硬岩脆性破坏过程机理与应用研究

摘要

随着我国国民经济的高速增长，采矿向深部发展将成为我国采矿业的一个主要发展方向。随着矿山开采深度的不断增加，深部岩体处于“三高一扰动的”[1]恶劣环境中，开采条件的恶化，导致开采时出现冒顶、片帮等现象明显增多，甚至出现岩爆等动力地压灾害，例如，红透山铜矿在1999年5月发生中等程度的岩爆，导致近100m长的斜坡道一次性崩塌报废和部分采场停产;凡口铅锌矿深部采区地压明显增大，岩石弹射现象时有发生，井巷工程的支护量与浅部采区相比大大增加。这些由岩体脆性破坏所产生的一系列地质灾害问题给国家、矿山企业和人民群众造成了巨大的生命财产和经济损失，严重制约了国民经济和矿山企业的可持续发展。因此，开展硬岩脆性破坏过程机理及应用方面的研究是十分有必要的。
　　本文以采自湖南郴州柿竹园多金属矿山的矽卡岩为研究对象，首先，通过单轴循环加卸载试验研究了矽卡岩的岩爆倾向性、能量释放规律及弹脆性特征;再通过一系列的真三轴试验，研究了矽卡岩在不同中间主应力水平不同应力路径下的强度特征、声发射特征及破坏模式;在深入分析矽卡岩在声发射试验中临近破坏阶段的声发射事件率及能量释放率变化规律的基础上，提出了基于声发射前兆信息的硬岩脆性破坏预测指标;针对湖南郴州多金属矿山矿柱回采过程中出现的地压问题，采用微震监测、数值分析及本文提出的硬岩脆性破坏预测指标相结合的方法成功地预测了P4盘区C3巷道的破坏。论文的主要内容如下:
　　1、通过单轴压缩试验、单轴循环加卸载声发射试验试验，系统地研究了矽卡岩在该试验条件下的强度特征，破坏模式，声发射特征、能量释放规律及弹脆性特征，通过计算弹性能量指数确定了矽卡岩的岩爆倾向性，并结合声发射监测结果，得到了单轴压缩及单轴循环加卸载条件下不同加载阶段矽卡岩的声发射特征;循环加卸载作用下矽卡岩具有费利西蒂效应，通过费利西蒂比的计算及卸载过程的声发射描述对此效应给予定性分析。
　　2、通过真三轴试验，研究了矽卡岩在双轴加载，真三轴加载，真三轴卸载条件下的强度特征，声发射规律及破坏特征;通过对比描述声发射撞击数-时间关系曲线及声发射绝对能量-时间关系曲线随中间主应力的变化情况，分析了声发射信号在不同加载条件下随中间主应力变化的演化规律。
　　3、针对声发射监测中噪声信号影响分析准确性的问题，在总结了现场声发射监测及室内声发射试验中噪声产生的原因及类型的基础上，通过深入研究声发射噪声信号与有效信号的特征参数，结合人工神经网络及BP算法特点，提出了一种利用神经网络过滤室内试验声发射噪声信号的方法。
　　4、针对硬岩破坏及其引起的地质灾害的预测问题，通过总结矽卡岩在室内试验中临近破坏阶段的声发射事件率变化特征，对硬岩脆性破坏声发射事件率类型进行划分，在深入分析了不同类型岩样声发射事件率及能量释放率变化特征的基础上，提出了基于声发射前兆信息的硬岩脆性破坏预测指标。
　　5、在工程应用方面，针对湖南郴州柿竹园多金属矿山矿柱回采过程中出现的地压问题，采用微震监测、数值计算及本文提出的基于声发射前兆信息的硬岩破坏预测指标相结合的方法，对矿柱回采过程导致的P4盘区C3巷道垮塌进行了成功地预测，证明了本文提出的硬岩脆性破坏预测指标的实用性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 试验研究现状

1．2．2 理论研究现状

1．2．3 预测方法研究现状

1．3 有待进一步研究的问题

1．4 本文主要工作及总体思路

1．5 本章小结

第二章 岩石单轴循环加卸载声发射试验研究

2．1 引言

2．2 试验方案

2．2．1 试验目的

2．2．2 试验原理

2．2．3 试验仪器

2．2．4 岩样产地及试样制作

2．3 岩样分组及试验步骤

2．3．1 波速测定及岩样分组

2．3．2 试验步骤

2．4 试验结果及计算

2．4．1 强度特征

2．4．2 弹性模量

2．4．3 弹性能量指数

2．4．4 声发射特征

2．4．5 破坏特征

2．5 本章小结

第三章 岩石真三轴声发射试验研究

3．1 引言

3．2 试验方案

3．2．1 试验目的

3．2．2 试验原理

3．2．3 试验仪器

3．2．4 岩样产地及试样制作

3．3 岩样分组及试验步骤

3．3．1 波速测定结果及岩样分组

3．3．2 试验步骤

3．4 试验结果及计算

3．4．1 强度特征

3．4．2 声发射特征

3．4．3 破坏特征

3．5 本章小结

第四章 声发射噪声信号过滤方法研究

4．1 引言

4．2 噪声信号类型及产生原因

4．2．1 室内监测噪声信号类型及产生原因

4．2．2 现场监测噪声信号类型及产生原因

4．3 声发射信号特征参数

4．4 室内试验噪声过滤步骤与方法

4．5 本章小结

第五章 基于声发射试验的硬岩脆性破坏预测指标研究

5．1 引言

5．2 震型分类及声发射前兆分析

5．2．1 主震型及声发射前兆

5．2．2 前震-主震型及声发射前兆

5．2．3 群震型及声发射前兆

5．3 硬岩脆性破坏预测指标

5．4 本章小结

第六章 工程应用研究

6．1 引言

6．2 工程地质概况及采场地压问题

6．3 微震监测系统及传感器布置

6．3．1 微震监测系统组成

6．3．2 传感器布置

6．4 数值模拟及结果分析

6．4．1 数值计算模型

6．4．2 模拟结果分析

6．5 基于现场微震监测信息的硬岩脆性破坏预测

6．6 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

致谢

博士期间参加项目及获得成果