硬巖礦柱失穩(wěn)及時間相依性研究.pdf

1、在房柱式開采中，隨著采礦工作的向前推進，采場的穩(wěn)定性問題變得突出，而礦柱是決定采場穩(wěn)定狀態(tài)的重要結(jié)構(gòu)單元，對采空區(qū)起支撐作用，不但維護著采場頂板及圍巖的穩(wěn)定性，而且穩(wěn)定的礦柱對礦石回采率的提高有極大的潛在作用。目前國內(nèi)外地下開采厚大礦體，多向高階段、高分段、大型化、無軌化方向發(fā)展，使得采場的控頂高度相應(yīng)提高，礦柱高寬比相應(yīng)增大，其橫向的整體穩(wěn)定性顯著下降。此外，由于礦柱的幾何形狀不規(guī)則，而礦柱中巖體又含有各種缺陷，它們對礦柱的穩(wěn)定性產(chǎn)生

2、很大影響，降低了礦柱的承載能力。礦柱的失穩(wěn)破壞通常是在亞臨界裂紋擴展到一定程度后發(fā)生的，導(dǎo)致礦柱的失穩(wěn)與巖石裂紋擴展的時間相關(guān)。針對上述問題，作者結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目“超高硬巖礦柱地壓顯現(xiàn)及時間相依性研究”，對硬巖礦柱的失穩(wěn)及時間相依性進行了深入系統(tǒng)的研究。本文主要研究內(nèi)容如下： 在礦柱失穩(wěn)的非線性分析方面，針對礦柱在不同開挖條件下的結(jié)構(gòu)建立了相應(yīng)的力學(xué)模型，基于能量原理及突變理論導(dǎo)出了相應(yīng)的失穩(wěn)充要力學(xué)條件判據(jù)、礦柱變形突

3、跳量和能量釋放量的表達式，為定量研究其失穩(wěn)問題奠定了基礎(chǔ)。討論了外界擾動力的臨界行為，探討了臨界狀態(tài)下微小擾動誘發(fā)礦柱失穩(wěn)的形成機理，揭示了礦柱失穩(wěn)的本質(zhì)。 考慮礦柱失穩(wěn)的初始條件方面，針對具有初始幾何缺陷的超高礦柱的穩(wěn)定性問題建立了一個簡化的力學(xué)模型，根據(jù)初始撓度的形狀、巖石的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、應(yīng)變-曲率關(guān)系及靜力平衡關(guān)系對具有初始撓度的礦柱的彈性和彈塑性穩(wěn)定性進行了探討，分析了超高礦柱穩(wěn)定性對初始幾何缺陷的依從關(guān)系，確定了具有

4、初始幾何缺陷的超高礦柱的彈塑性失穩(wěn)的極限載荷。以裂隙張量為基礎(chǔ)，將巖體中的裂隙看作初始損傷，對含隨機分布裂隙的礦柱巖體特性進行了分析，推求了裂隙巖體的等效變形模量和等效泊松比，并探討了初始地質(zhì)缺陷對礦柱穩(wěn)定性的影響。 利用Instron1342型電液伺服材料試驗機，采用雙扭常位移松弛法對礦石、二輝橄欖巖、大理巖、花崗巖四種巖石的試件進行了亞臨界裂紋擴展試驗研究，建立了其裂紋擴展速率V與應(yīng)力強度因子KI的關(guān)系(K1-V曲線)，分析

5、了不同巖石中裂紋亞臨界擴展的規(guī)律。為礦柱穩(wěn)定的時間相依性研究提供了基本數(shù)據(jù)。 以巖石的亞臨界裂紋擴展試驗為基礎(chǔ)，依據(jù)巖石的亞臨界裂紋擴展速率與I型應(yīng)力強度因子的關(guān)系(KI-V曲線)及裂紋的幾何參數(shù)，對礦柱失穩(wěn)的時間相依性進行了探討。 本文所做研究工作，立足于學(xué)科前沿，運用最新數(shù)學(xué)力學(xué)方法和先進的實驗手段，對硬巖礦柱失穩(wěn)及時間相依性問題進行了研究。該項目的研究對地下礦產(chǎn)資源安全、經(jīng)濟、合理的開采具有較為重要的理論意義和工程