围压状态下砂岩动态力学性能试验研究.pdf

中图分类号 型签墨曼 学科分类号 生生鲍Q 论文编号 密级公珏 安徽理工大学 硕士学位论文 围压状态下砂岩动态力学性能试验研究 作者姓名整狂 专业名称建筑皇丕工程 研究方向鲞王猩 导师姓名壬堕 导师单位塞邀理王太堂 答辩委员会主席汤玉翅 论文答辩日期2 0 1 6 年5 月3 1 日 安徽理工大学研究生院 2 0 1 6 年5 月3 1 日 万方数据 AD i s s e r t a t i o ni nA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g E x p e r i m e n t a lS t u d yo nD y n a m i cM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so f S a n d s t o n eU n d e r C o n f i n i n gP r e s s u r e C a n d i d a t e S u p e r v i s o r L u oX u a n P i n gQ i S c h o o lo fC i v i lE n g i n e e r i n ga n dA r c h i t e c t u r e A n H u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n d T e c h n o l o g y N o ．1 6 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 以外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得塞徽翌王太堂或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 盛纽 签字日期k “年占月，／日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徽理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理王太堂。学校有权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。本人授权安徽理王太堂可以 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、汇编学位论文。 保密的学位论文 在解密后适用本授权书 ．、，． 学位论文作者签名 监聱签字日期竺堕年上月一上丘日 导师签名签字日期必芝月』之日 万方数据 摘要 摘要 随着人类对地下资源和地下空间不断开发利用，岩土工程的发展越来越快。 目前岩石在常态下的动态力学特性的研究成果丰硕，并在实际工程中得到广泛应 用。岩石力学研究中，冲击荷载作用下岩石的稳定与破坏的问题，仍是一个富有 挑战性的课题。在众多工程研究领域中，不论是地热的开发和利用、巷道的支护、 煤矿中岩石的爆破作业，还是在城市圈大深度地下空间的开发和利用等所处的地 质环境中，岩体均处在一定的高地应力环境中。因此，模拟高地应力环境，开展 围压状态下砂岩动态力学性能试验研究，具有十分重要的意义。 本文以安徽淮南矿区谢李大井深部开采为工程背景，确定了煤矿巷道开挖工 程中最常见的砂岩为试验研究目标。并利用静态力学试验系统进行了静态力学试 验，在对岩石进行动态力学试验研究时重点利用直锥变截面分离式H o p k i n s o n 压 杆及改造升级的主动围压试验装置。主要研究内容和成果如下 1 测试了岩石的基本物理性质，利用静态力学实验装置开展砂岩试件的劈 裂拉伸试验和单轴压缩试验等，分析了岩石试件的破坏形态和强度特征。 2 开展了砂岩在冲击荷载作用下的单轴压缩和劈裂拉伸试验，对比分析了 试件在冲击气压分别为0 ．3 、0 ．4 、0 ．5 、0 ．6 、0 ．7 M P a 时，开展了岩石试件的动态 强度和应变率效应。 3 开展了围压等级分别为l 、2 、3 、4 、5 M P a 下砂岩试件的破坏形态，并 分析了应力波形图和应变率效应，得出其抗压强度随着围压的增大而增大。开展 了冲击气压分别为0 ．3 、0 ．4 、0 ．5 、0 ．6 、0 ．7 M P a 下砂岩试件的强度特征和破坏形 态。 图4 3 表9 参7 2 关键词深部岩石；岩石动力学；主动围压；应变率效应；S H P B 分离式霍普 金森压杆 ； 分类号T U 4 5 8 ．3 万方数据 一．塞丝堡三丕堂亟主堂鱼迨窒 _ _ 一一 Ⅱ 万方数据 A b s t r a c t A b s t r a c t W i t ht h ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no fu n d e r g r o u n dr e s o u r c e sa n du n d e r g r o u n d s p a c e ，t h ed e v e l o p m e n to fg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gi sb e c o m i n gm o r ea n dm o r ef a s t ． A tp r e s e n t ，t h er e s e a r c ho nt h ed y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c ku n d e rn o r m a l c o n d i t i o ni sf r u i t f u l ，a n di ti s w i d e l yu s e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n g ．I nr o c km e c h a n i c s ， t h ep r o b l e mo fs t a b i l i t ya n df a i l u r eo fr o c ku n d e ri m p a c tl o a di ss t i l lac h a l l e n g i n g p r o b l e m ．I nm a n ya r e a so fe n g i n e e r i n gr e s e a r c h ，r e g a r d l e s so fg e o t h e r m a ld e v e l o p m e n t a n du t i l i z a t i o n ，r o a d w a ys u p p o r t i n g ，c o a lm i n er o c kb l a s t i n go p e r a t i o n ，o ri nt h ec i t y c i r c l ed e e pu n d e r g r o u n ds p a c ed e v e l o p m e n ta n du t i l i z a t i o no f g e o l o g i c a le n v i r o n m e n t a n dr o c km a s sa r ei nah i g hs t r e s se n v i r o n m e n t ．T h e r e f o r e ，i ti so f g r e a ts i g n i f i c a n c et o s t u d yt h ed y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs a n d s t o n eu n d e rt h ec o n d i t i o no fh i g h g r o u n ds t r e s sa n ds i m u l a t et h eh i g hg r o u n ds t r e s se n v i r o n m e n t ． T h eA n h u iH u a i n a nm i n i n ga r e aX i eL iD a j i n g d e e pm i n i n ge n g i n e e r i n g b a c k g r o u n dt od e t e r m i n et h ec o a lm i n er o a d w a ye x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gi st h em o s t c o m m o ns a n d s t o n ea sr e s e a r c ht a r g e t ．