岩石单轴压缩片状爆裂弹射实验研究.pdf

国家优秀青年科学基金项目（51522406）资助 国家重点研发计划课题（2017YFC0603001）资助 国家自然科学基金项目（51704285）资助 硕士学位论文 岩石单轴压缩片状爆裂弹射实验研究 Experimental Investigation on the Characteristics of Burst Ejection under Uniaxial Compressive Stress 作 者阿卜杜拉 Qureshi, Abdullah Rasheed 导 师黄炳香 教授 中国矿业大学 二〇一八年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的 学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文 的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可 以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学 校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园 网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生 学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书）。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 中图分类号 TD8 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 国家优秀青年科学基金项目（51522406）资助 国家重点研发计划课题（2017YFC0603001）资助 国家自然科学基金项目（51704285）资助 中国矿业大学 硕士学位论文 岩石单轴压缩片状爆裂弹射实验研究 Experimental Investigation on the Characteristics of Burst Ejection under Uniaxial Compressive Stress 作 者 阿卜杜拉 导 师 黄炳香 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 岩体力学与岩层控制 答辩委员会主席 万志军 评 阅 人 二○一八年五月 万方数据 Acknowledgement I would like to express my heartfelt thanks to the supervisor of this research study Prof. Dr. Huang Bingxiang, School of Mines, under whose able guidance this study has been completed. I am extremely grateful for his inspiring guidance and kind sympathetic attitude. Indeed, I am thankful to all the research group members of Prof. Huang’s team for their untiring cooperation. I am also very thankful to CUMT authorities, who provided me better study environment to complete my program of studies. 万方数据 I 摘摘 要要 岩爆是矿井和隧道的主要灾害事故，因此需要研究岩爆的发生机制，来预防这种 灾害的发生。本文采用实验研究的方法来研究不同岩性单轴压缩条件下片状爆裂弹射 特征，并分析其发生机制。 “岩爆”是一种岩体中聚积的弹性变形势能在一定条件下的突然猛烈释放，导致 岩石爆裂并弹射出来的现象。大多数情况下，这种灾害伴随着声响。这一过程常发生 在深部岩体工程中。这些工程关乎国民经济的发展和基础设施的建造。因此，有必要 掌握岩爆的发生机理，以避免发生人员伤亡和节省工程的成本。 1898，第一次岩爆事件记录在印度的 KOLE褶皱场中。到 1903 年底为止，已经发 生了七十五次岩爆，造成了严重的人员死亡和设备损害。如此多的岩爆事故的原因是 矿柱上的巨大压力。十九世纪初，南非金矿也发生了岩爆事故。在南非，岩爆事件的 发生频率要大得多，因此许多研究者将其研究集中在该地区，以识别和理解岩爆的发 生机制。据报道，1975 年，南非共有 31座金矿发生了 680起岩爆事故，造成了大量人 员伤亡和经济损失。 此外，在隧道中也有岩爆事件发生，发生过岩爆的隧道包括Alpes 深为 2200 米 的 Simon水工隧洞，日本的 Shimizu隧道（深度范围1000 米至 1300 米），Keestu 隧 道（深度730 米到 1050 米）。由于各向异性应力，陡峭山谷下方的剥落大多数与岩 爆有关。例如，在 24.5 公里长的拉尔达尔隧道施工中，多次观察到中等强度的板岩和 剥落，并记录了几起岩爆事件。 1933 年，第一次冲击矿压发生在中国抚顺胜利煤矿。根据现有的数据，从 1949 年到 1997 年，超过 2000 起的岩爆事故发生在中国的 33 座矿山中。从 2001 年到 2007， 在中国的深部金属矿山中，超过 13000 起的岩爆事故已被记录，伤亡人数至少有 16000 人。在锦屏 II级水电项目建设过程中，四个高压隧道发生了多起岩爆事故。 近三十年来，研究人员一直在关注几个有岩爆危险发生的工程，包括天生桥引水 隧洞、Taipingyi 水电站、Ertan 水电站、西康铁路秦岭隧道、四川二郎隧道、西藏高速 公路和锦屏二级水电站沿雅砻江的引水隧洞。近年来，为了解决冲击地压的难题，相 关研究人员和专家对此做出了一定的贡献。然而，由于这是一个复杂过程，因此还需 要进一步地研究。目前，岩爆机理和预测有关的研究大多与岩体的力学性质和行为有 关，还需要进一步研究能量、断裂力学、突变理论与数值分析。 本研究目的是研究和识别煤岩体在单轴抗压强度下的爆裂弹射机理。另外，弹出 的速度也是预测爆裂弹射破坏所必需的。冲击地压的发生机理需要计算出可能对矿山 工人造成的伤害，如由矿山机械（轻微损坏或落下）或矿井的支护系统，（坠落的锚 杆和网状物）造成的伤害。 万方数据 II 遗憾的是，目前尚无直接预测岩爆方法。在深部工程中，研究人员往往依赖于岩 体的力学性质、开挖尺寸和周围地震活动等。在采矿过程中，开采接近构造应力区， 如褶皱、断层、残留的支柱等，发生岩爆机会较多。