岩石在静应力状态下的循环冲击实验及损伤特性研究.pdf

中图分类号 U D C 硕士学位论文 学校代码 密级 1 0 5 3 3 岩石在静应力状态下的循环冲击实验及损伤特性研究 C y c l i c a lD y n a m i cE x p e r i m e n t so f R o c kU n d e rS t a t i cS t r e s s a n dt h eS t u d yo fD a m a g eP r o p e r t i e s 作者姓名刘涛 学科专业矿业工程 研究方向岩石力学 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师唐礼忠 副指导教师 论文答辩日期挚1 3 至丛 答辩委员会主席 中南大学 2 0 13 年0 5 月 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名单日期崞年堕月笪日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名趋牟避丸导师签名触日期4 年4 月正日 中南大学硕士学位论文 摘要 岩石在静应力状态下的循环冲击实验及损伤特性研究 摘要本文主要以改进的S H P B 试验系统为平台，以大理岩、矽卡 岩、砂岩和蛇纹岩为研究对象，开展在静应力状态下的循环冲击试验， 研究不同加载条件下岩石的动态力学特性，并建立动态统计损伤本构 模型，分析了岩石的损伤演化规律。通过本文的研究，为深入了解岩 石在冲击载荷作用下的力学特性和破坏机理以及工程岩体的长期稳 定性评价提供一定的理论与技术支持。全文主要内容和结论性成果如 下 1 开展不同静应力条件下的岩石循环荷载冲击试验，并对实验 数据进行分析比较，结果表明试样破坏前的应力应变曲线的初始弹 模基本相同，随着冲击载荷循环次数的增加，弹性模量呈下降趋势， 岩石试样最大累积应变增加，应力波峰值呈降低趋势；随着轴向静应 力的增加，岩石冲击次数减少。 2 分析了四种岩石试样在循环冲击作用下的破坏模式，结果表 明岩石试样的破坏模式与岩石的结构特征有明显的关系；随着静应 力的增加，岩石试样内部损伤加剧，破碎程度加剧。 3 建立了基于W ．e i b u l l 分布的统计损伤本构模型，通过理论分 析及推导，确定了模型参数的计算方法。将实验数据代入损伤本构模 型分析发现损伤变量D 随着应变的增加而增大，在应力一应变曲 线的峰值强度处，损伤变化有一个明显的拐点；最大损伤实际反映的 是材料在载荷作用下的应变能力，其值与最大应变有关；岩石的累积 损伤与内部结构有密切关系，累积损伤曲线表现为上凸型。 图5 7 张，表5 张，参考文献7 6 篇。 关键词岩石力学；S H P B ；循环冲击；本构模型；损伤力学 分类号 中南大学硕士学位论文 A B S T R C T C y c l i c a lD y n a m i cE x p e r i m e n t so fR o c kU n d e rS t a t i cS 仃e s sa n d t h eS t u d yo fD a m a g eP r o p e r t i e s A BS T R A C T T op r o v i d et h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o rt h e u n d e r s t a n d i n go fr o c km e c h a n i c a lp r o p e r t i e su n d e rd y n a m i cl o a d sa n d t h e l o n g - t e r ms t a b i l i t ye v a l u a t i o no fe n g i n e e r i n gr o c km a s s ，i nt h i sp a p e rt h e d y n a m i ce x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u tw i t hs i n g l e p a s sa n dc y c l i c a l i m p a c tl o a d sb yu s i n ga ni n n o v a t i v et e s t i n gs y s t e m ．1 1 1 ed y n a m i c m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c ku n d e rd i f f e r e n t1 0 a d sw e r es t u d i e d ．A s t a t i s t i c a ld a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e lf o rt h er o c ku n d e rd y n a m i c1 0 a d s w a sd e v e l o p e d ．