冲击扰动下细砂岩岩块动力响应随机特性研究.pdf

辽宁工程技术大学 硕士学位论文 浊者扰动王绷砂岩岩热动力．响虞随机特性研．究 K e s e a r C n0 nl J V n a m l CK e S D 0 n S eK a n n o mU n a r a C t e r I S l l C S Ⅲ川Ⅲ川川⋯⋯ⅢⅢ⋯川●●●■⋯川川川⋯⋯Ⅲ川Ⅷg k Ⅲ⋯⋯Ⅲ⋯⋯Ⅲ⋯⋯⋯⋯⋯川⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯川⋯⋯●● o fF i n eS a n d s t o n eB l o c k sU n d e rS h o c kD i s t u r b a n c e 作者姓名王猛 指导教师苏荣华教授 学科专业工程力学 二。一五年十二月 万方数据 分类号0 3 2 T U 4 5 U D C5 3 1 ．3 学校代码 1 0 1 4 7 密级公开 硕士学位论文 浊击拢动王．细礁卷岩抉动．力廊应随机特 性研疯 J 8 I 肫牌置￡鱼．Q 觋．胁J 9 I 璺熙№．熙曼触娶鳇．取熙A Q 熙 C h a r a c t e r i s t i c so fF i n eS a n d s t o n eB l o c k su n d e rS h o c k 作者姓名王猛 指导教师苏荣华教授 申请学位工学硕士 学科专业工程力学 研究方向岩土力学 辽宁工程技术大学 万方数据 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝工捏技本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝工程技本太坐保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名星弛 oj 多年／2 月弘日 导 万方数据 致谢 本文是在导师苏荣华教授的悉心指导下完成的。论文完成期间，导师不仅对我的论文 严格要求，还会引导我学会解决一些具体问题的方法，让我在整体上把握论文的科学写作 方法。导师渊博的知识以及求真务实的科学态度使我深受感染。导师不仅在学习上教导和 帮助我，在生活中也给以我无微不至的关怀，支持并帮助我，使我在研究生期间有着良好 的学习环境和乐观的生活态度。在研究生学习生活即将结束之际，谨向悉心教导我的导师 致以崇高的敬意和诚挚的感谢 衷心感谢力学与工程学院的所有老师对我的指导与帮助 衷心感谢力学研1 3 班全体同学，特别是7 舍3 2 6 的室友们，感谢他们对我的帮助与 支持 衷心感谢沈洪爽师姐、刘伟师兄、刘晓林、王莹、马壮、周佳等，谢谢他们的帮助与 支持，让我顺利地度过研究生阶段 感谢国家自然科学基金面上项目“随机扰动下深部采场煤岩结构时变模型及响应规律 研究“ 5 1 4 7 4 1 2 0 对本人研究的资助 衷心感谢参考文献的所有作者以及所阅览其它参考书籍的作者们 最后衷心感谢百忙之中抽出宝贵时间评阅论文以及参加答辩的各位专家评委 万方数据 摘要 我国煤炭开采随着开采深度加深、开采强度加大、地质环境变得尤为复杂，由此产生 的动力灾害急剧增多、增强。煤矿开采过程中顶板破断、断层错动、放顶、打钻、爆破等 开采扰动均会造成煤层项板剧烈振动，其响应形式伴随较大随机性。 本文以煤层顶板细砂岩岩块为研究对象，对细砂岩岩块进行动力学响应实验， 采用时域和频域分析方法，通过引入相对均差系数这一无量纲量来定量描述细砂岩 岩块动力响应特性随机性。结果表明细砂岩岩块激励与响应的传递在l O H z ～l O O H z 频段内具有较好线性相关性；细砂岩岩块在随机冲击扰动条件下，功率传递比均值 离散程度小于加速度传递比均值离散程度，采用功率传递比系数评判细砂岩动力响 应特性相比于加速度传递比系数更为稳定；对比单一频率点和一窄频带内细砂岩岩 块激励与响应传递比相对均差系数，可知两者数值上近似相等；同时，通过加速度 功率谱密度分析得出三块形状相近、尺寸不同的细砂岩岩块在相同峰值频率处，功 率谱密度传递比系数随着岩块体积增大而增大，功率传递比相对均差系数的均值略 有差异。 通过分析得出细砂岩岩块频域响应特性随机性规律，该研究成果为以后深部采场煤岩 结构的动力学研究提供一定参考。 