断层构造对高地应力隧道初始地应力场影响分析

为减少地下工程区断层等地质构造对局部应力场的影响，以云南省红河州某高速公路隧道工程为例，分析隧道选址区域初始地应力场。首先，建立隧道选址区域三维地质模型，使用空芯包体法采集10处测点的初始地应力数据；然后，根据实测地应力数据，通过多元线性回归反演分析方法反演，得到隧道选址区岩体初始地应力场，同时，在该方法的基础上考虑区域内断层和破碎带的影响，总结断层对地应力分布状态的影响；最后，根据现场勘察所得地质构造条件(主要为断层),对断层带施加挤压力和压扭力模拟断层错动，从而进行局部地应力调整，得到符合实际的地应力场。结果表明：研究区域水平垂直隧道轴线方向的应力最大，表现为σ_y>σ_z>σ_x;应力值在断层内部减小，断层带边缘增大。在高地应力硬岩隧道工程中，应力集中的断层边缘存在岩爆发生概率增大的可能性，应加强防治，以保障施工过程安全。     

轴向单缝偏心药柱爆破效应模型试验研究

为了探究轴向单缝偏心药柱在掏槽爆破中爆炸应力波传播规律和裂纹扩展情况，采用水泥砂浆模型试块开展模型爆破试验，采用超动态应变测试系统对爆炸应力场进行测量。结果表明:在相同爆心距下，背对切缝侧A测点仅为正对切缝侧B测点峰值应力的73.82%；一定角度范围内，峰值应力随偏转角度的增大而减小，偏转角度为0°时峰值应力最大，偏转角度为60°处峰值应力是偏转角度为30°处的74.39%，峰值应力在0°到60°范围内最大衰减达到32.74%；正对切缝方向产生一条贯通炮孔的主裂纹，裂纹发育优于其他方向，且切缝方向没有明显的细小裂纹，这表明轴向单缝偏心药柱具有良好的定向断裂能力。     

露采高边坡模型初始地应力场快速生成方法研究*

为防止露釆高边坡建模中初始地应力场畸变,采用子模型法和等效应力梯度边界面力法,用等效应力梯度边界面力替代简化部分水平构造应力,施加侧边界条件。以黄山石灰石矿山高边坡为工程实例,建立取至负地形的高边坡整体计算模型和简化子模型,计算对比整体大模型与简化子模型初始地应力场模拟结果。结果表明:整体大模型与简化子模型水平方向和竖直方向应力误差较小,证明此数值模型简化法可行;以工程边界作为简化子模型侧边界,节点和单元简化率约52%,可快速模拟初始地应力场,提高计算效率。研究结果为高边坡整体大模型初始地应力快速生成提供新思路。     

大空孔复式筒形直眼掏槽力学机制与数值模拟分析

为了解决矿山硬岩巷道爆破开挖存在炸药单耗高、炮眼利用率低和掘进深度短等问题，应用理论分析、数值模拟与现场实践相结合的方法，提出大空孔复式筒形直眼掏槽方式。根据静力学理论，简化掏槽区域岩体只受爆生气体的准静态膨胀作用，并在复式筒形直眼掏槽腔体成形力学机制的基础上，分析大空孔形式下空腔形成的物理力学过程；采用LS-DYNA软件建立数值模型，基于材料参数和状态方程，仿真分析大空孔复式筒形直眼掏槽槽腔有效应力的传播机理；依据巷道尺寸及爆破参数，进行大空孔复式筒形掏槽掘进现场试验。试验结果表明:炮眼利用率提高到89.0%，掘进深度达到2.8 m，炸药单耗降低到3.16 kg/m3，充分证明大空孔复式筒形直眼掏槽方式的可行性。     

同忻井田地应力测量与回采巷道稳定性研究

为保证同忻煤矿安全、高效开采,采用应力解除法对大同矿区同忻井田3-5#煤层的地应力场进行了测量,结合理论分析、数值模拟与现场监测,分析了在该类型应力场中不同巷道布置方向与巷道围岩稳定性之间的关系。测得同忻井田最大主应力为20.42 MPa,方位角为245.18°,确定了同忻井田地应力场属于σHv型。理论计算和数值模拟的结果表明,有利于回采巷道稳定性的布置方向为与最大水平主应力方向成30°,并采用巷道顶板离层监测仪对其进行了验证。     

煤层底板卸荷扰动断裂机制宏细观研究

基于断裂力学和重整化群理论,采用综合研究方法,从宏细观角度对开采扰动底板损伤岩层动态失稳机理进行了研究。结果表明,煤层回采后,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,最大主应力大小决定裂纹的起裂与扩展,裂纹的生长路径受控于最大主应力的方向。采场高支承压力引起岩层原始裂纹起裂,宏观上表现为底板岩层的预先剪切随机破坏;近场区域最大主应力场部分偏转,引起底板岩层中垂直应力显著降低、浅部水平应力急剧增加和斜向采空区方向产生高剪应力,迫使裂隙在原有扩展长度基础上进一步生长;工作面继续推进,采空区内底板岩层水平方向上压缩和竖向膨胀引起岩层拉破坏,当底板岩层损伤发展到临近损伤值时,极小范围的扰动被强烈放大,底板岩层由随机破坏转为"雪崩"式宏观断裂。     