n l ee v o l u t i o nl a wo ft h ed a m a g ed e g r e eo fs p e c i m e n s w e r ea n a l y z e dw i t ht h es t r e s s ．s t r a i nc u r v e s ．T h em a i nc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o na r ea sf o l l o w s 1 1 1 1 ed y n a m i ce x p e r i m e n t su n d e rd i f f e r e n tc y c l i c a li m p a c tl o a d s w e r ec a r r i e do u t ．A n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eo r i g i n a l Y o u n g ’Sm o d u l u so ft h es t r e s s - s t r a i nc u r v e sa r ee q u a l ．A l o n gw i t ht h e i n c r e a s eo fc i r c u l a ra c t i o nt i m e so fi m p a c t s ，t h em o d u l u so fd e f o r m a t i o n d e c r e a s e s ，t h ea c c u m u l a t i o ns t r a i ni n c r e a s ea n dt h ey i e l ds t r e s ss h o w s d e c r e a s i n g t r e n d ．1 1 1 e i m p a c ts t r e n g t h o fr o c k s p e c i m e n si n c r e a s e s b e c a u s eo ft h ea x i a ls t a t i c1 0 a d s ． 2 T h ef a i l u r em o d e lo ft h ef o u rr o c ks a m p l e su n d e rc y c l i c a l l o a d s w e r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t ss h o wt h a t t h ef a i l u r em o d eo ft h er o c k s a m p l e sw a ss i g n i f i c a n t l yr e l a t e dt ot h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h e r o c k ．W 池t h ei n c r e a s eo ft h es t a t i cs t r e s s ，r o c ks a m p l e si n t e r n a ld a m a g e s w e r ei n t e n s i f i e d ． 3 T h es t a t i s t i c a ld a m a g ec o n s t i t u t i v em o d e lf o rr o c kw a s e s t a b l i s h e dw h i c hW a sb a s e do n 腑i b u l lr a n d o md i s t r i b u t i o n 。T h eW a yo f c a l c u l a t i n gt h em o d e lp a r a m e t e r sw a sd e t e r m i n e d ．T h em o d e lc u r v e sa r e i na c c o r dw i t ht h ea c t u a lc u r v e s ，w h i c hs h o w st h er a t i o n a l i t yo ft h em o d e l ． I t i sf o u n dt h a tt h ed a m a g ed e g r e ei n c r e a s e sa l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n g s t r a i n ．A tt h ep e a ko ft h es t r e s s s t r a i nc u r v e ，t h ed a m a g ed e g r e eh a sa n o b v i o u si n f l e c t i o np o i n t ．T h em a x i m u mo ft h ed a m a g ed e g r e ea c t u a l l y s h o w st h ed e f o r m a t i o nc a p a c i t yo ft h es p e c i f i cm a t e r i a lu n d e rt h e d i f f e r e n t1 0 a d s ．