关键词冲击扰动；细砂岩；动力响应；功率谱密度；随机性 万方数据 A b s t r a c t W i t ht h ei n c r e a s eo fm i n i n gd e p t ha n ds t r e n g t h ，t h eg e o l o g i c a le n v i r o n m e n tb e c o m e s p a r t i c u l a r l yc o m p l e x ，w h i c hh a sc a u s e ds h a r pi n c r e a s ea n de n h a n c e m e n ti nd y n a m i c d i s a s t e r s ．M i n i n gd i s t u r b a n c e sl i k er o o ff r a c t u r e ，f a u l tm o v e m e n t ，r o o fc a v i n g ，d r i l l i n g a n db l a s t i n gw il lc a u s eas e v e r ev i b r a t i o no fs e a mr o o f ． A d o p t i n gt h ea n a l y t i cm e t h o di nt h et i m ed o m a i na n dt h ef r e q u e n td o m a i ni n t h i s p a p e r ，e x p r i m e n ts t u d yo nd y n a m i cr e s p o n s eo fr o o ff i n es a n d s t o n ew a sc a r r i e do u t ，a n d t h ed y n a m i cr e s p o n s er a n d o mc h a r a c t e r i s t i c s f o rf i n es a n d s t o n ew a sd e s c r i b e db y d i m e n s i o n l e s sq u a n t i t i e so fr e l a t i v em e a nv a l u ed e v i a t i o nf a c t o r ．T h e s er e s u l t ss h o wt h a t t h ef i n es a n d s t o n er o c ke x c i t a t i o nh a sg o o dl i n e a rc o r r e l a t i o n w i t hi t s r e s p o n s e t r a n s f e ri nt h e10 10 0H zf r e q u e n c yr a n g e ；U n d e rt h ec o n d i t i o no fr a n d o ms h o c k d i s t u r b a n c e ，t h ep o w e rt r a n s f e rr a t i oi sl e s st h a na c c e l e r a t i o nt r a n s f e rr a t i oi nt e r m so f d i s c r e t ed e g r e e ，w h i c hs h o wt h a ti t ’Sm o r es t a b l eb yu s i n gp o w e rt r a n s f e rr a t i ot h a n a c c e l e r a t i o nt r a n s f e rr a t i ot oe v a l u a t ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ff i n es a n d s t o n e ；T h e r e s u l t sa r es i m i l a ri nv a l u e ，c o m p a r e ds i n g l ef r e q u e n c yp o i n tw i t han a r r o wf r e q u e n c y b a n do fr e l a t i v em e a nv a l u ed e v i a t i o nf a c t o rf o re x c i t a t i o nt r a n s f e rr a t i oa n dr e s p o n s e t r a n s f e rr a t i oo ff i n es a n d s t o n e ．