岩石冲击倾向性及其影响因素试验研究.pdf

全日制硕士学位论文 申请人姓名 陈岩 指导教师 郭保华 学位类别 工学硕士 专业名称 矿业工程 研究方向 岩石力学 河南理工大学能源科学与工程学院河南理工大学能源科学与工程学院 二二○一一五五年年四四月月 岩石冲击倾向性及其影响因素试验研究岩石冲击倾向性及其影响因素试验研究 万方数据 万方数据 中图分类号中图分类号TD313 密密 级级公开公开 UDC622 单位代码单位代码10460 岩石冲击倾向性及其影响因素试验研究 Experimental Study on Rock Burst Tendency and Its Influencing Fators 申请人姓名申请人姓名 陈岩陈岩 学 位 类 别学 位 类 别 工学硕士工学硕士 专 业 名 称专 业 名 称 矿业工程矿业工程 研 究 方 向研 究 方 向 岩石力学岩石力学 导师导师 郭保华郭保华 职称职称 副教授副教授 提 交 日 期提 交 日 期 2015.04 答 辩 日 期答 辩 日 期 2015.06 河南理工大学 万方数据 万方数据 河 南 理 工 大 学河 南 理 工 大 学 学 位 论 文 原 创 性 声 明学 位 论 文 原 创 性 声 明 本人郑重声明所呈交的学位论文岩石冲击倾向性及其影响因素试验 研究，是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含任何其他个人或集体已经公开发表 或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中 作了明确的声明并表示了谢意。 本人愿意承担因本学位论文引发的一切相关责任。 学位论文作者签名学位论文作者签名 年年 月月 日日 河南理工大学 学位论文使用授权声明 本学位论文作者及导师完全了解河南理工大学有关保留、使用学位论文 的规定，即学校有权保留和向有关部门、机构或单位送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅，允许将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索和传播，允许采用任何方式公布论文内容，并可以采用 影印、缩印、扫描或其他手段保存、汇编、出版本学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权。保密的学位论文在解密后适用本授权。 学位论文作者签名学位论文作者签名 导师签名导师签名 年年 月月 日日 年年 月月 日日 万方数据 万方数据 致致 谢谢 光阴似箭， 岁月如梭。 三年的研究生求学生活即将结束， 站在毕业的门槛上， 回首往事，奋斗和辛劳成为丝丝回忆。从最开始对研究生生活的向往到如今即将 毕业，三年来学到很多，收获很多。 论文完成之际，首先感谢我的导师郭保华副教授在我研究生学习期间对我的 谆谆教诲和悉心关怀。从培养方案的制定、论文选题、试验研究到最后论文的撰 写，每个过程都得到了郭老师的悉心指导，我所取得的每一点进步都凝聚着郭老 师的心血和汗水。郭老师渊博的学识、严谨勤奋的治学态度、朴实的为人以及积 极的生活态度让我永志不忘，并将深深影响我今后的工作和生活。在此，谨向郭 老师表示衷心的感谢并致以崇高的敬意。 其次，论文的撰写也得到了学院各位老师的指导及同学的帮助。感谢苏承东 老师在加工岩样过程中给予的帮助；感谢席可峰、马擎、王龙、王辰霖等师兄弟 在试验过程中的鼎立相助，正是由于他们的帮助，论文才得以顺利进行和完成； 感谢我的室友翟常治、范超、李圣军，正是因为有你们的陪伴、帮助和鼓励，我 的学习和生活才变的丰富多彩，希望你们今后事业有成 感谢河南理工大学及能源学院领导和老师在学习和生活上给与的关心、帮助 和培养。 衷心感谢我的家人，多年来，正是他们在物质和精神上的默默支持，我的学 业才能顺利完成。 感谢所有引用文献的作者，他们的研究成果给了本文诸多启发。 最后，衷心感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家 万方数据 万方数据 I 摘摘 要要 岩石的冲击倾向性（或称岩爆倾向性）是影响煤矿冲击地压和岩爆的主要因 素之一，而且是岩石力学界需要研究解决的科学难题。本论文以岩石冲击倾向性 为研究对象，探讨了其在不同影响因素下的变化规律。 对砂岩、石灰岩、泥岩进行单轴压缩试验，通过理论分析提出屈服度与屈服 量的概念，计算出每个试样的冲击倾向性参数，发现 BIM 与屈服度关系良好，依 据 BIM 对冲击性的评价标准， 提出屈服度作为冲击性指标的评价标准； 对花岗岩、 灰岩、砂岩、大理岩分别进行干燥、泡水、不同围压、不同高径比的单轴压缩试 验和常规三轴压缩试验得到全应力-应变曲线和基本物理力学参数， 分析三种因素 对岩石力学性质的影响，并采用五种强度准则对砂岩的强度与围压进行拟合，发 现指数准则拟合效果更佳。 对冲击倾向性研究， 发现泡水后 BIM 和屈服度值升高、 KE值降低，因此其冲击倾向性降低；而动态破坏时间并不能准确地表达冲击倾向 性；围压可使 BIM、屈服度值升高，KE值降低，从而降低了岩石的冲击倾向性； 高径比越大，BIM、屈服量、屈服度均减小，冲击倾向性增大，而 KE值增大。因 此，随着高径比的增大，岩石冲击倾向性升高。综合研究结果，对煤、金属矿深 井开采、地下工程的冲击地压及岩爆理论研究及防治具有一定的指导意义。 关键词关键词脆性指标修正值；屈服度；泡水；围压；尺寸效应 万方数据 万方数据 III Abstract Rock burst tendency is not only one of the main causes which influence rock burst in coal mine, but also is the scientific problem that needs to be solved by rock mechanics. Rock burst tendency was regarded as research target and discussed its change law with different influencing factors in this thesis. Sandstone, limestone and mudstone were carried out uniaxial compression test and through theoretical analysis definitions of yield quantity and yield degree were put forward. Rock burst tendency parameters of each sample were calculated and found that the relationship between BIM and yield degree was good. Based on the uated criteria of BIM, uated criterion of yield degree was proposed. To get the complete stress-strain curves and basic mechanical parameters with dry, submerged, different confine pressure and different H/D of granite, limestone, sandstone, marble, uniaxial and triaxial compression tests were carried out. And the impact of the three factors to rock mechanical properties was analyzed. Then, five strength criteria were adopted to fit the relationship between confine pressure and peak strength of sandstone, finding that the fitting effect of EXP criterion was better. After submerged, values of BIM and yield degree increase, while