礦山巖爆機理與防治實踐

前言

巖爆是指礦井、深部硐室、隧道等采掘空間周圍巖體在高應(yīng)力作用下局部失穩(wěn)，彈性應(yīng)變能突然釋放，使巖體向采掘空間拋射的一種動力破壞現(xiàn)象。它是礦山生產(chǎn)與建設(shè)等深部地下工程中的重大災(zāi)害之一，常造成重大的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟損失。巖爆現(xiàn)象常發(fā)生于金屬礦山、煤礦、深部隧道和水工地下工程中。自有記載的第一次發(fā)生于1738年英國南史塔福煤田巖爆至今，兩百多年來，巖爆危害幾乎遍布世界各采礦國家。隨著開采深度的增加和采掘規(guī)模的日益擴大，巖爆的頻度和強度也日益增大。同時，礦山巖爆災(zāi)害的發(fā)生具有時間和空間上的不確定性。因此，礦山巖爆因其誘發(fā)因素眾多、發(fā)生的突然性和破壞性而成為巖石力學(xué)、礦壓研究中的重大問題，其發(fā)生機理及防治技術(shù)研究已成為礦山壓力研究的焦點之一。本書的主要內(nèi)容是作者近十年來承擔(dān)和參與相關(guān)課題研究的成果，其中許多內(nèi)容已在國內(nèi)外重要刊物上發(fā)表，有的已在實際工程中采用并取得了良好的效果。全書分為十章。第一章介紹了國內(nèi)外礦山巖爆災(zāi)害的概況，總結(jié)了巖爆機理研究取得的成果以及防治體系。第二章介紹了巖石裂隙演化與損傷能量耗散特性，概述了巖石裂紋演化及其力學(xué)特性的研究進展，分析了巖石損傷的能量耗散及巖爆能量。第三章研究了巖壁裂紋失穩(wěn)擴展與片幫型巖爆機理，內(nèi)容包括井巷圍巖局部裂紋擴展條件，近自由面的裂紋擴展模型及應(yīng)力判據(jù)，片幫型巖爆機理，劈裂結(jié)構(gòu)形成的能量耗散與沖擊能量分析，時間相關(guān)的裂紋擴展與巖爆的延遲性。第四章為黏彈性失穩(wěn)分析——巖爆的時間延遲，針對深部礦山開采的片幫型巖爆，考慮圍巖在高地應(yīng)力作用下流變特性，研究巖爆發(fā)生時間上的滯后性，主要內(nèi)容包括，中厚軟巖板靜載彎曲時中面特性的時間相關(guān)分析，巖石板梁結(jié)構(gòu)時間相關(guān)變形的穩(wěn)定性分析，巖爆層裂板結(jié)構(gòu)的屈曲載荷一時間特性研究。第五章介紹了礦山巖爆的模擬試驗研究，主要包括，相似材料模擬試驗和煤質(zhì)材料的模擬試驗。第六章為巖爆的數(shù)值模擬研究，采用RFPA98對圍巖層裂及內(nèi)部巖體局部弱化和質(zhì)點的位移進行數(shù)值模擬，進而分析巖體物理力學(xué)參數(shù)對巖爆的影響。第七章、第八章就應(yīng)力波誘發(fā)巖爆的動力學(xué)機理進行了分析研究，主要內(nèi)容包括應(yīng)力波在彈性介質(zhì)、黏彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，應(yīng)力波在自由界面的反射效應(yīng)和疊加效應(yīng)分析，應(yīng)力波在巖體中傳播規(guī)律的數(shù)值模擬，應(yīng)力波作用下圍巖層裂結(jié)構(gòu)形成的機理和應(yīng)力波導(dǎo)致圍巖層裂結(jié)構(gòu)及沖擊破壞的數(shù)值模擬。第九章、第十章為礦山巖爆機理與防治實例，分別介紹了作者承擔(dān)或參與的兩座煤礦和一座金礦巖爆發(fā)生的實錄、機理和治理措施。本書的理論工作源于筆者博士論文和博士后出站報告，工程應(yīng)用部分來源于博士與博士后期問的現(xiàn)場工作實踐以及承擔(dān)的靈寶黃金股份有限公司巖爆防治科研項目。特別感謝筆者的博士生導(dǎo)師楊挺青教授，博士后指導(dǎo)教師繆協(xié)興教授的指導(dǎo)和幫助。