A st h ev o l u m ei n c r e a s e s ，i t ’Sc l e a r l yt h a tp o w e rs p e c t r a l d e n s i t yt r a n s f e rr a t i oi n c r e a s e sa tt h es a m ep e a kf r e q u e n c y ，a n dt h em e a n so fr e l a t i v e m e a nv a l u ed e v i a t i o nf a c t o rf o rp o w e rt r a n s f e rr a t i oh a v eal i t t l ed i f f e r e n c e ． T h i sp a p e rh a sa n a l y z e dr a n d o m n e s so ff i n es a n d s t o n ef r e q u e n c yr e s p o n s e B a s e dt h e r e s e a r c hr e s u l t s ，i tc a ng i v es o m er e f e r e n c et ot h ed y n a m i cr e s e a r c ho nc o a ls t r u c t u r e si n d e e ps t o p e ． K e yW o r d s s h o c kd i s t u r b a n c e ；f i n es a n d s t o n e ；d y n a m i cr e s p o n s e ；p o w e rs p e c t r a l d e n s i t y ；r a n d o m n e s s - I I 万方数据 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 选题背景及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 岩石动力学研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 岩石力学随机性研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 研究内容和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 ．3 ．1 论文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 细砂岩岩块动力响应特性实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．1 细砂岩基本力学参数测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 ．1 实验设备与试样⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 ．2 实验过程及结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 细砂岩岩块冲击响应实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．2 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．12 2 ．2 ．2 实验设备、原理及流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．3 力谱及相干系数分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．2 ．4 加速度响应幅值谱分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．2 ．5 功率谱密度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 不同尺寸岩块动力响应特性对比实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．3 ．1 实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．3 ．2 实验设备与流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 2 ．3 ．