values of KE decrease. Therefore, their burst tendency decreases. However, dynamic damage time could not per rock burst tendency correctly. Confining pressure could increase the values of BIM, and yield degree and decrease values of KE. Therefore, its rock burst tendency decreases with confining pressure. The larger the H/D is, the lower the BIM, yield quantity and yield degree is and the higher the KE is. Therefore, rock burst tendency will increase with the increase of H/D. The research results have some guidance to theoretical research and prevent of rock burst in coal, metal deep mining and underground engineering. Key words BIM; yield degree; submerged; confining pressure; size effect 万方数据 万方数据 V 目目 录录 摘摘 要要 ................................................................................................................................. I ABSTRACT .................................................................................................................. III 目目 录录 ............................................................................................................................. V 1 绪论绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 研究意义及目的 .................................................................................................... 1 1.2 冲击倾向性研究现状 ............................................................................................ 2 1.3 冲击倾向性影响因素研究现状 ............................................................................ 5 1.4 研究内容及研究思路 ............................................................................................ 8 1.4.1 研究内容 ......................................................................................................... 8 1.4.2 研究思路 ......................................................................................................... 9 2 冲击倾向性参数的试验研究冲击倾向性参数的试验研究 .................................................................................... 11 2.1 冲击倾向性参数 .................................................................................................. 11 2.2 BIM、屈服量与屈服度 ........................................................................................ 12 2.2.1 BIM 简介 ........................................................................................................ 12 2.2.2 屈服量的定义 ............................................................................................... 13 2.2.3 屈服度的定义 ............................................................................................... 14 2.3 试验结果分析 ...................................................................................................... 14 2.3.1 单轴压缩试验结果 ....................................................................................... 14 2.3.2 冲击倾向性分析 ........................................................................................... 17 2.3.3 BIM 与屈服度关系 ........................................................................................ 19 2.3.4 屈服度的冲击倾向性评价 ........................................................................... 21 2.4 本章小结 .............................................................................................................. 22 3 浸泡对岩石冲击倾向性的影响浸泡对岩石冲击倾向性的影响 ................................................................................ 25 3.1 试验设计 .............................................................................................................. 25 3.1.1 试样的采集与制备 ....................................................................................... 25 3.1.2 试验设备及方法 ........................................................................................... 