A n dt h es t a t i cm e c h a n i c a lt e s ts y s t e mf o rt h e s t a t i cm e c h a n i c a lt e s t sw e r ec a r r i e do u t ，i nt h er o c kd y n a m i cm e c h a n i c a lt e s tr e s e a r c h f o c u s e sO i lt h eu s eo fs t r a i g h tt a p e rs e c t i o ns p l i tH o p k i n s o np r e s s u r eb a ra n du p g r a d i n g a c t i v ec o n f i n i n gp r e s s u r et e s td e v i c e ．T h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea s f o l l o w s 1 T h eb a s i cp h y s i c a lp r o p e r t i e so ft h er o c ka r et e s t e d ，a n dt h et e n s i l et e s ta n d u n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s t so fs a n d s t o n es p e c i m e n sa r ec a r r i e do u tb ys t a t i cm e c h a n i c s e x p e r i m e n t ． 2 T oc a r r yo u tt h es a n d s t o n eu n d e ri m p a c tl o a d i n gu n i a x i a lc o m p r e s s i v ea n d s p l i t t i n gt e n s i l et e s t ，c o m p a r i s o na n da n a l y s i so ft h es p e c i m e ni nt h ei m p a c tp r e s s u r e 0 ．3 ，0 ．4 ，0 ．5 ，0 ．6 ，0 ．7M P ar e s p e c t i v e l y , t oc a r r yo u tt h er o c ks p e c i m e no ft h ed y n a m i c s t r e n g t ha n ds t r a i nr a t ee f f e c t ． 3 T h ef a i l u r em o d e so fs a n d s t o n es p e c i m e n su n d e rc o n f i n i n gp r e s s u r ew e r e 3 ，4a n d5 M P a ，r e s p e c t i v e l y , a n dt h es t r e s sw a v e f o r md i a g r a ma n ds t r a i nr a t ee f f e c t w e r ea n a l y z e d ，a n dt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t hi n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fc o n f i n i n g p r e s s u r e ．T h es t r e n g t hc h a r a c t e r i s t i c sa n df a i l u r em o d e so fs a n d s t o n es p e c i m e n su n d e r t h ei m p a c tp r e s s u r eo f0 ．3 ，0 ．4 ，0 ．5 ，0 ．6 ，0 ．7 M P aw e r ec a r r i e do u t ． I I I 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 F i g u r e4 3 t a b l e9 r e f e r e n c e s7 2 K e y w o r d D e e pr o c k ；D y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；A c t i v ec o n f i n e m e n t ；s t r a i nr a t e ； S H P B s p l i tH o p k i n s o np r e s s u r eb a r ； C h i n e s eb o o kc a t a l o g T U 4 5 8 ．3 I V 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I l绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1 研究背景和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1 深部岩体研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 岩石动态力学性能研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 研究目的、内容与方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 ．3 ．1 研究目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 。2 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．3 ．3 研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 深部岩石的基本力学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．1 概述⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 岩石试件的加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2 ．1 岩石试件的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．2 ．2 岩石试件的加工⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．3 岩石的基本物理性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 岩石密度⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．2 弹性纵波波速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．4 岩石试件静态力学试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯15 2 ．4 ．1 单轴抗压强度试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．4 ．2 巴西圆盘劈裂试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 3 岩石S H P B 实验技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 3 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2S H P B 试验装置及其基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 ．1S H P B 试验装置概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 3 ．2 ．2S } 玎 B 试验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．2 ．