3 实验结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 细砂岩岩块动力响应特性随机性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 万方数据 3 ．1 相对均差系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．2 扰动力随机性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 3 ．3 加速度响应随机性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 3 ．3 ．1 峰值频率点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．3 ．2 峰值窄带内⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 3 ．4 功率谱密度随机性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．4 ．1 峰值频率点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 3 ．4 ．2 峰值窄带内⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 3 ．5 岩石尺寸对响应随机性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 4 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5l 4 ．1 本文主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 l 4 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5l 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 作者简历⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 学位论文数据集⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 8 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 绪论 1 ．1 选题背景及研究意义 我国是典型的富煤少油、气国家，是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭 作为主体能源，其比例一直保持在7 0 ％左右。在今后相当长的时期内，煤炭作为我 国主体能源的格局将不会改变。到2 0 5 0 年煤炭在我国能源消费中仍将达到5 0 ％1 1 ．2 】。 目前我们有1 1 0 0 0 个煤矿，有5 8 0 万名煤矿工人，每时每刻都有近两百万人在地下 巷道里作业。安全生产问题是煤矿的一个老大难问题，也是整个国家安全生产的重 中之重【3 】。 煤炭作为一种不可再生能源，一旦消耗，在有限时间内将不能再生。随着社会 的进步与发展，机械化设备得到广泛应用，这极大增加了能源的需求。改革开放以 来，为了满足经济社会发展的需求，我国加大了煤炭资源开发力度。经几十年大规 模开采，浅部资源几近枯竭，目前平均采深己达6 0 0 m 左右，且每年以8 ～1 2 m 的速 度延伸。如兖州赵楼煤矿采深己达9 6 0 m 、北票冠山煤矿采深为1 0 5 9 m 、阜新王 营子矿采深达1 1 0 0 m 、开滦赵各庄矿采深为l1 5 9 m 、新汉华丰煤矿采深已达1 3 5 0 m ， 预计在未来2 0 年里，我国多数煤矿将进入1 0 0 0 m 到1 5 0 0 m 的开采深度【2 】。 随着开采深度加深、开采强度加大、开采布局变得复杂，围岩所处应力状态逐 渐恶化，由此产生的动力灾害急剧增多、增强。煤矿开采是对煤岩应力场的强扰动 过程。原岩应力平衡打破后，应力分布将经历动态调整以取得新平衡。当煤岩体中 的弹性应变能释放受阻，产生局部集中时，能量集中释放将产生强烈矿震现象，如 顶板破断、断层错动、煤炮等。煤矿开采的人为扰动也是动力灾害发生的主要原因 之一，如机组割煤、放顶、打钻、爆破等。煤矿开采不可避免存在动载扰动，并伴 随较大随机因素，同时，动静载叠加作用是深部动力灾害发生的根本原因【2 】。 以前发生过动力灾害的矿井，动力灾害更加严重，以前没发生过的矿井，逐渐 开始产生动力现象显现。