內(nèi)容概要

　　巖爆是威脅礦山安全生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一，其顯現(xiàn)具有突發(fā)性和災(zāi)害性，但其蘊蓄過程又具有空間性和時間性，因此，在深刻理解巖爆發(fā)生機理的基礎(chǔ)上，可對巖爆發(fā)生的空間位置與時間效應(yīng)進行預(yù)測，采取有效的防治措施，從而避免和減小巖爆所造成的損失。本書的第一章至第八章為巖爆發(fā)生的機理研究部分，包括巖石裂隙演化與損傷能量耗散特性、巖壁裂紋失穩(wěn)擴展與片幫型巖爆、黏彈性失穩(wěn)分析——巖爆的時間延遲、礦山巖爆的模擬試驗研究、巖爆的數(shù)值模擬研究、應(yīng)力波誘發(fā)巖爆的動力學(xué)機理、應(yīng)力波導(dǎo)致圍巖層裂結(jié)構(gòu)及巖爆機理分析。第九章至第十章為巖爆發(fā)生機理與防治在實際工程中的應(yīng)用，包括煤礦巖爆機理與防治實例和金屬礦山巖爆機理與防治?！　”緯晒氖虏傻V和深部高應(yīng)力隧道科研、設(shè)計、生產(chǎn)技術(shù)及管理工作者閱讀參考，也可供高等院校師生參考。