根据以往的研究成果，岩爆一般 分为应变破裂型、滑移破裂型及其组合模式。然而，这些研究并没有解决岩爆机制。 因此，本课题的研究重点是解决岩石爆裂弹射机理。 在进行研究过程中，一些少量的因素是非常重要的。这些重要的因素可以节省大 量的时间和资源。 一个因素是问题的识别，识别问题和研究者进行研究的原因是非常重要的。另 一个因素是可用的资源；有必要列出所有可能的资源，进行良好的研究这是非常必 要的。它包括现场数据（地质、力学等）的可用性、实验室设备（这些设备是样品制 备和进行实验所必需的）的可用性。 本次实验所用到的实验仪器如下 （1）电液伺服万能试验机 采用电液伺服万能试验机对制备的岩心样品进行单轴抗压强度测定。该机具有 1000 kN 的负载能力，位移分辨率可达 0.2μm。数据采集频率可达 1000 Hz，加载速率 为 0.5 MPa/s。为了保证在试样的整个接触面上施加均匀的应力，必须将试样置于中心 并平行于机器的支承板。此外，为了减少“端部效应”，润滑油被施加在样品的端面 上。润滑的目的是减少试样端面与机器轴承板之间的摩擦。 单轴抗压强度可以被描述为通过压缩所制备的试样，记录岩石破坏时的载荷。 它是试样上的最大载荷与试样的横截面积之比。横截面面积可以通过试样尺寸来计算。 （2）声发射仪 当材料中局域源快速释放能量产生瞬态弹性波时，可以记录到声发射事件。基本 事件与滑移面积、位错和应力降有关。通常观察到两种类型的声发射波形，一种具有 快速衰减的振幅，另一种没有明显的振幅衰减。快速衰减的声发射事件通常包括上升 时间、峰值幅度、到达时间、事件持续时间、检测阈值、能量和能量速率。声发射速 率指示微破裂强度，并已被用于识别岩石中的损伤。在所有事件中释放的总能量称为 声发射累积能量。在声发射技术的帮助下，在整个实验过程中可以观察到岩石的损伤 过程，而且监测所需的时间和成本也较短。这项技术具有广泛的工程应用，如与其他 方法集成的组合监测系统可以帮助评估结构的安全性。 在试样安装了两个声发射传感器。声发射探头类型为 R.45，前置放大器类型为 BP－SIS。采样频率为 5 MHz，电磁辐射阈值为 20 dB，声发射探头阈值为 39 dB，预 增益（前置放大器增益）设置为 60dB，声发射探头（滤波器低）高通量设置为 1 kHz， 低通设置为 400 kHz。 （3）红外摄像仪 万方数据 III 红外相机的帧速率为 100／s，帧尺寸为 640480，室温为 22℃，与测试块的距离 为 1.6 米。红外热监测系统可以测量样品的表面温度。红外热监测系统可以用来监测 温度的变化。该监测系统还可以得到温度大小来研究样品的温度变化特性，从而来了 解岩爆发生的机制。该红外系统已被用来作为非接触和非破坏性的技术来研究样品内 部的裂纹。红外系统和图像处理方法被用于岩体力学和结构行为的可视化。 （4）高速摄影机 高速摄影机的帧速率为 100／s，帧速为 640480。距煤样的距离为 1 米。高速摄 影机可以用来记录岩爆过程中弹射出的岩石碎片，是一个很有用的工具。利用高速摄 像机拍摄的照片记录了裂纹萌生、扩展和合并的过程。换言之，高速摄影机记录了岩 爆的整个过程。 （5）静态电阻应变仪 在岩爆过程中，采用动态应变放大器和数据采集仪器来记录力和位移变化。该系 统由传感器、放大器、计算机和处理软件组成。数据采集速度可达 100 kPs。系统中使 用的传感器就像小型电子芯片。在每个样品上粘贴四个应变片，粘贴两个垂直和两个 水平应变。这些应变片通过导线连接到放大器。 实验样品取自朔州市平鲁区茂华下梨园煤业有限公司。矿床位于山西北部。在实 验室中制备了煤、砂岩和青石三种煤岩体试样，试样直径为 50 mm，高度为 100 mm。 通过实验得到了单轴压缩下煤岩体片状爆裂弹射的基本规律。 （1）煤样 煤样 2应力曲线图显示应力为 2.4 MPa和 2.7 MPa处应力下降，并且在 5.7 MPa 时完全破裂，这些应力下降处的声发射高度活跃。除此之外，红外热像仪可以监控到 试样内部温度的变化。在室温下，IR 显示煤样的温度为 22 C，试样破坏后升至 22.21 C。 煤样 3施加载荷的初始阶段 AE计数出现峰值，第二个峰值出现在试样破坏之前。 在最大应力点之前的应力曲线中有四次应力降，之后出现一个应力降。这些应力降分 别发生在 0.24 MPa，2.0 MPa，3.6 MPa，5.2 MPa和 7.5 MPa。煤样在室温下的初始温 度记录为 22.05 C，最高可达 22.47 C。 （2）砂岩 砂岩样品 1应力曲线图表明，试块受到的峰值应力为 43 MPa，然后在应力曲线 中出现最大的应力降。最后，在砂岩样品完全失效之前，又发生了三次应力下降。砂 岩破坏之前，AE 计数较少，破坏之后 AE 计数高度活跃，由于破坏后储存在砂岩中的 弹性能量突然释放。温度曲线一直在变化。它随着载荷的增加而增加，并在最大应力 点之后立即下降。岩芯样品的初始温度和最终温度分别为 22.52 C 和 22.65 C。 砂岩样品 2砂岩破坏之前，应力曲线几乎是一条线性曲线，只是在最大应力水 万方数据 IV 平之前，岩芯样品表面出现应力降，并出现裂纹。应力曲线达到最大应力后立即下降， 这表明试样样品完全失效。弹性变形时，AE 计数较少，破坏时 AE 计数较为活跃。温 度曲线一直连续变化。载荷最大时，温度达到最大值。在室温下，岩芯样品的初始温 度记录为 22.41 C，实验中最高可达 22.52 C。 砂岩样品 3砂岩破坏之前，应力曲线是一个线性曲线，直到最大应力 57 MPa， 然后观察到应力突然下降，岩芯完全破坏。在施加的初始载荷水平下，通过 AE 计数 观察到弹性变形。温度曲线表现与其他砂岩样品不同，试样刚开始时，温度曲线很高， 随后温度较低。 （3）石灰岩 石灰岩样品 1石灰岩加载时的最大应力为 50 MPa，然后观察到岩芯样品表面出 现突然的应力下降并发生破坏。初始载荷作用下，AE 计数较为活跃之后，AE 计数较 小。红外摄像仪显示最低温度为 21.98 C，最高温度可达 22.11 C。 石灰岩样品 2石灰岩破坏之前，应力曲线是一个线性曲线，直到最大应力 50 MPa，然后应力突然下降，岩芯完全破坏。最低最高温度分别为 22.28 C 和 22.43 C。 石灰岩样品 3石灰岩破坏之前，应力曲线是一个线性曲线，直到最大应力 24 MPa，然后应力突然下降，岩芯完全破坏。红外摄像仪显示温度的范围分别在 22.67 C 到 22.79 C 之间。 岩爆同时伴随着岩石的爆裂弹射。弹射出的岩石碎块对工人来说，是非常危险的。 破坏强度取决于岩石碎块的大小和速度。岩爆发生时岩石爆裂弹射的速度公式为 2 2 cossin2 e g Vd hd   根据上式，分别计算出所有煤岩试样弹射速度。据计算，速度与岩屑覆盖的距离 和喷射角度成正比。其中砂岩试样 3 的弹射速度最大，石灰岩试样 3 的弹射速度最小。 