例如沈阳红阳三矿出现的动力现象显现，造成巷道前进 的左帮煤体有整体位移迹象，如图1 ．1 所示。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图1 ．1沈阳红阳三矿矿震后巷道 F i g ．1 ．1 M i n er o a d w a ya f t e ra ne a r t h q u a k e 在深部煤矿开采中，外界扰动诱发的动力灾害频繁出现，全国各地区煤矿均有 此类现象发生，例如在门头沟矿11 4 次动力灾害中，由放炮诱发的动力灾害高达 8 9 次，占7 8 ％；在陶庄煤矿放炮诱发的动力灾害占6 0 ％；城子煤矿1 2 次最严重的 动力灾害中放炮诱发10 次，占8 3 ％；七台河桃山煤矿发生的6 0 次动力灾害中，由 卸压爆破、机组割煤、打钻等动力扰动诱发5 6 次，占总次数的9 3 ％t 2 ，4 1 。 因此，研究冲击扰动条件下深部采场煤岩体的动力学响应规律，能够进一步揭 示扰动条件下动力灾害现象的发生机理，对于预测动力灾害现象的发生和防治具有 重要的指导作用。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 岩石动力学研究进展 岩石力学从广义上讲可分为岩石静力学和岩石动力学，它们都是以固体力学理 论为基础，更为严格的说是以弹塑性、黏弹塑性力学为其理论基础，它们之间的主 要差别就是荷载形式不同【5 6 】。 在2 0 世纪6 0 年代初湖北大冶铁矿进行的爆破动力效应试验是我国最早的岩石 动力学研究，从1 9 6 5 年我国防护工程组的“防护工程问题的研究”国家重点项目 开始，我国全面展开了岩石动力学问题的研究[ 5 ．8 】。 在1 9 6 5 1 9 8 0 年之间，我国主要进行大规模的防护工程与国家安全工程现场试 验，通过测量爆炸过程中岩体内位移、速度、加速度及压力等运动参数与力学参数， 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 分析应力波在岩土中的传播与衰减规律【5 ，8 】。近些年，岩石动力学的研究在国内众多 学者的努力下在各个方面均取得了显著成果。 蔡灿等【9 】提出M a x w e l l 体、B i n g h a m 体和损伤体的并联模型，借助拉普拉斯变 换，引入基于岩石孔隙、裂隙劣化的损伤变量，导出了中低应变率下的岩石动态损 伤本构模型，并结合实验数据验证了这一模型。 谢理想等D 0 ] 采用霍布金森压杆试验系统对深井软岩材料进行动态力学性能测 试，并基于修正的过应力模型本构方程进行简化，得到简化的过应力模型本构方程 考虑动载作用下损伤对岩石动载强度的影响，建立简化的损伤型过应力模型本构方 程，使得本构模型方程适用于动态全程应力一应变曲线。 吴刚等【1 1 】基于扰动状态概念理论，通过定义相对完整状态、完全调整状态和扰 动函数，建立出能反映岩石材料破坏后区特性的本构模型；采用R M T ．1 5 0 B 型岩石 力学试验系统，对5 种岩石试样进行了单轴压缩破坏试验，得到了各种岩石的应力 ．应变全过程曲线；同时进行数值计算对比发现，建立的本构模型在一定程度上能描 述岩石破坏后区的力学特性。 钱七虎等【5 ，1 2 ] 采用理论分析的方法，就岩石及岩体的强度对于应变率的依赖关 系及其机制进行了研究，给出了考虑强度对于应变率依赖关系的摩尔一库仑准则， 确定了岩体的破坏尺寸与应变率之间的关系，并讨论了若干时间性破坏准则及其动 力强度理论的应用。 金解放等[ 13 - 1 4 ] 禾0 用动静组合加载试验装置，对不同轴压和围压下的砂岩进行循 环冲击试验，研究不同轴压和围压的岩石在循环冲击过程中动态强度和变形特性。 夏昌敬、谢和平等【1 5 】采用分离式H o p k i n s o n 压杆装置对冲击荷载下不同孔隙率 人造岩石能量耗散特性进行了试验研究。 宋义敏等【M 】采用自行研制的可调速落锤冲击试验机进行加载，数字散斑作为试 验的观测方法，进行了5 组不同预制裂纹长度的花岗岩试件在冲击载荷作用下的动 态断裂试验，得到岩石受到冲击载荷作用过程中预制裂纹尖端应力和裂纹长度的扩 展规律。 潘一山等t 1 7 1 N 用爆炸加载相似模拟试验和数字散斑观测方法，研究高速冲击载 荷作用下巷道动态破坏过程，实验结果表明高速冲击波主要沿巷道方向进行传递， 巷道顶板处变形较大，在顶板岩层与煤岩体交界处发生错动，上部岩层明显下沉， 顶板岩层受拉剪破坏，裂缝逐渐发育延伸至巷道，顶板岩体在冲击波重复作用下破 碎，进而造成巷道局部破坏或垮塌。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 李夕兵、左宇军等【1 8 ．