3 变截面杆S H P B 试验装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 常规S H P B 动态力学性能试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 4 ．1 概j 述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 3 V 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 4 ．2 岩石单轴冲击压缩试验与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 4 ．3 岩石动态拉伸力学性能试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 8 4 - 3 ．1 圆盘劈裂拉伸试验原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．2 劈裂拉伸试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．3 ．3 劈裂破碎形态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 4 ．3 ．4 抗拉强度的应变率效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 。4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 5 围压状态下S H P B 试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．1 概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 5 ．2 围压装置介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．3 围压状态冲击试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．3 ．1 围压对砂岩的抗压强度影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．3 ．2 冲击速度对砂岩的抗压强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 V 1 万方数据 C o n t e n t s C o n t e n t s A b s t r a c t C h i n e s e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t E n g l i s h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I I lT h ei n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1T h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 ．2R e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．2 ．1R e s e a r c hs t a t u so fd e e pr o c km a s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2S t u d yo nd y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3R e s e a r c hp u r p o s e ，c o n t e n ta n dm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．1R e s e a r c ho b j e c t i v e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“6 1 ．3 ．2R e s e a r c hc o n t e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 ．3 ．3R e s e a r c hm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 2B a s i cp h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fd e e pr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．1S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2D e s i g na n d p r o c e s s i n go f r o c ks p e c i m e n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．1D e s i g no f r o c ks p e c i m e n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”8 2 ．2 ．2P r o c e s s i n go fr o c ks p e c i m e n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．3W a v ei m p e d a n c eo fr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．3 ．ID e t e r m i n a t i o no fs p e c i m e nd e n s i t y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”1 2 2 ．3 ．2D e t e r m i n a t i o no fe l a s t i cl o n g i t u d i n a lw a v ev e l o c i t y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．4S t a t i cm e c h a n i c a lt e s to fr o c ks p e c i m e n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．4 ．1U n i a x i a lc o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 。4 ．2D i s cs p l i t t i n gt e n s i l et e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 E x p e r i m e n t a lt e c h n i q u eo fr o c kS H P B ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．IS u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3 ．2S H P Bt e s td e v i c ea n di t sp r i n c i p l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 3 ．2 ．1S H P BS u m m a r yo ft e s te q u i p m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“18 3 ．2 ．2S H P BT e s tp r i n c i p l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 9 4 D y n a m i cm e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s to f r o c kS H P B ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．