w h i c hi Sc o n c e r n e dw i t ht h em a x i m u mo ft h es t r a i n ． K e yw o r d s R o c kM e c h a n i c s ，S H P B ，C y c l i c a lI m p a c t ，C o n s t i t u t i v e I I 中南大学硕士学位论文A B S l R C T m o d e l ，D a m a g eM e c h a n i c s C l a s s i f i c a t i o n I I I 中南大学硕士学位论文 目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Ⅳ 1 绪{ 仑⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 选题由来、研究目的及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国内外深部开采工程及研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 深部岩石力学研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 岩石在循环荷载作用下的力学特性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．3 文章主要研究内容与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2S H P B 冲击实验系统及原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 ．2 分离式S H P B 实验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 岩石类材料的S H P B 实验技术及设备研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．1 岩石类S H P B 实验技术研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 ．2 三轴S H P B 冲击实验仪器研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 岩石S H P B 冲击实验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．4 ．1 一维应力波理论在动静组合加载下的适用性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．4 ．2 实现恒应变率下的动力加载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 2 ．4 ．3 试样长度的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 岩石在循环冲击荷载作用下的力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 3 ．1 背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 实验准备工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 ．1 取样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 I V 中南大学硕士学位论文目录 3 ．2 ．2 试样加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．2 ．3 实验设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 5 3 ．3 单轴压缩变形岩石力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．3 ．1 实验过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．3 ．2 单轴压缩下的岩石变形特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．3 ．3 单轴抗压强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 3 ．4 岩石在循环冲击荷载下的力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 ．1 实验方案设计及步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．