2 s 】在动静组合加载方面，利用I n s t r o n 电液伺服材料试验机 和自制的S H P B 试验装置做出大量研究，验证了动静载荷条件下岩石失稳破坏的突 变理论模型，同时通过研究不同频率载荷、不同加载方式下岩石破坏特性，从而得 到了模型参数、载荷频率以及加载方式等诸多因素对岩石破坏的影响规律。 凌同华、李夕兵等【2 6 - 2 9 】针对爆破工程中的爆破振动信号进行分析研究。根据爆 破振动信号具有短时非平稳的特点，利用小波包分析技术对地下工程爆破振动信 号的能量分布特征进行研究，得到了爆破振动信号在不同频带上的能量分布图，最 后，分析了爆破振动信号能量的分布特征；同时，通过用基于小波分析的时能密度 法以及信号时一频域转换技术，从实测微差爆破震动信号中分离出各分段震波，通 过对比各分段震波在不同延期时间下的叠加效果，得到了微差爆破的较优微差延期 时间，从而实现了爆破震动灾害主动控制。 周小平等[ 3 0 1 提出了一种静水压力条件下动态开挖卸荷对深埋圆形洞室各向同 性围岩分区破裂化影响的力学模型，得到动态开挖卸荷条件下深埋圆形洞室围岩的 弹性应力场，确定了卸荷速率和岩体动态力学参数对深埋洞室各向同性围岩分区破 裂化现象的影响。 朱万成等【3 1 】通过数值计算手段，模拟了动态扰动触发深部巷道发生失稳破裂的 整个过程，结果表明动态扰动对巷道变形与破裂的触发与地应力状态密切相关； 动态扰动应力波的波形也是影响巷道破裂的重要因素，随着应力波幅值和应力波作 用时间的加长，动态扰动给巷道稳定性带来的影响越大。 隋斌等1 3 2 ] 通过数值计算的手段，模拟在复杂应力状态下对深部岩柱动态扰动的 力学响应，结果表明动态扰动条件下，巷道岩柱破坏与岩柱所处的地应力状态密 切相关，侧压系数越小，外界的动态扰动对其影响越大动态扰动作用的时间也是 影响巷道岩柱稳定的重要因素，随着应力波作用时间的延长，动态扰动给巷道稳定 性带来的影响将越大。 彭维红、卢爱红【3 3 】以及秦昊、茅献彪【3 4 1 采用数值模拟的方法，分别应用L S ．D M A 和U D E C 软件，模拟了动载作用下巷道围岩冲击式破坏现象，分析了顶板弹性模量、 采深及动载强度与冲击矿压之间的关系，得到动载越强诱发的冲击破坏越强烈这一 结论。 一些国外学者在岩石动力学方面的研究同样得到了较大成果。 D i g b yJP 等【3 5 】在进行岩石爆破振动、破坏的计算机模拟中论述了爆破地震波在 脆性岩石中的作用机理，认为岩石原有裂隙分布状态和加载速度是岩石动载荷下破 坏的决定因素，指出准静态加载状态下，介质破坏是最大裂隙或处于关键方向的裂 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 隙，但在量级为1 0 4 S - 1 的变形加载速度下，介质中许多随机分布的原有裂隙参与到 动力破坏过程。 M i l e vA M ，S p o t t i s w o o d eSM 等【3 6 】在南非K o p a n a n g 矿进行了井下爆破诱发冲 击矿压原位试验，证实了动载诱发冲击矿压的可能性。 J i a n gH E 等【3 7 】基于顶板破坏前后的受力状态，通过引入弹性指数，推导了顶板 破断对煤体及支护体产生的均值动载表达式，提出了综放面覆岩双向运动模式，指 出冲击矿压易发生于顶板运动下发展过程中。 G r a d y 和C h o n g 等【3 8 - 4 1 】对不同含油量的油页岩进行动态冲击实验，应变率范围 控制在1 0 一．1 0 s 一，实验结果表明油页岩的动态抗压强度随着应变率的升高而增长， 岩石试样破坏模式主要呈剪切破坏、劈裂破坏和劈裂和剪切破坏混合模式。 F r i e d m a n l 4 2 1 分别用S H P B 实验装置和液压伺服试验机对花岗岩和石灰岩进行了 应变率为1 0 1 ．1 0 3 s - 1 和1 0 - 4 ．1 0 s - 1 的单轴动态冲击实验，实验结果表明，两种岩石的破 坏强度和弹性模量都随着应变率的升高而升高。 J a n a c h l 4 3 1 研究了石灰岩和花岗岩的单轴动态冲击特性，结果表明，岩石类材料 的静态单轴抗压强度远低于其动态强度。 P r i c e 和K n i l l 【4 4 】对带圆孔石灰岩和辉绿岩圆盘试样进行劈裂拉伸实验，实验结 果表明，两种岩石的动态抗拉强度都随着应变率升高而显著升高，且石灰岩和辉绿 岩的动态抗拉强度比静态状态下分别升高了4 4 ％和1 7 ％。 C o s t i n 、W u 和B a z a n t 等【4 5 ．