高速摄像机被用来观测弹射过程。砂岩样品的压缩过程中伴有声响，而煤和石灰 岩则没有声音。在单轴压缩试验过程中，大量的砂岩碎屑从岩芯样品表面喷出并落下 一段距离，而石灰岩样品中只有很少的碎屑弹射出来，煤样也有大量的煤屑弹射出来。 石灰岩样品与剪切破坏类似，而砂岩和煤样则为爆裂弹射。高速摄像机记录了煤岩体 爆裂弹射的全过程。 AE 计数用来分析单轴压缩下煤岩体的破坏。对于煤样，煤样 2 的最大 AE 计数率 为 22,000；对于砂岩样品，砂岩样品 1 的最大 AE 计数率为 30,000，青石样品的最大 AE 计数率 29,000。如果最大 AE 计数率被认为是岩石样品中最大断裂强度的标度，那 么砂岩样品具有最大的断裂强度。大多数情况下，AE 计数率的行为发生煤岩体破裂时， 即加载初期声发射计数较小，破坏前后较大。然而，青石样品 1和 2的两个样品的 AE 计数不是这样的规律。 万方数据 V 在单轴压缩实验中，不同岩石类型的样品呈现出不同的失效模式。砂岩和石灰岩 岩芯样本的基本破坏模式是以长板形式破坏，而只有少数弹射板与岩芯样本高度相同。 煤样的破坏形式则以锥形形式破坏。 关键词关键词岩爆；弹射速度；爆裂；机制；碎片 万方数据 VI Abstract Since the uation of the deep underground excavations the rockburst became one of the major hazards. This hazard may lead to fatal and costly incidents to the mining industry. Maohua Xialiyuan coal industry limited company gave the opportunity to study the rockburst prone rock types present in the vicinity of the mine. In China, the depth of underground mining and tunneling has exceeded at greater extent which produces the higher frequency of rockburst occurrence. There are many rockburst incidents reported in different underground excavation projects and the consequences are fatal and costly. Therefore, the researchers and professionals are striving hard to overcome this deadly hazard. Three different rock types were selected to investigate the rockburst characteristics under the uniaxial compressive stress. The rockburst properties of each rock type were determined based on the monitoring system which includes, High Speed Camera, Acoustic Emission Count Rate, Stress – Strain Curves, Infrared Thermograph and Static Resistance Strain Gauge. The results show that each rock type behaved differently under the loading condition as well as the bursting properties of each rock differs from other type of rocks, because of the different composition, granular characteristics and nature of rock type. Additionally, the velocity of the ejected pieces from the surface of the core samples was determined in order to estimate the potential threat may cause by the ejected pieces with higher velocities. Initially, there were three core samples prepared in laboratory for each rock type. In other words, there were nine samples in total for experimental investigation. The coal sample 1 under the UCS data was lost because of the machine error, so the analysis is done on two coal samples only. However, the sandstone and limestone each have three core samples for experiment based analysis. Based on fracture mechanics, the failure of the rock samples and ejection of pieces was distributed in three stages, like crack initiation, propagation and coalescence of the cracks. The crack initiation is initial stage of developing potential failure plane; the propagation is intermediate stage of developing wing cracks, an independent or a combination of shear and tensile cracks; the final stage is coalescence in which all cracks connect with each other and ing a separate piece to be separated from the parent core sample. Among all the core samples, the coal samples found to have more shearing failure mode and both samples failed at very low stress loading value as compare to the other type of rocks samples. Further, the limestone and sandstone samples failed in slabing or spalling, buckling and toppling manner because of high stress values. 