4 ．2 不同轴压下的等幅循环冲击实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 3 ．5 不同预应力循环冲击作用下的应力．应变曲线特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 3 ．6 循环冲击扰动作用下岩石的破坏模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 4 岩石在循环冲击作用下的损伤特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．2 损伤力学基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．2 ．1 损伤变量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 4 ．2 ．2 基本假定⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．3 基于统计学的冲击损伤本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．3 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．3 ．2 基本假设⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 4 ．3 ．3 损伤变量及其表示式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．3 ．4 单元体强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 4 ．3 ．5 单元体损伤本构关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 4 ．4 岩石在循环扰动作用下的损伤累计演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．4 ．1 损伤变量与应变的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 4 ．4 ．2 累计损伤演化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8 5 全文总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 9 5 ．1 全文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．2 全文展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 V 中南大学硕士学位论文目录 攻读硕士学位期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 V I 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 选题由来、研究目的及意义 本项目来源于铜陵有色金属 集团 公司科研项目多盘区多采场大规模高 应力动力扰动复杂条件下采区岩层破坏机理及其控制技术研究，下面就对文章 研究的主要内容及目的和意义做简要介绍。 我国是一个资源大国，也是一个资源消耗大国，近年来，越来越多的矿山进 入了深部开采，进入深部，岩体由于自重应力、构造应力等高静力作用下，还受 到采场爆破、机械振动等动力作用，岩石是处于复杂的动静组合作用下，其变形 和力学特性都与浅部岩石不同，频繁的采矿的活动，造成岩石内部应力场随着采 矿活动的变化而变化，也可将其看成一种动力作用，在这种复杂的应力状态下， 岩石的应力状态可以概括为“高应力 动力扰动”，在实际的开采过程中，岩爆、 冒顶、岩层大面积坍塌等现象发生频率增加，对矿体的安全开采造成了极大的影 响【1 1 。 在深部高应力条件下，频繁的采矿活动必然会造成巷道围岩压力增大，产生 应力集中，造成岩爆、冒顶、两帮垮塌等灾害的发生频率增大，造成岩体破坏加 重，支护困难或是重复支护次数增大，由于开采深度较深，排水、矿岩提升、通 风等成本急剧增加，在这种条件下，深部开采必然趋向于大规模开采，以节约成 本，增加资源回收效率。矿山开采系统是一个开放式的庞大的系统【2 ，3 。，是有岩 体、众多复杂的岩体工程结构、采矿活动、工程地质条件等部分组成，其内部的 各部分相互作用和相互依赖，开挖、充填等采矿活动交替进行，在此期间，还有 不同规模大小的爆破活动，这些采矿活动都会对岩体的结构的稳定性产生影响， 岩层内部应力的变化加快，岩石脆性增加。这与浅部的开采完全不同，高应力条 件下的矿床开采需要重点进行多复杂应力条件下的的岩石动力学理论研究，其 次，研究和实践新的采矿工艺、地压控制手段、控制理论等综合采矿工艺和技术， 对实现深部矿产资源安全、高效率和经济开采尤为关键。 国内深部矿床开采技术研究起步虽然较晚，但也取得了很多突破性的成果。 