書籍目錄

1 緒論1.1 國內(nèi)外巖爆實況1.1.1 金屬礦山巖爆情況1.1.2 煤礦礦山巖爆情況1.1.3 隧道和水電工程中的巖爆情況1.2 巖爆發(fā)生機制研究進展1.2.1 強度理論、剛度理論和能量理論1.2.2 沖擊傾向性理論1.2.3 穩(wěn)定性理論——圍巖局部表面失穩(wěn)、分叉與突變1.2.4 巖爆時間相關(guān)性1.2.5 其他研究1.3 巖爆的試驗研究與數(shù)值模擬1.3.1 試驗研究1.3.2 數(shù)值模擬1.4 巖爆的預(yù)測、預(yù)報方法概述1.4.1 鉆屑法1.4.2 聲發(fā)射（地音）與微震監(jiān)測1.4.3 地球物理監(jiān)測方法1.4.4 各種方法的綜合預(yù)測預(yù)報1.5 巖爆防治方法概述1.5.1 長期防治1.5.2 直接防治2 巖石裂隙演化與損傷能量耗散特性2.1 巖爆巖體結(jié)構(gòu)特點2.1.1 煤礦巖體的宏觀結(jié)構(gòu)特點及破壞方式2.1.2 巖體的流變特性2.1.3 巖爆巖體的宏觀結(jié)構(gòu)特性2.2 巖石裂紋演化及其力學(xué)特性2.2.1 巖石變形及破壞過程2.2.2 微裂紋（缺陷）擴展模型2.2.3 裂紋群的演化及相互作用2.2.4 裂紋擴展的聲發(fā)射效應(yīng)2.2.5 微裂紋擴展的變形一時問相關(guān)性2.3 巖石損傷的能量耗散及巖爆能量分析2.3.1 材料損傷變形與能量耗散2.3.2 巖石彈脆性損傷力學(xué)分析與巖爆能量指數(shù)3 巖壁裂紋失穩(wěn)擴展與片幫型巖爆3.1 井巷圍巖局部裂紋擴展條件3.2 近自由面的裂紋擴展模型及應(yīng)力判據(jù)3.2.1 單一裂紋模型3.2.2 多裂紋模型3.2.3 有支護時近自由表面的裂紋擴展3.3 片幫型巖爆機理3.3.1 礦山片幫型巖爆機理描述3.3.2 臨界深度分析3.4 巖巷薄壁穩(wěn)定性分析3.4.1 四邊夾支雙向受均布壓力Pz和pχ的情況3.4.2 承載邊為夾持約束，另一對邊自由的情況3.5 劈裂結(jié)構(gòu)形成的能量耗散與沖擊能量分析3.5.1 圓形巷道圍巖劈裂形成過程中的能量耗散3.5.2 沖擊能量分析3.6 時間相關(guān)的裂紋擴展與巖爆的延遲性3.6.1 時間相關(guān)的裂紋擴展3.6.2 裂紋貫穿前膨脹導(dǎo)致的自由面的位移4 黏彈性失穩(wěn)分析——巖爆的時間延遲4.1 中厚軟巖板靜載彎曲時中面特性的時間相關(guān)分析4.1.1 中厚板彎曲的控制方程4.1.2 黏彈性中厚板中面位置確定4.1.3 應(yīng)用分析與討論4.2 巖石板梁結(jié)構(gòu)時間相關(guān)變形的穩(wěn)定性分析4.2.1 兩端固定板梁蠕變屈曲的控制方程4.2.2 壓屈的時間相關(guān)性分析4.2.3 分析討論4.3 巖爆層裂板結(jié)構(gòu)的屈曲載荷一時間特性研究4.3.1 黏彈性薄板的壓屈方程4.3.2 矩形薄板壓屈載荷一時間關(guān)系4.3.3 巖爆的時間相關(guān)及應(yīng)力擾動的討論4.3.4 算例5 礦山巖爆的模擬試驗研究5.1 試驗的基本思想和內(nèi)容5.2 相似材料模擬試驗5.3 煤質(zhì)材料的模擬試驗5.4 試驗分析與討論5.5 裂紋擴展及板模型失穩(wěn)臨界應(yīng)力評估6 巖爆的數(shù)值模擬研究6.1 巖石破壞分析系統(tǒng)RFPA'98概述6.2 數(shù)值計算模型6.3 計算結(jié)果及分析7 應(yīng)力波誘發(fā)巖爆的動力學(xué)機理7.1 應(yīng)力波傳播的基本方程7.2 應(yīng)力波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律7.2.1 應(yīng)力波在半無限彈性介質(zhì)中的傳播7.2.2 應(yīng)力波在分界面處的傳播特性7.3 應(yīng)力波在黏彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律7.4 應(yīng)力波在自由界面的反射7.4.1 彈性波遇自由界面的反射效應(yīng)7.4.2 入射應(yīng)力波和反射應(yīng)力波的疊加7.4.3 疊加效應(yīng)分析7.5 應(yīng)力波在巖體中傳播規(guī)律的數(shù)值模擬7.5.1 數(shù)值分析模型的建立7.5.2 應(yīng)力波在彈性介質(zhì)中傳播的數(shù)值模擬7.5.3 應(yīng)力波在黏彈性介質(zhì)中傳播的數(shù)值模擬8 應(yīng)力波導(dǎo)致圍巖層裂結(jié)構(gòu)及巖爆機理分析8.1 應(yīng)力波作用下圍巖層裂結(jié)構(gòu)形成的機理8.1.1 應(yīng)力波作用下圍巖層裂結(jié)構(gòu)的形成8.1.2 動載作用下層裂板的穩(wěn)定性分析8.2 應(yīng)力波導(dǎo)致圍巖層裂結(jié)構(gòu)及沖擊破壞的數(shù)值模擬8.2.1 數(shù)值分析模型8.2.2 巖體失效準則選取及應(yīng)力波的處理8.2.3 數(shù)值模擬方案8.2.4 計算結(jié)果分析9 煤礦巖爆機理與防治實例9.1 三河尖煤礦巖爆發(fā)生機理9.1.1 巖爆發(fā)生的環(huán)境及特點9.1.2 煤層沖擊傾向性分析9.1.3 三河尖煤礦巖爆發(fā)生機理分析9.2 j河尖煤礦巖爆預(yù)測、預(yù)報9.2.1 地質(zhì)動力區(qū)劃分析法9.2.2 鉆屑法9.2.3 頂板動態(tài)監(jiān)測法9.3 三河尖煤礦巖爆的綜合防治技術(shù)9.3.1 改革采區(qū)、巷道布置及巷道支護方法9.3.2 實施煤體注水法9.3.3 實施煤層卸載與誘發(fā)爆破9.4 孔莊煤礦巖爆危險程度評定與防治9.4.1 巖爆發(fā)生的實錄及特點9.4.2 巖爆危險性評定方法9.4.3 孔莊煤礦巖爆危險程度評定9.4.4 孔莊煤礦Ⅲ。采區(qū)巖爆防治實踐10 金屬礦山巖爆機理與防治實例10.1 崟鑫金礦地質(zhì)條件及巖爆實錄10.1.1 崟鑫金礦巖爆發(fā)生的地質(zhì)條件10.1.2 崟鑫金礦巖爆實錄與特點10.2 礦區(qū)深部圍巖地應(yīng)力測試10.2.1 凱塞效應(yīng)法地應(yīng)力測量原理10.2.2 崟鑫金礦巖樣實測與結(jié)果10.3 崟鑫金礦豎井巖爆發(fā)生機理10.3.1 圍巖最大主應(yīng)力與巖爆發(fā)生部位的關(guān)系10.3.2 豎井圍巖裂隙擴展與局部層裂失穩(wěn)10.4 崟鑫金礦豎井及平洞掘進時巖爆治理措施與實施結(jié)果10.4.1 崟鑫金礦豎井巖爆治理措施研究10.4.2 平洞掘進巖爆防治10.5 巖爆區(qū)域采掘時采礦技術(shù)與規(guī)程10.5.1 有巖爆傾向深埋硬巖礦床采礦技術(shù)10.5.2 巖爆區(qū)域防治巖爆的技術(shù)與管理規(guī)程（草稿）參考文獻