万方数据 VII The ejection of pieces from core sample was/were monitored closely to determine the velocity of ejection. The coal samples and sandstone samples demonstrated considerable ejection of few small and large pieces with certain velocities. However, the limestone samples failed to produce ejected pieces except only one core sample which was ejected with minimum velocity and covered least distance. This research study is an initial examination of the rockburst prone rock type present in the vicinity of the Maohua Xialiyuan coal industry limited company. However, the findings are limited because of the small number of samples, but it confirms the possibilities of the rockburst prone characteristics of the rock types selected for the experiments. Keywords rockburst; ejected velocity; burst; mechanism; debris 万方数据 VIII Contents 摘摘 要要...........I AbstractVIII Table of Contents...IX List of Figures...XII List of Tables...XIV 1 Introduction... .................................................................................................................... 1 1.1 Background .......................................................................................................................... 1 1.2 Research Motivation and Approach .................................................................................... 2 1.3 Outline of Thesis .................................................................................................................. 3 2 Literature Review.. ............................................................................................................... 4 2.1 Introduction .......................................................................................................................... 4 2.2 Defining Rockbursts ............................................................................................................ 4 2.3 Mining Impacts .................................................................................................................... 6 2.4 Burst Triggering Mechanisms ............................................................................................. 7 3 Research and Materials ................................................................................... 11 3.1 Research ology ...................................................................................................... 11 3.2 Selection and Transportation of Samples .......................................................................... 