特别是对于深部矿床的采矿工艺、地压微震实时监测、岩层控制、深部开采装备、 数字化矿山等进行了大量的工作。在深部岩石力学理论方面也进行了大量的研究 和实验，取得了大量的成果。从现阶段的研究成果来看，大部分的研究还主要集 中在采矿工艺、采矿方法设计等，但在深部复杂地质环境下，浅部岩石的力学特 中南大学硕士学位论文 1 绪论 性及支护技术手段已不再适用与多场耦合复杂条件下的采矿设计，如果依然按照 传统的岩石力学理论和支护手段进行分析和设计，必然会造成支护失效岩体失 稳，造成安全事故威胁作业人员安全【4 - 6 】。 因此，深入研究岩石在高应力、和深部大规模频繁爆破等采矿活动的扰动作 用下的破坏机理、支护理论、转换条件等对揭示深部灾害、围岩失稳诱发机理及 破坏成灾过程有着非常重要的意义【1 1 。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 国内外深部开采工程及研究现状 国内的深部矿体开采综合技术研究起步较晚，一些大学院校和研究单位在 上个世纪8 0 年代对深部矿体的开采技术做了探索性的研究。九五”期间，中国 矿业大学关于煤岩深部开采灾害防治技术展开了系统研究，中南大学联合铜陵有 色金属集团公司下属的冬瓜山铜矿开展了“千米深井3 0 0 万t 级强化开采综合技 术研究’’和“复杂难采深部铜矿床安全高效开采关键技术”，就深井大规模开采 采矿方法、采矿工艺、深部围岩应力分布状态以变化规律、深井巷道的掘金支护 技术、数字化矿山关键技术、岩爆监测系统的建立、岩爆灾害防治与预测、高浓 度全尾砂充填工艺、深井开采降温节能控制技术等关键技术进行了研究，为我国 的深井开采做了大量的探索性的研究。随着国民经济的发展，近年来，我国进入 深部开采的矿山已超百余座，铜陵有色的冬瓜山铜矿已建成超千米的深井开采， 云南红透山铜矿的也进入了9 0 0 米以下的开采深度，湖南湘西金矿开采开拓深度 超过8 5 0 米，甘肃金川镍矿二矿区的开采深度也超过了8 5 0 米，还有凡口铅锌矿、 皮夹沟铜矿、弓长岭铁矿等也进入了深部开采，从现有的开采规模和金属需求量 来看，预计在未来的2 0 年，我国将有大部分的金属矿山进入深部开采，开采深 度将达到1 0 0 0 米以下，随着浅部资源的不断消耗，国内深部资源的开采和利用 已迫在眉睫。 国外矿山进入深部开采相对国内要早很多。早在上个世纪末期，据不完全统 计，国外进入1 0 0 0 米以下深度开采的矿山已超过1 0 0 多座。尤其在南非、印度、 俄罗斯等矿山开采水平较高的国家。无论从开采深度和数量上都远远高于国内。 A n g l o g o l d 公司下属的西部深井金矿，开采的深度已达4 0 0 0m ，南非的安格鲁矿 业有限公司下属的金矿山开采深度也已超过了5 0 0 0 米。印度的克拉尔金矿，开 采深度也己超过2 0 0 0 米。印度的K o l a r 金矿，开采深度也延伸至地表以下2 5 0 0 米，开拓深度2 8 0 0 米。俄罗斯克里沃罗格铁矿区，已有8 座矿山采准深度超过 中南大学硕士学位论文1 绪论 9 0 0m ，开拓深度超过1 5 7 0m ，以现有的开采速度预测，将在1 0 年以内开采深 度达到2 0 0 0 米以下。 国外深部矿山开采技术相对国内要领先很多。在深部矿体的开采过程中，岩 爆一直受到密切关注，由于岩爆发生往往没有征兆，突发性很强，造成了大量的 人员伤亡。根据南非的一些矿山的统计，在1 9 9 4 年到1 9 9 8 年期间，共有1 3 ．6 万人因为岩爆伤亡，大约有2 0 0 0 多人死亡。其岩爆的危险程度可想而知，严重 影威胁着井下工作人员的生命安全。岩爆的发生机理及防治技术已受到学术界的 广泛关注，主要手段有微震监测系统、计算机模拟等，据不完全统计，全球现在 己超过3 0 0 座矿山安装了微震监测系统，而在国内的矿山中不超过1 0 座【l 】，大 部分设备还在摸索阶段，并不能进行实时监测和岩爆预测等功能，还需进行大量 的工作。 从上述的分析中可以看出，在未来的1 0 ．2 0 年内，我国将有大批矿山将进入 深部开采，关于深部开采的工艺技术、机械设备以及微震监测技术的研究迫在眉 睫，关于深井开采的关键技术问题需要展开大量研究与实践。 1 ．2 ．2 深部岩石力学研究现状 深部开采工程岩石力学主要是指进行深部开采过程中由于采矿活动需要而 引发的巷道和采矿工程相关的岩石力学问题。 从岩石赋存的条件上将，金属矿山和其他非煤矿山相比，最显著的区别就在 于金属矿山的矿岩大部分都是硬岩，硬岩在受力过程中表现出弹脆性的特点，当 对岩石施加的力处于岩石的弹性范围以内，岩石将会以弹性应变能的形式将这些 能量储存在岩石内部，即硬岩具有高储能的特征口，7 ，引。当进入深部开采，大部 分的矿床处于8 0 0 米以下甚至更深，岩石在自重应力的作用下，必然会处于高应 力状态，岩石在高地应力作用下，相当于在岩石内部施加了预应力，深部硬岩在 高地应力的作用下储存了大量的弹性应变能，成为储能体，具有能量源的特征， 在一定的外部条件的诱导下，储存在岩体内部的弹性应变能就会释放出来，造成 岩体的失稳破坏。