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金属矿山复杂采空区围岩破坏及岩层移动机制研究

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 670-682页

作者：孙朝燚陈从新夏开宗张伟中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071

以武钢资源集团金山店铁矿东区为依托工程,厘清矿区工程地质条件和矿体开采情况;通过地压显现调查和微震破裂监测开展复杂采空区围岩破坏空间特征分析;结合三维数值模拟、围岩破裂监测和巷道破坏调查结果阐明矿区上下盘围岩破坏机制,提... 详细信息

以武钢资源集团金山店铁矿东区为依托工程,厘清矿区工程地质条件和矿体开采情况;通过地压显现调查和微震破裂监测开展复杂采空区围岩破坏空间特征分析;结合三维数值模拟、围岩破裂监测和巷道破坏调查结果阐明矿区上下盘围岩破坏机制,提出基于岩体塑性破坏的围岩破坏角不连续变形分析指标,并与陷落角指标进行对比验证,揭示金属矿山复杂采空区引起的平面和剖面方向上岩层移动规律。研究结果表明:围岩破坏和巷道地压显现围绕采空区分布,在平面上半月形采空区凸出形状对两翼围岩破坏具有放大效应,在剖面上分段运输巷道破坏具有高程滞后发生的特点;采空区围岩破坏最初以顶部岩体垮塌冒落为主,随着采矿推进发展为断层滑移控制的筒状冒落破坏,最后扩展成为岩体结构控制的贯通滑移破坏,上盘围岩呈现倾倒-滑移破坏特征,下盘围岩呈现追踪断层和结构面的剪切-滑移破坏特征;不同勘探线剖面的上盘和下盘围岩破坏角和陷落角的数值及变化规律较为一致,均随采矿进程近似呈现先减小后趋于稳定的变化规律;上盘采空区(FeI)为条带状展布,趋于稳定的破坏角在不同勘探线位置近似一致,且主控优势结构面倾角越大,其稳定破坏角越小;下盘采空区(FeII)呈半月形平面形状展布,半月形中间凸出位置的稳定破坏角较大,两翼位置角度较小,且距离中间位置越远其角度越小。研究结果对指导矿山安全生产和保障周边居民正常生活具有重要意义。

关键词：采矿工程金属矿山地下开采复杂采空区围岩破坏岩层移动

基于Weibull分布的非均质隧洞围岩破裂碎胀FDEM数值模拟研究

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工程力学 2024年第7期41卷 40-59页

作者：邓鹏海刘泉声黄兴武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072 中国科学院武汉岩土力学研究所湖北武汉430071

岩石材料具有非均质特征,矿物颗粒和胶结材料强度在统计学上服从Weibull分布。基于有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)提出了三角形单元弹性模量和四边形节理单元强度服从Weibull分布的参数赋值流程,随后研究了非均质岩样在单轴压缩... 详细信息

岩石材料具有非均质特征,矿物颗粒和胶结材料强度在统计学上服从Weibull分布。基于有限元-离散元耦合数值模拟方法(FDEM)提出了三角形单元弹性模量和四边形节理单元强度服从Weibull分布的参数赋值流程,随后研究了非均质岩样在单轴压缩、三轴压缩和巴西劈裂下的力学特征和破坏行为,最后对非均质隧洞围岩在高应力下的破裂碎胀大变形机制进行了模拟研究。结果表明:提出的随机参数赋值方法可建立不同弹性模量三角形单元数目服从Weibull分布、且空间分布具有随机性的FDEM数值模型;非均质岩样单轴抗压强度、三轴抗压强度、巴西劈裂抗拉强度、等效粘聚力和等效内摩擦角随着非均质度m的增大,均呈指数增大,并向均质材料逼近;高应力非均质隧洞围岩随着m的增大,裂隙网络形态变化不大,均以共轭剪切破裂为主,并伴随少量拉伸裂隙,但围岩破坏程度和裂隙扩展范围呈指数降低。

关键词：非均质岩体 Weibull分布 FDEM 破裂碎胀变形非均质度隧洞围岩

压缩空气储能地下内衬硐库基本原理与分析方法研究进展

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岩土力学 2024年

作者：孙冠华王娇于显杨易琪朱开源王章星耿璇屈杰中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程安全重点实验室中国科学院大学