14 3.3 Preparation of Samples ...................................................................................................... 15 4 Results and Discussion........................................................................................................ 17 4.1 Experiment Arrangement ................................................................................................... 17 4.2 Experiment Results ............................................................................................................ 18 4.3 Burst Ejection Velocity ...................................................................................................... 51 4.4 Failure Processes ................................................................................................................ 53 4.5 AE Count Rates ................................................................................................................. 53 4.6 Failure Modes .................................................................................................................... 54 5. Conclusion and Suggestions .............................................................................................. 56 5.1 Conclusion ......................................................................................................................... 56 5.2 Future Research ................................................................................................................. 56 References.. ................................................................................................................. 58 Author Resume.. ................................................................................................................ 65 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ............................................................................................................. 66 学位论文数据集学位论文数据集 .................................................................................................................... 67 万方数据 IX List of Figures S. No. Name of the Figure Page No. 1 Fig. 2.1 Rockburst evolution model 4 2 Fig. 2.2 Rockburst classification based on laboratory experiments s 6 3 Fig. 2.3 Influencing factors and possible consequences of rockburst. 7 4 Fig. 3.1 A typical example of AE parameters and application 12 5 Fig. 3.2 AE monitoring system 13 6 Fig. 3.3 Core samples prepared in laboratory 15 7 Fig. 3.4 Core drilling machine 15 8 Fig. 3.5 Cutting the edges of core samples 16 9 Fig. 3.6 Grinding the both faces of core samples 16 10 Fig. 4.1 The experimental arrangement in the laboratory 17 11 Fig. 4.2 Stress – strain correlation of coal sample 2 19 12 Fig. 4.3 Stress – strain correlation coal sample 3 19 13 Fig. 4.4 Stress – strain correlation all coal samples 20 14 Fig. 4.5 Correlation between stress-AE counts- AE energy rate and time of coal sample 2 21 15 Fig. 4.6 Correlatio