動力擾動下高應(yīng)力巖石力學(xué)特性研究.pdf

1、在世界范圍內(nèi)淺部資源正日益枯竭，深部資源開采迫在眉睫。然而，隨著深井采礦、核廢料儲存、石油開采、地質(zhì)鉆探等人類活動的不斷深入地下，地應(yīng)力呈非線性增加，地溫升高，并發(fā)現(xiàn)深部巖石有著許多現(xiàn)有巖石力學(xué)知識無法很好解釋的現(xiàn)象，如：深井巖爆、巖石的脆延轉(zhuǎn)化，破壞特征異常、巖體分區(qū)破裂化現(xiàn)象等。為什么會出現(xiàn)這些問題呢?事實上，深部地下資源的開發(fā)過程中，礦巖在受到諸如爆破震動等動載荷作用前，就已經(jīng)處于很高的靜應(yīng)力場或地應(yīng)力場中。由于淺部巖體埋深小，所

2、受到的地應(yīng)力較小，巖體的穩(wěn)定性問題利用目前現(xiàn)有的巖石力學(xué)知識就可較好的解決。而類似于上述提到的深部巖體問題利用淺部的辦法來解決，效果不理想，因此在動力擾動下高應(yīng)力巖石的力學(xué)行為是目前巖石力學(xué)界和采礦工程界研究的難點和重點。針對上述問題，本文作者在國家自然科學(xué)基金重大項目資助下，以動靜組合加載下巖石破壞特性的研究為主要內(nèi)容，就一維和三維動靜組合加載理論與實驗進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。 論文作者利用改進(jìn)的霍布金遜壓桿沖擊試驗裝置對砂巖進(jìn)

3、行了一維和三維動靜組合加載試驗，研究了砂巖在不同水平軸向靜壓和不同水平圍壓下受應(yīng)力波擾動作用時的力學(xué)響應(yīng)和破壞特征。在機(jī)理研究方面，利用內(nèi)部含有圓盤片狀裂紋的圓柱體模型，計算其受到不同形式的外力作用時的應(yīng)力場，通過數(shù)值模擬再現(xiàn)裂紋的擴(kuò)展過程，從而分析高應(yīng)力巖石在動載作用下的斷裂破壞機(jī)理，并利用不同的力學(xué)元件，組合建立了受動靜組合載荷下巖石的力學(xué)本構(gòu)模型，并在此基礎(chǔ)上，分析了巖石在不同靜載下的應(yīng)變能密度的變化規(guī)律。 在本構(gòu)理論方面

4、，闡述了巖石是由許多自相似結(jié)構(gòu)的力學(xué)元件組合的微結(jié)構(gòu)構(gòu)成的集合體，利用力學(xué)元件的性質(zhì)，將不同性質(zhì)的力學(xué)元件組合起來，建立了一維和多維受靜載荷作用的巖石在動載作用下的本構(gòu)模型。 在強(qiáng)度理論方面，用應(yīng)變能密度定義了巖石在動靜組合載荷作用下的破壞準(zhǔn)則，根據(jù)能量守恒規(guī)律推導(dǎo)出動靜組合加載下巖石破壞過程中應(yīng)變能密度。在動靜組合加載本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，導(dǎo)出模型受力過程中的應(yīng)變能密度，求出了受一維或三維靜載巖石在動載作用下破壞的應(yīng)變能密度的臨界

5、值。 在工程應(yīng)用方面，將動靜組合載荷下巖石受力條件和巖石發(fā)生巖爆的條件及兩者發(fā)生的現(xiàn)象進(jìn)行了對比，認(rèn)為室內(nèi)動靜組合加載試驗可以模擬再現(xiàn)現(xiàn)場發(fā)生的巖爆，并通過分析動靜組合載荷下巖石破壞過程中能量的轉(zhuǎn)化來揭示巖石發(fā)生巖爆的能量要求，而且發(fā)現(xiàn)了動靜組合加載能量利用的規(guī)律，找到提高能量利用率的措施和利用深部巖體受力狀況來致裂巖石的手段。 本文所做的研究工作，立足于學(xué)科前沿，運用各種理論和實驗方法，對動靜組合加載下的巖石力學(xué)與破壞