基于地下内衬硐库的压缩空气储能，以其发电时间长、规模大、建设周期短、选址灵活、工程造价低、运行周期长、环境友好等优势，在新型储能领域展现了较强的生命力，将有力地促进新型电力系统的构建和新能源的高质量发展。与传统地下空... 详细信息

基于地下内衬硐库的压缩空气储能，以其发电时间长、规模大、建设周期短、选址灵活、工程造价低、运行周期长、环境友好等优势，在新型储能领域展现了较强的生命力，将有力地促进新型电力系统的构建和新能源的高质量发展。与传统地下空间的运行特点有较大不同，在充放气过程中，硐库不仅需要承受交变高内压膨胀压力，同时伴随着显著的温度变化。本研究围绕地下内衬硐库，阐述了其工作原理以及柔性密封结构的设计理念，针对高压、交变应力和温度变化等荷载特征，系统分析了地下内衬硐库相关理论与分析方法等方面的研究进展，主要包括库内温压响应与密封结构传热特性、围岩应力路径与力学响应、钢筋混凝土衬砌开裂与控制标准、密封层、上覆岩体稳定性与安全埋深、密封堵头等。最后，对地下内衬硐库基本原理与分析方法的发展趋势进行了展望。

关键词：压缩空气储能岩石内衬硐库分析方法

煤矿深部巷道软弱围岩密集钻孔卸压技术与应用

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3187-3194页

作者：康永水耿志刘滨张瑞李翔李寅玉中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 淮南矿业(集团)有限责任公司顾桥煤矿安徽淮南232131

煤矿深部围岩高应力与低强度之间的矛盾是诱发巷道大变形破坏的主要原因。为探究煤矿深部软弱围岩钻孔卸压技术,分析深部岩体开挖引起的扰动应力场演化分区特征,揭示高应力软岩巷道钻孔卸压机制,研究卸压钻孔群的合理设计方法,提出平行... 详细信息

煤矿深部围岩高应力与低强度之间的矛盾是诱发巷道大变形破坏的主要原因。为探究煤矿深部软弱围岩钻孔卸压技术,分析深部岩体开挖引起的扰动应力场演化分区特征,揭示高应力软岩巷道钻孔卸压机制,研究卸压钻孔群的合理设计方法,提出平行布置、扇形布置和管棚式布置3种卸压钻孔排布方法,并对比分析各方法的优缺点。最后,选择在顾桥煤矿近千米深井软岩巷道进行了应用试验,在卸压试验段选用扇形布孔方式共施工96个卸压钻孔。巷道表面位移监测结果表明:与非卸压区临近相似地质条件巷道相比,卸压试验段围岩两帮变形量降低约35.71%,顶板下沉量降低约33.43%,底鼓量下降约35.84%。与非卸压区测点对比,巷道同侧12 m深度处的应力释放率约为18.5%。研究表明:合理的钻孔卸压方式能有效降低集中应力,利于巷道稳定控制和大变形灾害的防控,可作为深部高应力软弱围岩大变形灾害防控的辅助手段。

关键词：采矿工程煤矿软岩高应力钻孔卸压应力演化

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充填型岩石节理剪切力学特性研究进展

岩土力学 2024年

作者：康永水周秀斌刘滨卢正耿志黄友琦中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室中国科学院大学

深部地层断层破碎带分布广泛，通常夹杂断层泥、岩屑等充填物，可显著降低岩体强度，为围岩稳定控制带来严峻挑战。断层破碎带充填型节理的剪切力学特性复杂且受多种因素的影响，如岩石类型及力学特性、节理面粗糙度、充填物矿物组分及... 详细信息

深部地层断层破碎带分布广泛，通常夹杂断层泥、岩屑等充填物，可显著降低岩体强度，为围岩稳定控制带来严峻挑战。断层破碎带充填型节理的剪切力学特性复杂且受多种因素的影响，如岩石类型及力学特性、节理面粗糙度、充填物矿物组分及力学性质、流体作用（如地下水）。通过回顾充填型岩石节理剪切力学行为的研究历程，对国内外关于充填型岩石节理剪切力学特性的研究现状进行了系统的总结，从室内剪切实验、数值仿真方法、抗剪强度准则及本构模型理论等方面分析了充填型岩石节理剪切力学特性关键科学问题及研究进展，并剖析了不同研究方法中存在的问题及发展趋势。目前普遍认同充填度、充填物矿物组分及力学性质是区别于无充填节理的最重要特征；地下水作用、法向应力、节理壁粗糙度等因素对充填节理力学特性有显著的影响。目前通过宏观唯象方法建立的抗剪强度理论难以精确应用到工程实际中，未来的研究关键及难点主要包括：多尺度充填型岩石节理剪切力学特性、基于充填节理的剪切破坏形成的细观机制、不同种类充填节理的剪切破坏准则及其对应的数值仿真本构模型及细观参数取值方法等。考虑多场耦合条件下多尺度充填节理的复杂行为将是未来充填型岩石节理剪切行为研究的重要发展方向。