章節(jié)摘錄

插圖：目前，對于巖體破壞的研究主要途徑有現(xiàn)場試驗、室內(nèi)模擬試驗、數(shù)值模擬方法和解析方法等?，F(xiàn)場試驗和模擬試驗往往受條件限制和其他因素的影響而難以得到滿意的結(jié)果，且費用浩大；解析方法由于地下結(jié)果復(fù)雜性和巖體介質(zhì)的多變性而得不到結(jié)果。而數(shù)值模擬方法將是巖體工程研究的有效途徑，并為試驗研究和理論分析提供最為有利的補充。國內(nèi)外已有許多利用有限元、邊界元和位移非連續(xù)方法等數(shù)值方法進行地下結(jié)構(gòu)圍巖破壞研究的成果，但是通常這些方法中的多數(shù)視研究對象為均勻、連續(xù)介質(zhì)體，而實驗和工程實際均表明巖石類材料非均勻性對圍巖破壞的影響至關(guān)重要。人們已經(jīng)認識到巖石材料非線性對宏觀性質(zhì)的影響，并努力進行這方面的數(shù)值模擬研究，取得了長足的進展。本章將利用東北大學(xué)巖石破裂與失穩(wěn)研究中心開發(fā)的巖石破裂過程分析RFPA’98軟件系統(tǒng)，考慮巖體的非均質(zhì)度影響，對井巷圍巖層裂及沖擊破壞進行數(shù)值模擬研究。RFPA’98（Rock Failure Process Analysis）軟件是基于有限元應(yīng)力分析原理開發(fā)的巖石。類材料破壞過程分析工具。RFPA’98運用物理統(tǒng)計的方法描述材料的非均勻性，對于某一特定結(jié)構(gòu)面的非均勻處理，可以采用不同分布參數(shù)來定義其性質(zhì)。它由應(yīng)力分析和破壞分,析兩部分組成，應(yīng)力分析采用線彈性有限元法。在這里有限元法僅僅是一個應(yīng)力分析求解器，計算單元的應(yīng)力、變形和位移，不涉及破壞的處理；破壞判據(jù)依據(jù)修正的庫侖（Coulomb，可考慮拉伸破壞），破壞后的單元采用剛度特性退化處理。在應(yīng)力分析結(jié)束后，再進入破壞分析階段。破壞分析得出的結(jié)果是對整體剛度矩陣按實際單元的應(yīng)力參數(shù)進行調(diào)整，然后再進行應(yīng)力分析，直至分析結(jié)束。

編輯推薦

《礦山巖爆機理與防治實踐》是由東南大學(xué)出版社出版的。

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