4 7 】通过三点弯曲实验，测量了油页岩、大理岩、花 岗岩以及灰岩四种岩石的断裂韧度，实验结果表明，当加载率小于等于1 0 4 j 幽呛√m ／s 时，岩石的断裂韧度随着加载率的升高而有较小的增长。 D o n z eFV 等【4 8 】采用数值模拟的方法，研究了动载荷脉冲对岩石径向裂纹起裂 和扩展的影响。 S a n gH oC h o 等【4 9 】采用数值模拟的方法，研究了不同炮孔压力波下的动态断裂 过程，研究结果表明压力波形的上升时间对断裂过程区的影响比延期时间大，随 着加载率的升高，径向裂纹数越多，从而加强了扩展裂纹周围的应力释放，正是邻 近裂纹的应力释放影响了裂纹的扩展进而使得裂纹传播距离更短。 S a n g h a 和D h i r [ s o l 对砂岩进行了动态压缩实验，分别考虑1 7 ．2 M P a 、3 7 ．2 M P a 、 6 8 ．9 M P a 、1 0 3 ．4 M P a 四种围压和2 ．5 1 0 - 5 S ～，2 ．5 1 0 - 3 s ～，2 ．5 1 0 - 1 s - 1 三种应变率。 结果表明，在不同的围压下，砂岩的抗压强度随应变率的增加而增加，同时三轴情 况下强度增加幅度小于单轴情况下。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 综合国内外岩石动力学研究进展来看，多数研究都是针对冲击载荷条件下岩石 破坏规律的研究，多为时程分析；然而，在频域上研究岩石受扰条件下激励与响应 之间的传递规律相对较少。 1 ．2 ．2 岩石力学随机性研究进展 国内外岩土工程分析手段主要还停留在确定性分析阶段。由于岩土介质固有而 不可磨灭的随机离散性和工程环境的多变不可预知性[ s H ，这种确定性分析模型已经 无法满足人们对认知客观世界精益求精的要求，也和人类对工程安全性的越来越高 的要求拉开差距。而以概率统计为基础的随机数值分析理论成为实现岩土工程定量 分析的重要工具【5 2 】。 在我国早期陶振宇等【5 3 】基于模糊数学的概念，提出了一个岩石工程分类的新方 法。 熊文林等【5 4 】通过对岩石力学参数试验结果的处理方法研究。提出了岩石样本是 典型的随机一模糊样本这一观点，并应用模糊数学的原理推导了岩石力学参数样本 值的随机一模糊统计公式。证明了随机统计公式是所提出的随机一模糊统计公式的 一种特例。 张玉卓【5 5 】将模糊随机过程引入岩石断裂破坏研究，认为在复杂受力环境下岩体 受损至破坏的演化服从扩散过程，进而导出了岩石模糊强度的表达式，并设计了计 算程序。通过对某矿山矿柱强度分析，证实了模糊强度理论在这一领域中。 严春风等【5 6 】应用岩土工程可靠度计算中常用的一次二阶矩 F O S M 法，以 M o h r ．C o u l o m b 准则的抗剪强度参数c ，9 为例，对各种不同分布函数概型对可靠度 指标的敏感度进行了定量分析研究，结果表明岩土工程可靠度计算中分布函数概 型引起的可靠度误差不容忽视。 张我华等【5 7 】通过岩石样品裂纹产状的统计观测信息，岩石的随机损伤状态采用 M o n t e ．C a r l o 方法来模拟，得到岩石的损伤变量满足∥概率分布用岩石损伤状态的 函数表达岩石的M o h r ．C o u l o m b 有效抗剪强度参数，据此，给出一种岩石损伤破坏 准则，该准则用有效应力、孔隙水压力和损伤状态变量来表示，并应用于岩石边坡 失稳的概率分析。 张春会等【5 8 】通过试验获得了1 0 2 组煤样的弹性模量、单轴抗压和抗拉强度，定 义了弹性模量无量纲因数、单轴抗压强度无量纲因数和抗拉强度无量纲因数及拉弹 因数比、压弹因数比5 个物理参数，同时，对试验数据进行统计分析，并以弹性模 量为基准，建立了考虑参数关联的非均质煤随机概率模型。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 在国外的一些研究中，主要针对岩土工程结构的可靠性分析。 E i n s t e i n ，M o r r i s s ，M a r t i n ，B e a c h e r ，P i t e a n ，B r o w n ，C h o w d h u r y ，N g u y e n 等 人[ 5 2 】在自己的文章中均论述了概率统计的方法在边坡工程中的重要应用。 由此可见，在岩土工程中随机分析的方法具有广泛的应用，但是，在岩石动力 学响应随机性方面的研究较少。因此，本文针对上述问题进行初探，为以后在该方 面的研究做出一定理论基础。 1 ．3 研究内容和技术路线 1 ．3 ．