关键词：断层带充填节理剪切行为充填物性质多尺度分析

凸出部放大效应在桥址高边坡地震稳定性评价中的应用探讨

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岩土力学 2024年

作者：秦辉汤华尹小涛程谞汤盛平中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室中国科学院大学

深切峡谷区桥址高边坡凸出部具有三面临空和多面卸荷的典型地质地貌特征，研究边坡凸出部地震地形放大效应对桥址边坡安全控制尤为重要。依托特大桥桥址高边坡，研究了地震作用下边坡凸出部放大效应和变形破坏机制，优化了墩台位置。研... 详细信息

深切峡谷区桥址高边坡凸出部具有三面临空和多面卸荷的典型地质地貌特征，研究边坡凸出部地震地形放大效应对桥址边坡安全控制尤为重要。依托特大桥桥址高边坡，研究了地震作用下边坡凸出部放大效应和变形破坏机制，优化了墩台位置。研究结果表明：（1）现场调查和数值模拟综合印证了边坡凸出部山顶碎屑流和主墩下部危岩体发育，受历史震害强。加速度随坡高呈现非线性放大的规律，开挖加剧了挖方区域加速度放大效应。凸出部（坡脊）坡腰和坡顶位置放大系数最大，加速度放大系数MPGA最大可达3.2。（2）坡脊高频部分（5～12 Hz）的加速度傅里叶谱幅值普遍比坡谷大，开挖导致墩台上（下）边坡的傅里叶幅值的峰值减小在（增大）。开挖位置附近的傅里叶谱幅值的峰值均随峰值加速度增加呈现先增大后减小的趋势。（3）《建筑抗震设计规范》中限制了最大坡高和放大系数极值，可能造成高边坡凸出部的动力放大效应被低估，使得凸出部地震稳定性评价结果偏危险。（4）为保证桥址边坡的地震稳定性，采用本文方法优化墩台外侧距坡面的距离为22-26m。研究成果可为有凸出部的高边坡地震稳定性评价和墩台位置优化设计提供指导。

关键词：桥址边坡凸出部地震放大效应频谱特性墩台位置优化

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基于波速场反演的爆破损伤区范围界定研究

岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3257-3266页

作者：傅帅旸李海波吴迪王犇刘黎旺李晓锋中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 南京理工大学机械工程学院江苏南京210094

岩体爆破损伤区范围的量化界定对于爆破作用下地下工程围岩稳定性评价、基岩开挖损伤控制等具有重要意义。基于多模板快速行进法(multistencils fast marching methods,MSFM)与同步迭代重建技术(simultaneous iterative reconstructive ... 详细信息

岩体爆破损伤区范围的量化界定对于爆破作用下地下工程围岩稳定性评价、基岩开挖损伤控制等具有重要意义。基于多模板快速行进法(multistencils fast marching methods,MSFM)与同步迭代重建技术(simultaneous iterative reconstructive technique,SIRT),提出一种基于波速场反演定量确定岩体爆破损伤区范围的方法。通过对比反演所得波速场与已知波速场模型,验证所提方法的有效性。使用自主研发的OpenFDEM有限-离散元求解器进行爆破、波速测量模拟,采用自编程后处理程序处理波形数据,对爆破后模型的波速场进行重建。结合现行规范中岩体损伤表征的波速变化率判据,对比分析波速场中不同波速变化率区域与爆生裂纹区域。使用爆破损伤程度不同的区域等效半径与爆破孔半径之比,量化爆破损伤的范围。分别以波速变化率10%与15%作为岩体爆破轻微损伤以及完全损伤的阈值,爆破轻微损伤区及爆破损伤区等效半径与爆破孔半径之比分别为11.86与7.2左右。随着爆破荷载的增加,不同程度损伤区的形状逐渐变得不规则,等效半径增大。研究结果可为现场爆破损伤区范围的确定提供参考。