以现阶段的开采技术、工艺来看，在开采过程中，尤其是大规 模的开采的情况下，无可避免的会产生大量的爆破、崩矿、机械振动等动力扰动， 深部硬岩处于“高应力 动力扰动”的组合受力状态下，在这种受力状态下，传 统的岩石力学观念和理论难以全面解释深部岩石在这种组合受力状态下的力学 特性，目前国r 杉 l - 的对于深部岩石在“高应力 动力扰动“ 下的力学特性的研究 主要局限于无轴压下的冲击实验和动静组合加载实验，研究表明，岩石在动力冲 中南大学硕士学位论文 1 绪论 击作用下，其强度比静荷载下要高很多，其强度时静荷载作用下的3 ．5 倍，在受 到轴压的情况下，当轴压是其单轴抗压强度的6 0 ％～7 0 ％的时候的，其冲击强度 达到最大。 一些学者的研究表明，深井开采过程中的岩爆现象，可以利用动静组合加载 理论解释，我国著名岩石力学专家陶振宇教授认为，当岩石内部聚集了很大的弹 性应变能的时候，一旦受到外界机械冲击、爆破等扰动，岩石内部储存的大量弹 性能就会释放出来，形成岩爆【9 - 1 1 1 。王贤能等认为岩体内部弹性能的聚集是产生 岩爆的内因，从现场的岩爆现象来看，岩爆的发生往往和外界的扰动密不可分。 国内大型地下人工隧道开挖过程中的岩爆现象的记载表明，岩爆的发生时间和频 率往往和爆破关系紧密【9 ，1 2 】，相关的资料也表明，矿山开采过程的岩爆现象， 与爆破的关系紧密，大部分有记载的爆破现象都是在大爆破发生之后才产生的。 在矿体开采过程中，采场结构、主要硐室在爆破下的动力扰动或是机械振动的情 况下的失稳破坏也与“高应力 动力扰动”相关【_ ”。目前，对岩石在动静组合加 载条件下的基础研究已经取得了很多研究成果，无论是在理论分析还是在室内试 验研究方面。李夕兵领导的研究团队在这方面进行了大量的研究‘1 3 。3 1 1 ，在此基础 上，开展了岩石在动静荷载耦合作用下的岩石破碎机理及实验方面的研究，并长 期从事于S H P B 冲击实验系统的研制和改进，目前已研制完成的一维动静组合加 载和三维动静组合加载实验系统，在国内该领域尚属首台。关于动静组合加载下 的岩石的力学特性研究越来越受到众多学者的关注，越来越多的研究人员在该领 域展开了研究，宫凤强、周子龙、王泽东等就围岩作用下的砂岩冲击破坏规律、 变形特性、分形特征展开了研究，殷志强、金解放【3 2 ，3 3 1 等砂岩对动静组合加载 条件下的破坏形态、破坏模式展开了研究，并对岩石在组合受力下的破坏失稳机 理进行了深入研究，分析了岩石的无轴压无围压、有轴压无围压和有轴压有围压 三种情况下砂岩的破坏模式及破坏机理。 在上述的分析中可以看出，现阶段的研究主要集中于岩石动静组合加载条件 的力学特性研究，针对岩石的宏观强度和变形特征的研究相对较多，并取得了很 多研究成果，但是对于岩石在这种受力状态下的内在失稳机理研究较少，而且以 上的这些研究都是对岩石进行一次冲击破坏，而实际的工程中，岩石往往是出于 连续循环的动力扰动的情况下，高应力岩石在在循环动力扰动作用下的力学特性 和变形特征的研究还没有，因此，研究高应力岩石在循环冲击扰动作用下的力学 特性有非常重要的应用价值。 中南大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．2 ．3 岩石在循环荷载作用下的力学特性研究现状 由于岩石赋存条件的复杂性，其力学特征常常受到多种因素比如孔隙率、水 文条件等的影响。不同的试验加载条件和加载路径对岩石的变形特征也会产生一 定影响。岩石在静力作用下的力学特征已进行了大量的研究，取得了很多成果。 但是，岩石循环冲击作用下的力学特征和变形规律方面的研究还很少，在上个世 纪，国内外的一些学者最先在混凝土材料进行了循环冲击力学实验，得到了很多 实用性的结论并成功用于工程实际中[ 3 4 - 3 6 】。 岩石在循环荷载作用下的力学特性的研究相对混凝土而言，比较困难。近年 来，国内外的一些学者专家针对岩石在循环荷载作用下的力学特性、损伤规律等 方面展开了大量的研究，也取得了不少成果。通过实验研究发现，岩石在循环荷 载作用下，其破坏点的应变值与单轴压缩下控制点的应变值基本相同，与岩石的 加载路径无直接关系。循环加载作用下，岩石的变形受到极限变形规律【3 7 ，3 8 1 的 控制，当岩石的累积变形达到一定数值时，岩石就会失稳破化。 文献【3 8 ，3 9 1 研究了岩石在循环荷载作用下内部裂纹的演化的规律，通过研究 发现，在循环荷载作用下，岩石内部的裂纹的扩展萌生分为三个阶段，在初期加 载的几个循环，由于岩石内部微裂纹、微裂隙的存在，在循环荷载作用下，这些 微裂纹迅速在其周围萌生出大量的微裂隙，这一阶段的主要特征为岩石轴向变形 发展迅速，尤其在加载的初期，这一阶段主要是岩石内部微弱处的裂纹扩展完成， 称为其内部裂纹演化的第一阶段。随着变形量的继续增加，裂纹扩展进入第二阶 段，裂纹扩展数量稳步增加，岩石变形趋于稳定，这一阶段称为裂纹的稳定扩展 阶段。到了第三阶段，随着裂纹的继续扩展，裂纹的长度和数量增加到一定数量 形成贯穿裂纹，贯穿裂纹形成贯穿破裂面，岩石迅速失稳破坏。 葛修容【4 0 】运用C T 扫描研究了岩石在循环荷载作用下的损伤扩展规律，从细 观上研究了岩石在循环荷载作用下的损伤破坏规律，分析了循环应力幅值对其损 伤破坏的作用机理。 