基于细观层次的混凝土断裂过程及破坏机理的数值分析

笔者利用蒙特卡罗方法随机生成混凝土的骨料分布,以模拟混凝土的细观结构;利用非线性有限元方法从细观层次上对混凝土试件的断裂过程进行数值分析,采用3种不同骨料分布的混凝土试件分别研究了混凝土试件在单轴受拉和单轴受压时的破坏机理。研究结果表明:混凝土的断裂主要发生在骨料与砂浆的粘结面上;试件在单轴受拉时的裂纹沿垂直于最大拉应力的方向扩展;而试件在单轴受压时的裂纹沿平行于最大压应力的方向扩展;数值研究还发现:裂缝的扩展方式不是直线和连续的,而是弯曲的,还出现裂纹交错分叉以及所谓的裂缝面桥现象。     

基于细观层次的混凝士断裂过程及破坏机理的数值分析

笔者利用蒙特卡罗方法随机生成混凝土的骨料分布,以模拟混凝土的细观结构;利用非线性有限元方法从细观层次上对混凝土试件的断裂过程进行数值分析,采用3种不同骨料分布的混凝土试件分别研究了混凝土试件在单轴受拉和单轴受压时的破坏机理.研究结果表明:混凝土的断裂主要发生在骨料与砂浆的粘结面上;试件在单轴受拉时的裂纹沿垂直于最大拉应力的方向扩展;而试件在单轴受压时的裂纹沿平行于最大压应力的方向扩展;数值研究还发现:裂缝的扩展方式不是直线和连续的,而是弯曲的,还出现裂纹交错分叉以及所谓的裂缝面桥现象.     

基于侧压力差异性的深部巷道多场耦合规律分析

为综合分析某深部巷道在侧压力差异性下围岩能量场、应力场及位移场之间的影响特征，为后续施工提供理论指导，考虑4种侧压力系数(κ为0.6、0.9、1.2和1.5),采用三维建模软件Rhino进行基本网格建模，再映射至颗粒流离散元软件PFC^3D进行数值模拟分析。结果表明，1)κ的差异性使围岩应力场发生变化，应力场带动颗粒的运动状态改变，从而进一步影响系统能量场：当κ从0.6增至1.5时，动能增至原来的3.8倍，应变能增至原来的2.6倍；开挖完成后同水平κ下动能衰减至初始值的2%～23%,应变能则衰减至初始值的80%～90%。2)根据κ对围岩应力场影响程度的不同，将围岩分为浅、中、深3部分，其与开挖巷道的扰动区相对应，应力场变化呈现按照深部岩体、中部岩体、浅部岩体依次增大的现象；随着κ的增大，围岩应力场中主导应力改变，体现出拱腰应力变化幅度大于拱顶与拱底的现象，其最大绝对变化量为52%。3)位移场与应力场变化相对应，当κ的差异性导致应力场发生变化时，围岩主导应力状态将会不同，具体表现为随κ的增大，拱顶、拱底竖向最大位移减小及云图中水平扰动区范围增大。     

平顶山东部矿区地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

为了研究平顶山东部矿区地应力场特征,以及地应力对煤与瓦斯突出的影响,利用地应力实测资料,运用理论分析和数理统计计算相结合的方法,系统研究了东部矿区地应力的分布规律;并且进行了地应力区块划分,揭示了东部矿区地应力在突出中的作用。结果表明:1)东部矿区地应力场以水平构造应力为主,最大主应力方向为NEE-SWW向,最大水平主应力百米梯度为5.4 MPa左右,该区域内集聚了较高的水平构造应力,应力场类型为大地动力场;2)依据最大水平主应力随埋深增加而增大的应力梯度线,将东部矿区划分为应力升高区和应力梯度区;3)应力升高区由于地应力集中,提供了突出的动力,构造煤的发育则减少了突出阻力,造成了该区域频繁发生突出事故,突出的主导因素为地应力。     

穿层爆破中控制孔对裂隙扩展作用机理试验研究

为研究控制孔在穿层爆破中对裂隙扩展的作用机理，在实验室内进行穿层爆破相似模拟试验。研究表明:煤岩体试块上表面产生了贯穿炮孔和控制孔的裂隙，侧面生成了多条不规则的裂隙，试块内部出现了包括沿控制孔方向发展的多个断裂面；炮孔和控制孔连线上产生了较高拉应力，炮孔和控制孔连线方向上拉应变峰值是炮孔45°方向上的拉应变峰值的1.12倍；爆破产生的压缩应力波P和在控制孔处反射生成的反射横波Sr、反射纵波Pr在控制孔附近的煤岩体上产生应力叠加，造成煤岩体损伤，最终形成贯穿裂隙。穿层爆破中控制孔对爆生裂隙的扩展起到导向作用，但由于穿层爆破中煤岩交界面的存在，使得应力波出现复杂的反射、透射、叠加效应，造成煤层内裂隙无序发育，工程现场应予以重视。     