1 论文主要研究内容 本文对煤层顶板细砂岩岩块进行动力学响应规律及其随机性研究，主要研究内 容如下 1 通过动力学响应实验，分析基础一细砂岩岩块系统的力谱、相干系数、 加速度谱以及功率谱密度，进而研究在频域上各频率点、各窄频带内激励与响应之 间的关系。 2 通过对三块形状近似、尺寸不同的细砂岩岩块进行功率谱密度分析，研 究在受到相同冲击扰动作用条件下，岩石块体尺寸对响应值的影响。 3 通过大量样本的动力学响应实验，研究在不同分析方式、不同频率处、 不同岩石尺寸条件下，细砂岩岩块在频域上各频率点、各窄频带内动力响应特性的 随机性规律。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 ．3 ．2 技术路线 一8 - 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 细砂岩岩块动力响应特性实验研究 2 ．1 细砂岩基本力学参数测试 2 ．1 ．1 实验目的 本次实验主要为了测定动力学响应实验中所用细砂岩的力学参数，包括弹性模 量、泊松比、单轴抗压强度、黏聚力、内摩擦角及密度等常规参数。 2 ．1 ．1 实验设备与试样 1 实验所需器材主要有伺服试验机、游标卡尺等，如图2 ．1 所示。 a 压力机 b 千分尺 图2 ．1力学参数测试设备 F i g ．2 ．1E q u i p m e n t sf o rt e s t i n gm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s 2 实验试件的制作 实验中所用岩石试样均来源于沈阳红阳三矿7 煤层顶板细砂岩，为减小实验误 差在一处密集采样 与动力学实验所用试样取自一处 。根据实验室条件，顶板细 砂岩按照实验要求切割成标准试件，实验所用试件分别为5 0 m m x 5 0 m m x l O O m m 规 格和5 0 m m x 5 0 m m x 5 0 m m 规格各5 个，试件具体尺寸见表2 ．1 ，切割完成的标准试 件如图2 ．2 所示。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表2 ．1细砂岩试件尺寸 呈垒圣 邑宝 i 圣宝2 11 塾曼 呈呈 垒翌垒 1 2 翌宝 璺巴P 呈 试件编号长／r a m 宽／m m高／m m 注表中K S 表示单轴压缩实验试件，J S 表示剪切实验试件。 一蹦㈧ 蠢l 霉薰誉辫雹舞 2 ．1 ．2 实验过程及结果 图2 ．2 细砂岩试样 F i g ．2 ．2 F i n es a n d s t o n es p e c i m e n s 对细砂岩岩石试样进行单轴压缩实验，如图2 ．3 所示，实验测得细砂岩单轴抗 压强度、弹性模量及泊松比。对细砂岩岩石试样进行剪切实验，如图2 ．4 所示，实 验测得细砂岩黏聚力、内摩擦角。对细砂岩岩样质量与体积进行测量得到细砂岩的 视密度。 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 图2 ．3细砂岩单轴压缩实验 F i g ．2 ．3 U n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s to ff i n es a n d s t o n e 图2 ．4 细砂岩剪切实验 F i g ．2 ．4 S h e a rt e s to ff i n es a n d s t o n e 实验测得的细砂岩相关力学参数见表2 ．2 。 一1 1 ． 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 表2 ．2 细砂岩力学参数 T a 色兰兰 坠巴宝￡塾苎翌i ￡皇 P 坚苎垩宝 宝 12 11 1 翌宝璺呈璺 粤n e 类别组别计算值平均值 2 ．2 细砂岩岩块冲击响应实验 2 ．2 ．1 实验目的 通过对深部煤矿巷道采集的顶板细砂岩块体进行动力学响应实验，采用频域分 析方法，分析细砂岩岩块在冲击扰动条件下的动力学响应情况以及细砂岩岩块在不 万方数据 辽宁工程技术大学硕士学位论文 同频率处的能量传递情况，揭示细砂岩岩块在冲击扰动条件下激励与响应之间的传 递关系。 2 ．2 ．2 实验设备、原理及流程 1 实验设备 实验用到的主要设备包括 I N V ．8 多功能抗混滤波放大器一台、I N V 3 0 6 D 智能信号采集分析处理仪一台； 如图2 ．5 所示高弹性聚能激励力锤，如图2 ．6 a 所示；传感器 若干 ，如图 2 ．6 b 所示D A S P 数据采集和信号处理软件一套；笔记本电脑一台1 5 9 ] 。 图2 ．5信号