1S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．2U n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s to fr o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 4 ．3T e s td a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 万方数据 4 ．4D y n a m i ct e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f r o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．4 ．IP r i n c i p l eo fd i s cs p l i t t i n gt e n s i l et e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一j ， 4 ．4 ．2S p l i t t i n gt e n s i l et e s tr e s u l t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 4 ．4 ．3M o 印h o l o g i c a la n a l y s i so fs p l i tf r a c t u r e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．4 ．4S t r a i nr a t ee g - e c to nt e n s i l es t r e n g t h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．5S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 5 C o n f i n i n gp r e s s u r ec o n d i t i o nS H P B t e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯”4 l 5 ．1S u m m a 拶⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“4 l 5 ．2I n t r o d u c t i o no fc o n f i n i n gp r e s s u r ed e v i c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．3C o n f i n i n gp r e s s u r es t a t ei m p a c tt e s t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯“4 4 5 ．3 ．1E f r e c to fc o n f i n i n gp r e s s u r eo nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f s a n d s t o n e ⋯⋯⋯4 7 5 ．3 ．2I m p a c to fi m p a c tv e l o c i t yo nt h ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho f s a n d s t o n e ⋯⋯⋯5l 5 。4s l m l m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6C o n c l u s i o na n dP r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．1C o n c l u s 幻n 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部主要矿井开采深度均达．8 0 0 - - 一．1 0 0 0 m 。如沈阳采屯矿开采深度为．11 9 7 m 、开滦 赵各庄矿开采度为．1 1 5 9 m 、徐州张小楼矿开采深度为．1 l O O m t 2 l 。有的南非地区的 金属矿的开挖深部已经达到．6 0 0 0 m 左右。深度达到几千米的煤矿深井下，有围压 作用的岩石应力可达数十兆帕，温度亦升到7 0 , - 一8 0 4 C ，高压高温的环境使得深井 下埋藏的岩石的力学性能和浅层岩石的力学性能表现出较强的差异性。 当前国内巷道掘进量每年达到1 2 0 0 0 多千米。钻爆法是煤矿深层硬岩巷道开 挖的主要方式，破岩的重要方式是爆破，也可以说是唯一方式【3 】。爆破依1 日是沿 途开挖的最具备经济效益、最广泛使用的一种方法，并且在以后相当长时间内这 种趋势不会发生太大的变化。巷道掘进爆破在开挖过程中，近区岩体 如围岩 扰动是无法避免的。伴随挖掘深度的不断增加，深部岩体承受的地应力会逐渐增 加，这将使岩石力学性质出现变化。所以，在深部开挖时，一定要确保爆破参数 1 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 设计的合理，而且怎样确保深部工程围压的稳定性，保证设计支护结构的合理性 以及如何减少灾害事故已经变成问题的关键所在，也引发了许多专家学者对此的 重视。因而，化解这种重大工程当中的关键难题，就应该对与之相对应的深部岩 体的有关理论进行突破及创新。 现代工业化发展的背景下，人们对能源需求有所增加并且不断地开采资源， 进而导致浅部资源逐渐减少，国内外矿山进入了深部资源开采状抖4 】。未来1 0 年 我国煤矿深部开采的问题变得更加严峻，如今煤矿开采深度以每年1 0 “ - 2 5 m 的 速度增加【s 】。值得一提的是，安徽、山东、河南等煤田即将建设大量新矿井，这 些矿井穿越的不稳定表土层厚达．4 0 0 “ - “ ．7 0 0m ，巷道位于地下．6 5 0 “ ～．1 0 0 0 m 。深 部岩体因受到高地应力、特别是侧向高应力的作用变得与浅部岩石不同睁8 1 。深部 高应力岩巷的岩石强度有所增加，岩体被高压至变形，爆破对围岩产生的破坏程 度加重，甚至会导致岩爆灾害【9 】。所以，根据岩石力学特性，煤矿安全高效生产 离不开对适用于深部岩巷的掘进爆破参数的研究。但是事实上，很多深部岩石动 力学的相关研究成果主要集中在金属矿山和水利水电等方面，而对煤矿岩石动力 学，特别是煤矿深部岩石动力学需要进一步研究[ 如】。因此，结合我国煤矿资源开 采现状，要想保证我国煤矿资源的正常供给，深入开展煤矿深部岩石动态力学特 性基础理论研究具有重要的理论意义和实用价值。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 深部岩体研究现状 国外从上世纪8 0 年代初期已经开始对煤矿深部开采中的问题进行研究【】。 1 9 8 3 年，苏联专家就针对超过．1 6 0 0 m 的煤矿深井开采问题进行专题研究；1 9 8 9 年，国际岩石力学学会在法国召开了“深部岩石力学”国际会议并出版了相关方面 的专著；1 9 9 8 年，南非政府甚至斥资3 8 亿美元启动了“D e e pM i n e ”计划，期望解 决．3 0 0 0 ～．5 0 0 0 m 深井的安全开采问题【1 2 。1 5 1 。 我国在上世纪8 0 年代末也开展了这方面的研究，一些高校和研究所对深部 资源开采的理论和技术进行了一些研究。他们在深部岩石开挖工程中的围岩支护 和岩爆防治等方面开展了大量的研究和实践，并且取得了丰富的研究成果[ 1 6 - 1 9 】。 2 0 0 4 年，国家自然基金委设立了重大研究项目“深部岩体力学基础研究和应用 5 0 4 9 0 2 7 0 ”；2 0 1 0 年，国家9 7 3 项目“煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治 基础研究”正式启动。在这些国家级重大科研项目的支持下，一批研究成果应运而 2 万方数据 l绪论 生，极大地推动了我国深部岩石力学与工程的发展[ 2 0 2 4 1 。特别是“煤矿深部开采 中的动力灾害机理与防治基础研究”的启动，标志着我国煤矿深部岩石力学 问题己成为当下十分重要的研究课题【2 s ．2 s 】。图6 给出了材料在不同应变率区域的 试验方法与试验装置【2 引。 ’，二l】L1 一I【‘l 。’}‘I 【_I h 。1 1 I‘ S I ’a l l li a l e1 1 s I 图I 动态问题分类与试验方法 F i g ．1 C l a