基于爆破损伤的强制放顶爆破参数设计与应用

通过总结综采工作面坚硬顶板深孔爆破强制放顶成功案例,得出以爆破裂隙区半径为强制放顶爆破参数设计的不合理性,提出以爆破损伤范围为依据进行爆破参数计算。研究以国投新集二矿210108工作面为依托,通过爆破振动监测,回归得到综采面深孔爆破振动速度传播衰减规律,由此导出炮孔周围岩体内的质点振动峰值速度衰减规律。计算结果表明,炮孔直径75mm、装药直径63mm的深孔爆破可以在周围岩体中形成半径为7.631m重度损伤区,解释了炮孔间距大于10m仍能有着良好爆破效果的原因;设计最大孔底间距15.2m的爆破参数,并成功进行了现场应用,验证了计算方法的可靠性,为类似工程爆破参数设计提供了一个新方法。     

节理充填岩体爆炸应力波传播规律模型试验与应用研究

为研究节理厚度对爆炸应力波传播影响规律，以工程现场揭露的红黏土为充填介质，制作含节理爆破模型，开展不同厚度节理爆破模型试验，并对现场试验爆破参数进行优化。研究结果表明:节理充填介质延长了爆炸应力波传播时间并吸收了部分应力波，应力波衰减速率为2.225~4.188 MPa/mm，滞后时间0.1~0.15 μs/mm；节理对不同方向的应力波吸收程度不同，横向应力的衰减速率大于纵向应力的衰减速率，二者均随节理厚度的增加呈线性衰减。爆破参数优化应控制炮孔至节理面的距离、减小装药量，周边孔宜采用空气间隔分段装药。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

饱水作用对锁固型岩体变形特性影响研究*

为了研究饱水作用对锁固型岩体力学性质和变形特性的影响,对干燥与饱水状态下的岩体进行单轴压缩试验,利用数字图像相关方法对岩体加载过程进行非接触式实时变形监测。研究结果表明:饱水作用弱化了岩体的单轴抗压强度和弹性模量;应变场演化特征表明饱水作用增大试件的变形量,但未改变试件的裂纹扩展路径和最终破坏模式;岩桥锁固段剪切裂纹起裂和峰值应力时伴随着应变场分异速率突增,可作为锁固型岩体滑动和失稳破坏的前兆信号,饱水作用对应变场分异速率峰值有削弱作用;通过计算预制裂隙两侧的错动位移,定量揭示岩体失稳过程中岩桥的“锁固效应”。研究结果可为涉水环境下锁固型岩体的稳定性问题和灾变监测提供参考。     

爆破和降雨作用下诱发含后缘裂缝岩质边坡失稳机制研究

为了探讨爆破和降雨对边坡失稳的影响,基于边坡实际结构,提出了将滑面分为后缘张拉裂缝段、中部锁固段、下部剪切滑动段。利用断裂力学理论,分析了爆破和降雨双重工况下的裂缝起裂扩展判据。基于格里菲斯（Griffith）能量准则,推导了边坡滑动块断裂后沿底滑面的剧动距离。通过实例验证了理论计算的可行性和适用性,研究结果表明:边坡表面裂缝起裂的根本动力为降雨、爆破以及二者的共同作用;在一定外力条件下,裂缝起裂扩展存在最小临界深度;降雨和爆破共同作用时,裂缝扩展临界深度最小;中部锁固段长度为控制边坡失稳的关键因素;降雨并不能使裂缝扩展,预知裂缝深度时,可通过控制爆破药量来控制边坡失稳。     

松软煤层多孔爆破的裂纹分布及区域电阻率响应实验研究*

为获得松软煤层多孔爆破的裂纹分布及区域电阻率响应特征，利用岩体和煤体的三层物理模型，开展松软煤层多孔模型爆破实验，借助图像处理与电阻率层析成像技术，分析松软煤层多孔爆破的裂纹分布特征，得出爆破前后电阻率的响应规律。结果表明:在爆生裂隙形成的同时，控制孔内侧煤体呈现出断裂式和非断裂式2种位移现象，部分抵消了爆破孔扩腔带来的挤压作用；提出采用爆生裂隙、控制孔及爆破孔面积变化三者的综合值（S）分析爆破效果，单孔爆破时，S＜0，煤层裂隙分形维数变化率仅5%，控制区域呈现压实现象，电阻率降低约20%；多孔爆破时，爆生裂隙丰富、煤体发生充分位移，裂隙分形维数变化率达到21.28%，爆破孔空腔的负效应被抵消（S＞0），控制区域内电阻率普遍增大1~30倍；与单孔爆破模型相比，多孔爆破更符合煤矿现场，且能有效实现控制区域内的增透，电阻率普遍呈现增大现象。