三个变量对试样动态力学性质的影响,岩石动态力学性质的变化在三种因素的影响下表现出一定的规律性。但三个因素互相耦合,共同影响岩石动态力学性质,使冻融损伤岩石动静组合加载峰值强度、峰值应变、弹性模量等力学参数的变化具有复杂性。(4)霍普金森杆实验的数值模拟分析。利用目前广泛使用的LS-DYNA软件,结合HJC本构关系进行预加轴压的霍普金森杆冲击实验的数值模拟。依据HJC本构关系各参数的物理意义及相应实验结果,适当结合试算法,得到不同冻融损伤、不同静载、不同应变率的岩样HJC参数值。利用LS-DYNA有限元模型进行数值模拟,数值模拟结果与实验结果吻合较好。红砂岩动态强度敏感参数为A、B、f。综合冻融岩石动静组合加载实验及数值模拟结果发现:对于相同损伤变量的岩样,相同轴压不同发射气压作用时,岩样动态强度表现较强的应变率效应,强度随发射气压的增加而增强;相同动载不同轴压作用时,岩样的动态强度随轴压的增加而增加,当施加的轴压超过静载强度的60%,岩样的动态强度随静载的增加而减小。当岩石加载形式相同时,相比未冻融试样,冻融损伤试样动态强度、弹性模量均较小,峰值应变较大。

关键词：冻融循环动静组合力学特性红砂岩 HJC本构模型

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动静组合作用下岩爆相似材料力学特性研究

科技通报 2019年第4期35卷 83-88页

作者：徐宝贞李进刘永胜邹家宇吕少勇华东交通大学基建处南昌330013 华东交通大学土木建筑学院南昌330013

以赣江细砂、水泥、石膏、水以及适量矿物质金属铝粉和铁粉为原材料,通过正交设计配制出了3种岩爆相似材料试件:普通、含铝粉、含铁粉岩爆相似材料试件。进行纯动态冲击试验和动静组合加载实验,探究不同配制材料及不同加载方式对岩爆相... 详细信息

以赣江细砂、水泥、石膏、水以及适量矿物质金属铝粉和铁粉为原材料,通过正交设计配制出了3种岩爆相似材料试件:普通、含铝粉、含铁粉岩爆相似材料试件。进行纯动态冲击试验和动静组合加载实验,探究不同配制材料及不同加载方式对岩爆相似材料力学性能的影响。试验结果表明:控制原材料的配比,能配制出具有较好岩爆性能的相似材料,添加适量的矿物质金属能提高相似材料的力学性能,且铁粉的效果较铝粉好;随着冲击气压的增大,动态抗压强度提高的幅度也随之增大,说明冲击气压越大,其添加的效果越好。不同加载方式对相似材料的力学性能也有较大影响,动静组合加载能明显提高相似材料的动态抗压强度,且抗压强度值随冲击气压增大而增大,为配制出更加符合工程实际情况的岩爆相似材料提供了试验基础。

关键词：岩爆相似材料动静组合能量力学性能

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动静组合式分离器的运行特性分析

西北电力技术 2004年第6期32卷 77-78页

作者：焦沛西北电力试验研究院陕西西安710054

本文通过对动静组合式分离器的结构特点以及分离原理进行分析,着重介绍了该分离器的运行特性,以说明其具有煤粉细度调整方便、均匀性好、阻力低、调节方便等特点。

关键词：动静组合分离器运动特性

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三维动静加载下煤的本构模型及卸荷破坏特征

哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 61-72页

作者：解北京栾铮李晓旭张景顺于瑞星丁浩中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,... 详细信息

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,研究轴压、应变率对煤样动力学响应规律的影响;其次,基于响应曲面理论,借助中心复合试验法,构建考虑因素交互作用的回归模型,并分析单因素及因素交互作用的显著性;然后,结合因素交互作用、Weibull分布、Drucker-Prager准则,修正煤的强度型统计损伤本构模型,对比理论与实验结果,验证模型可靠性;最后,借助加卸荷电液伺服装置,探究轴压、冲击气压、卸荷方式对煤样破坏特征的影响及作用机制。结果表明,构建的强度型统计损伤模型,相关系数R~2≥0.88,可表征煤样动力学响应行为。冲击后同步卸荷的煤样多呈层裂破坏,拉伸界面随轴压增大而后移直至消失,无法形成层裂破坏;非同步卸荷下煤样破坏形式主要包括整体完整、层裂、压剪破坏,而当冲击气压0.4~0.6 MPa,轴压14.5 MPa时,表现为“层裂+压剪”混合破坏。

关键词：动静组合卸荷破坏本构模型分离式霍普金森压杆响应曲面法交互作用