動力擾動下高應力巖石力學特性研究.pdf

1、在世界范圍內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、地質鉆探等人類活動的不斷深入地下，地應力呈非線性增加，地溫升高，并發(fā)現(xiàn)深部巖石有著許多現(xiàn)有巖石力學知識無法很好解釋的現(xiàn)象，如：深井巖爆、巖石的脆延轉化，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)處于很高的靜應力場或地應力場中。由于淺部巖體埋深小，所

2、受到的地應力較小，巖體的穩(wěn)定性問題利用目前現(xiàn)有的巖石力學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力巖石的力學行為是目前巖石力學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容，就一維和三維動靜組合加載理論與實驗進行了深入系統(tǒng)的研究。 論文作者利用改進的霍布金遜壓桿沖擊試驗裝置對砂巖進

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力波擾動作用時的力學響應和破壞特征。在機理研究方面，利用內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力場，通過數(shù)值模擬再現(xiàn)裂紋的擴展過程，從而分析高應力巖石在動載作用下的斷裂破壞機理，并利用不同的力學元件，組合建立了受動靜組合載荷下巖石的力學本構模型，并在此基礎上，分析了巖石在不同靜載下的應變能密度的變化規(guī)律。 在本構理論方面

4、，闡述了巖石是由許多自相似結構的力學元件組合的微結構構成的集合體，利用力學元件的性質，將不同性質的力學元件組合起來，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模型。 在強度理論方面，用應變能密度定義了巖石在動靜組合載荷作用下的破壞準則，根據(jù)能量守恒規(guī)律推導出動靜組合加載下巖石破壞過程中應變能密度。在動靜組合加載本構模型的基礎上，導出模型受力過程中的應變能密度，求出了受一維或三維靜載巖石在動載作用下破壞的應變能密度的臨界

5、值。 在工程應用方面，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)象進行了對比，認為室內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與破壞