关键词：岩石力学爆破损伤区波速场反演多模板快速行进法同步迭代重建技术有限-离散元模拟

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复杂应力路径下的花岗岩洞室开挖损伤区研究

岩土力学 2024年第9期45卷 2539-2553页

作者：王贵宾刘桓兑唐明豪杨春和陈世万中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国科学院大学北京100049 浙江省应急管理科学研究院浙江杭州310012 贵州大学资源与环境工程学院贵州贵阳550033

在储库的建设与运行过程中,复杂的应力路径是控制围岩损伤的主要因素。然而在围岩的损伤区研究中,应力路径仍未得到充分考虑,特别是忽略了主应力轴旋转在围岩损伤中的作用。基于岩石扭剪仪开展岩石主应力轴旋转试验,利用断裂力学理论对... 详细信息

在储库的建设与运行过程中,复杂的应力路径是控制围岩损伤的主要因素。然而在围岩的损伤区研究中,应力路径仍未得到充分考虑,特别是忽略了主应力轴旋转在围岩损伤中的作用。基于岩石扭剪仪开展岩石主应力轴旋转试验,利用断裂力学理论对裂隙的尖端应力场进行了分析。结果表明,应力旋转会提高裂隙尖端的拉应力以促进裂隙的进一步发育,从而导致岩体强度的降低,且降低幅度与旋转角度呈明显的正相关关系。基于上述结果提出了一种考虑应力旋转的损伤演化表征法,在岩体最大偏应力超过第一次起裂应力后,对主应力轴任意方向的旋转角度进行累加,得到累计有效旋转角度。利用其随深度变化规律实现开挖损伤区(excavation damage zones,简称EDZS)的圈定,同时利用损伤区的最大深度和超过第2次起裂应力的偏应力范围划定剥落区。该方法综合考虑了应力路径中主应力的幅值与旋转角度的变化,更加全面地反映了围岩损伤演化机制,并通过Mine-by隧道数值模型与现场监测数据的对比进行了有效性验证。本研究可以为理解围岩损伤机制和预测围岩损伤范围提供新思路。

关键词：应力路径开挖损伤区(EDZ) 花岗岩起裂应力应力旋转

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不同注浆材料填充双裂隙类岩石试样力学特性研究

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 623-638页

作者：刘学伟王赛刘滨刘泉声姚文杰贾闯陈海啸中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室湖北武汉430071 中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072

注浆是裂隙岩体稳定性控制的主要技术之一,不同注浆材料对裂隙岩体的注浆加固效果存在较大差异。选取硫铝酸盐水泥(SAC)、普通硅酸盐水泥(OPC)和环氧树脂(EPR)3种注浆材料,对预制平行双裂隙类岩石试样进行充填,开展单轴压缩试验、声发... 详细信息

注浆是裂隙岩体稳定性控制的主要技术之一,不同注浆材料对裂隙岩体的注浆加固效果存在较大差异。选取硫铝酸盐水泥(SAC)、普通硅酸盐水泥(OPC)和环氧树脂(EPR)3种注浆材料,对预制平行双裂隙类岩石试样进行充填,开展单轴压缩试验、声发射以及扫描电镜试验。结果表明:EPR填充对裂隙试样强度最大,OPC水泥次之,SAC水泥最小。试样破坏模式则受填充材料影响突出,EPR填充试样不受预制裂纹控制,而SAC和OPC填充试样则主要由于裂隙扩展贯通发生的拉剪混合破坏。扫描电镜结果表明上述差异主要受控于不同浆液类型的浆-岩胶结特征,SAC和OPC填充浆-岩界面为覆盖型,而EPR填充则为融合型。在上述试验结果基础上,采用颗粒流程序(PFC)建立表征不同胶结模式的数值模型,分析不同注浆填充材料加固机制。数值模拟结果表明,试样加载过程中拉剪微裂纹比例、微裂纹倾角分布以及颗粒位移方向均受填充材料影响。因此,对于不同注浆材料,其自身强度和胶结性能改变了浆-岩胶结模式,影响了裂隙充填试样的受力状态,进而造成加载过程中浆液和周围岩体颗粒运动和微破裂的差异,最终影响了宏观强度特性和破坏模式。

关键词：岩石力学注浆材料浆岩胶结强度特征数值模拟破坏特征