26 3.1.3 试验方案 ....................................................................................................... 27 3.1.4 四种岩样介绍 ............................................................................................... 28 万方数据 VI 3.2 单轴压缩岩样力学参数分析 ............................................................................... 29 3.2.1 干燥岩样单轴压缩 ........................................................................................ 29 3.2.2 泡水岩样单轴压缩 ........................................................................................ 31 3.2.3 单轴压缩强度及弹性模量变化 .................................................................... 33 3.3 岩石试样的单轴压缩破坏 ................................................................................... 34 3.3.1 理论分析 ........................................................................................................ 34 3.3.2 干燥及含水岩石试样破坏形态 .................................................................... 35 3.4 冲击倾向性结果 ................................................................................................... 38 3.4.1 数据分析 ........................................................................................................ 38 3.4.2 冲击倾向性分类 ............................................................................................ 40 3.5 本章小结 ............................................................................................................... 41 4 围压对岩石冲击倾向性的影响围压对岩石冲击倾向性的影响 ................................................................................. 43 4.1 引言 ....................................................................................................................... 43 4.2 试验方案及结果 ................................................................................................... 43 4.2.1 试验方案 ........................................................................................................ 43 4.2.2 常规三轴压缩结果 ........................................................................................ 44 4.3 变形特征 ............................................................................................................... 45 4.4 强度特征 ............................................................................................................... 49 4.4.1 强度与围压的关系 ........................................................................................ 49 4.4.2 五种强度准则 ................................................................................................ 50 4.4.3 拟合结果 ........................................................................................................ 51 4.5 围压对冲击倾向性影响 ....................................................................................... 55 4.5.1 试验数据 ........................................................................................................ 55 4.5.2 围压对 BIM，KE的影响 .............................................................................. 56 4.5.3 围压对屈服量及屈服度的影响 .................................................................... 57 4.6 本章小结 ............................................................................................................... 58 5 岩石冲击倾向性的尺寸效应岩石冲击倾向性的尺寸效应 ..................................................................................... 61 5.1 引言 ....................................................................................................................... 61 5.2 试验方案及结果 ................................................................................................... 61 5.2.1 试验方案 ........................................................................................................ 