除上述研究之外，一些学者对岩石在循环荷载作用下应力幅值、加载频率、 加载速率、应力上限、应力下限等对岩石强度和疲劳寿命的影响展开了研究【3 丘3 9 ， 4 1 _ 5 4 ] ，研究结果表明，加载过程中应力上限和加载频率对岩石的强度和疲劳寿命 影响最大。 通过以往的研究来看，岩石在循环冲击作用下的力学特性研究还较少，大多 的研究还只停留在试验现象分析层面，并没有实质性的突破。开展此方面的研究 中南大学硕士学位论文 1 绪论 有助于进一步加深对岩石的损伤变形规律和动力失稳机制的认识，从而为岩体工 程的长期稳定性评价提供理论和技术支持。 1 ．3 文章主要研究内容与技术路线 以中南大学S H P B 动静组合加载试验系统为试验平台，展开岩石在循环冲击 扰动作用下的力学实验，以冬瓜山矿体赋存的实际情况，在矿体的直接顶板、矿 体上部、矿体下部和矿体直接底板中选取了四种代表性的岩石作为实验研究对 象，分别为大理岩 松散型 、蛇纹岩 膨胀型 和砂岩 裂隙型 四种典型岩 石。实验主要分为两大部分，第一部分为单轴压缩变形实验，为循环冲击试验做 准备，测试岩石的单轴抗压强度、泊松比等基本参数，第二部分为岩石在预应力 作用下的循环冲击实验，在观察、析实验现象的基础上，结合损伤力学，初步就 岩石在循环冲击扰动作用下的弹模、应变变化规律、破坏模式以及损伤演化规律 做了研究，初步揭示了岩石在循环冲击扰动作用下的弹模、应变变化规律和破裂 机理。结合统计损失理论，利用统计学参数定义损伤变量并推导其演化方程，建 立了一种岩石损伤本构关系模型，初步揭示了岩石在循环冲击扰动作用下的损伤 演化规律。主要的研究内容如下 1 分析了一维应力波在动静组合加载条件下的实用性，保证了改进后的 S H P B 动静组合加载系统的合理性； 2 对在冬瓜山现场取得的四种岩石进行了单轴压缩变形实验，测得了每种 岩石的单轴抗压强度、泊松比、弹模等基本参数，并分析了其应力应变曲线特征， 为循环冲击扰动实验做准备。 3 设计了循环冲击实验方案，以S H P B 动静组合加载系统为实验平台，研 究了四种不同类型的岩石试样在循环冲击扰动作用下的应力应变曲线特征、弹性 模量等参数随着冲击次数的变化规律。 4 通过观察四种岩石在冲击扰动作用下的的破坏过程，以实验现象为基础， 分析总结了四种岩石在循环冲击扰动作用下的破坏模式、破裂过程及失稳机理， 分析其裂纹的的萌生、扩展、贯穿和失稳破坏的整个过程的作用机理。 5 结合统计损伤理论，利用统计学参数定义损伤变量并推导其演化方程， 建立了一种岩石损伤本构关系模型，推导损伤变量与岩石应变之间的关系表达 式，在此基础上，初步揭示了岩石试样在循环冲击扰动作用下的累计损伤演化规 律。 本文的技术路线如图1 ．1 所示。 中南大学硕士学位论文 1 绪论 图1 ．1 本文技术路线图 中南大学硕士学位论文 2S H P B 冲击试验系统及原理 2S H P B 冲击实验系统及原理 2 ．1 概述 最早的S H P B 实验装置是H o p k i n s o n 于1 9 1 4 年设计的，当时的实验装置是由 两个直径为2 5 m m 的圆形钢杆组成，两根钢杆的长度不同，通过子弹冲击金属杆 产生冲击力撞击试样，这就是最初的S H P B 的实验装置，由于其设计较简单，并 不能观察到杆中应力波的传播情况，其发展和应用受到很大限制。后来，到了 1 9 4 8 年，D a v i e s 通过在H o p k i n s o n 长杆中安装了一个波导开关，通过其中的扫 描装置和阴极射线示波器可以测到冲击杆中的应力的波形图，然后再通过杆端部 电容装置与放大器测量杆中的质点和位移的变化情况。1 9 4 9 年，K o l s k y 对S H P B 实验装置进行了改进，这与现代的S H P B 试样装置相近，将入射杆和透射杆分开， 通过电容式的微音器测量杆中的应力波形，这样入射波、反射波、透射波可已通 过电容式的微音器测到，这种实验装置已经与现代的霍普金森实验装置已经非常 相似。19 6 3 年，L i n d h o m 将应变片粘贴于两根杆上取代以往的电容式传感器， 这使得霍普金森实验技术发生了根本性的改革【5 5 1 ，这种测试杆中应力波波形的 方法一直沿用至今，有操作简单成本较低等优点。不久后，H a r d i n g 和B a k e r 通 过改进S H P B 实验装置，在原来的基础上设计了扭杆装置和拉杆装置，这样S H P B 实验装置可以完成扭转实验和拉伸实验，完善了霍普金森实验，使之更加全面。 到了二十世纪七十年代，S H P B 实验技术方法发展成为测试材料在高应变率段力 学特性的标准方法，得到了广泛认可并开始被广泛应用于实际工程中，运用 S H P B 实验技术测得侧了的动力学特性已经成为行业中的标准。随着计算机技术 的发展，将计算机应用到霍普金森试验中，可以大大的提高实验的可视化与处理 速度，通过电脑采集和处理实验数据，实现了实验系统的电脑化。最初霍普金森 实验是用于金属材料的动态力学特性测试，1 9 6 8 年，K u m a r 首次将S H P B 实验 装置引进进行岩石动态性能的测试，进行了大理岩的动态冲击试验，测定了大理 岩在动态冲击作用下的抗压强度。此后，许多学者成功的将S H P B 实验技术用于 各类岩石