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动态扰动触发高静应力岩石发生破裂的研究

作　者: 李占海
导　师: 朱万成
学　校: 东北大学
专　业: 采矿工程
关键词: 动态扰动高静应力岩石破裂数值模拟
分类号: TU452
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

近几十年来岩石力学界的学者们在研究静态和动态载荷作用下岩石破坏方面取得了丰硕的成果,对岩石力学理论与实践起了巨大的推动作用。然而,这些研究基本限于岩石完全承受静载荷或完全承受动载荷作用的情况,对于静载荷与动载荷联合作用下岩石变形及破坏特性的研究显得相对不足。事实上,在实践及自然界中,特别是在深部岩石工程中,岩石在承受动载荷作用之前,已经处于高静应力状态之中,动态扰动往往是触发处于高静态应力岩体发生失稳破裂的诱因之一。所以,开展动态扰动触发高静应力岩石发生失稳破裂的研究具有重要的理论价值和工程实际应用前景。在国家自然科学基金的资助下,本文以动态扰动触发高静应力岩体的失稳破裂为研究目标,通过实验和数值模拟手段开展研究工作。主要研究工作包括如下方面：(1)首先,开展岩石在静—动态组合加载条件下破坏过程的霍布金逊杆(SHPB)实验,研究不同的轴向静态应力水平对于静-动组合加载条件下的破坏强度及破裂过程的影响。(2)其次,使用岩石破裂过程分析RFPA-Dynamics软件进行岩石在静态、动态和静-动组合加载条件下破坏过程进行了数值模拟,分析静态应力水平、动态应力波形(应力波峰值和作用时间)对于动态和静-动组合条件下的岩石破裂过程的影响；(3)最后,开展动态扰动触发地下深部巷道发生失稳破裂的数值模拟,探讨静态地应力条件、巷道埋深和动态扰动的作用方向及波形(应力波峰值和作用时间)对于巷道围岩损伤与破坏的影响,认清把该问题视为静-动组合受力条件下的岩石力学问题进行研究的必要性,揭示动态扰动触发深部巷道发生破裂的力学机制。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
第1章绪论  9-20
  1.1 研究问题的提出  9-12
    1.1.1 深部开采的岩体失稳问题  9-10
    1.1.2 深部巷道发生岩爆的因素分析  10-11
    1.1.3 动态扰动触发深部岩体发生破裂的机制  11-12
  1.2 动态扰动触发深部岩体发生破裂的研究现状  12-19
    1.2.1 静载荷下岩石破裂过程的研究  12-15
    1.2.2 动载荷下岩石破裂过程的研究  15-17
    1.2.3 动静组合加载下岩石破裂过程的研究  17-19
  1.4 本文的研究内容  19-20
第2章数值试验方法及应力波理论  20-29
  2.1 RFPA理论基础  20-25
    2.1.1 平衡方程  20
    2.1.2 运动方程  20-21
    2.1.3 RFPA的弹性动力过程有限元分析  21-23
    2.1.4 中心差分法  23-24
    2.1.5 线性加速度法和Wilson-θ法  24-25
  2.2 RFPA~(2D)-DYNAMICS程序简介  25-28
  2.3 本章小节  28-29
第3章动静组合加载下岩石的破裂过程试验  29-38
  3.1 试验设备简介  29-30
  3.2 试验结果及分析  30-37
    3.2.1 磁铁矿石试验结果分析  30-34
    3.2.2 片麻岩试验结果分析  34-37
  3.3 本章小结  37-38
第4章静态和动态载荷作用下岩石破裂过程的数值模拟  38-45
  4.1 数值模型的建立  38
  4.2 静态加载下岩石破裂的数值模拟  38-40
  4.3 动态加载下岩石破裂过程的数值模拟  40-44
    4.3.1 应力波的作用时间t_m对损伤机制的影响  40-43
    4.3.2 应力波峰值p_m对损伤机制的影响  43-44
  4.4 本章小节  44-45
第5章静动组合加载下岩石破裂过程的研究  45-54
  5.1 静力水平的影响  45-48
  5.2 围压对动静组合加载下岩石损伤机制的影响  48-49
  5.3 动态扰动波形对岩石损伤机制的影响  49-52
    5.3.1 应力波峰值对中截面应力的影响  51
    5.3.2 动态作用时间对中截面应力的影响  51-52
  5.4 动态与动静组合影响岩石破裂机制的区别  52-53
  5.5 本章小结  53-54
第6章动态扰动触发高静应力巷道失稳的研究  54-65
  6.1 数值模型  54-55
  6.2 动力扰动下巷道的破坏过程  55-56
  6.3 侧压力系数的影响  56-59
  6.4 动静组合加载下应力波峰值的影响  59-60
  6.5 动静组合加载下应力波作用时间的影响  60-62
  6.6 动静组合加载下埋深的影响  62-64
  6.7 本章小节  64-65
第7章结论  65-66
参考文献  66-71
致谢  71-72
作者简介  72

动态扰动触发高静应力岩石发生破裂的研究

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