61 5.2.2 试验结果 ........................................................................................................ 62 万方数据 VII 5.3 高径比对力学参数的影响 .................................................................................. 65 5.4 高径比对冲击倾向性的影响 .............................................................................. 69 5.4.1 试验数据 ....................................................................................................... 69 5.4.2 高径比与 BIM 的关系 .................................................................................. 71 5.4.3 高径比与 ES、KE的关系 ............................................................................. 72 5.4.4 高径比与屈服量、屈服度的关系 ............................................................... 73 5.5 本章小结 .............................................................................................................. 75 6 结论与展望结论与展望 ................................................................................................................ 77 6.1 结论 ...................................................................................................................... 77 6.2 展望 ...................................................................................................................... 78 参考文献参考文献 ........................................................................................................................ 79 作者简历作者简历 ........................................................................................................................ 85 学位论文数据集学位论文数据集 ............................................................................................................ 87 万方数据 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 研究意义及目的 确保深部能源和矿产资源的安全及充分开发是我国能源战略安全所关注的重 要问题之一，也是我国国民经济不断发展的保障。由于目前国内外对能源的需求 日益增加，且开采强度不断增强，浅部资源日益减少，造成许多矿山均处于深部 开采的状态。由于对矿山深度开采程度不断增加，因而造成的灾害也日趋增多， 例如冲击地压、煤与瓦斯突出等，从而对深部资源进行高效开采造成重重困难。 因而，深部资源开采过程中所产生的岩石力学问题已成为国内外专家研究的重点 [1]。深部是指随着开采深度增加，工程岩体开始出现非线性力学现象的深度及其 以下的深度区间，把位于该深度区间的工程称为深部工程[2]。高地应力引起的冲 击灾害是造成深部开采工程不能有效进行的重要原因之一。冲击地压或岩爆 （Rock Burst）是地下工程中的一种特殊现象，具有围岩突然、猛烈地向开挖空 间弹射、抛掷、喷出的特征[3-5]。 冲击地压是一个世界性的现象。无论是煤矿、金属矿山、交通隧道、地下水 电站、地下国防工程、地下储油库，还是地下核废料处理工程，都有不同程度的 冲击问题[6]。在采矿方面，印度的 Kolar 金矿于 1900 年首次观察到冲击；随后世 界上约有 23 个国家和地区在开采时发生冲击现象[7]。据统计，波兰在 19491982 年共发生破坏性冲击地压 3097 次，造成 401 人死亡，12 万米井巷被破坏；德国 鲁尔煤矿 1910-1978 年，发生破坏性冲击地压 283 次，冲击深度 590-1100 m[8]。 我国抚顺胜利矿于 1933 年最早发现冲击地压，在 1933-1996 年的 60 多年间，共 有 36 个矿井累计发生过 4000 余次破坏性的冲击地压， 造成人员伤亡， 巷道破坏， 经济损失。1999 年，17 处大中型煤矿就发生 1377 次，震级最大达里氏 4 级。在 我国山西大同主产煤区，许多矿发生不同程度煤爆现象[9]（冲击地压） 。我国金属 矿山的冲击主要集中在铜矿，例如抚顺红透山铜矿、冬瓜山铜矿等。抚顺红透山 矿自 1976 年已发生轻微冲击，但由于不断地进行开采，1999 年发生比较强烈的 冲击，距地表约 900 米[10]。冬瓜山矿的围岩主要为大理岩、粉砂岩、石英闪长岩 等，在-790 -830 m 发生冲击破坏[11]。随着我国对矿产开采深度的增加，冲击 地压（岩爆）次数越来越频繁，灾害日趋严重[12]，破坏现象如图 1-1 所示。 万方数据 河南理工大学硕士学位论文 2 （a） （b） 图图 1-1 冲击地压（岩爆）冲击地压（岩爆）现象现象 Fig.1-1 Phenomenon of rockburst 1.2 冲击倾向性研究现状 上世纪 60 年代，我国开始了对冲击地压（岩爆）的研究。主要的科研单位是 煤炭类高校和一些具有高冲击倾向性的矿务局。 步入 21 世纪后， 我国工业化进程 的需要，煤炭行业发展迅速，并且深部开采资源已经成了不可避免的趋势。动力 灾害有效防治系统及机理研究成为了国家重点科技攻关项目进行了有针对性的研 究， 并列入国家自然科学基金优先资助领域。 同时， 一大批高等院校及科研院所， 如中南大学、中国矿业大学等高校和煤炭企业研究院加入到了矿山冲击灾害的研 究队伍中来。 国内外学者在岩石冲击倾向性评价方面提出了许多参考指标。关于应变型岩 爆，南非人 Ortlepp[13]提出用工程岩体未开挖前的原岩最大主应力 σ1与岩石单轴 抗压强度 σc之间的关系来判断冲击倾向性。 1 σ0.25 0.5σc （1-1） 为了便于工程实际应用， 采用工程围岩周围最大主应力 σs与 σc的比值作为冲 击倾向性的判据。谢学斌等[14]在研究了冬瓜山典型矿岩的冲击倾向性后也提出了 硬岩冲击倾向性的最大主应力判据。 σ /σ0.2 sc  几乎不发生冲击 0.2σ /σ0.388 sc  可能发生冲击 0.388σ /σ0.55 sc  非常可能发生冲击 σ /σ0.55 sc  几乎肯定发生冲击 冲击倾向性是产生冲击的矿岩体的固有属性， 决定了其产生动态破坏的能力， 万方数据 1 绪论 3 是发生岩爆的内因，也是必要条件。冲击倾向性判据[15]是国内目前最广泛采用的 冲击倾向性的预测方法，它主要包括弹性能指数 Wet、冲击能量指数 KE、动态破 坏时间 Dt。 采用弹性能指数时， 5.0 et W  强烈冲击倾向性 2.05.0 et W 中等冲击倾向性 2.0 et W  无冲击倾向性 采用冲击能量指数时， 2.0 E K  强烈冲击倾向性 1.02.0 E K 中等冲击倾向性 1