圆形洞室岩爆成因分析及其地质灾害研究

在详细分析岩爆形成机制和传统经验判据的基础上，对岩爆产生条件及其产生部位作了预测，并提出了岩爆预防对策：设计阶段应对洞轴线进行选择、对洞室断面进行优化；施工阶段应进行超前应力解除、围岩软化，以及采用合理的开挖方式；合理选择围岩加固措施。     

洞室层裂屈曲岩爆的突变模型

建立了洞室层裂屈曲岩爆的突变模型,得出了洞室层裂屈曲岩爆在准静态破坏条件下的演化规律.引入一个函数表征内层岩体对外层岩体的约束作用,使洞室层裂屈曲岩爆模型更接近实际,更能反映层裂屈曲岩爆的演化规律.此外,还建立了动力扰动下洞室层裂屈曲岩爆的非线性动力学模型.研究结果表明: 洞室层裂屈曲岩爆的演化过程复杂;洞室层裂屈曲岩爆与否,不仅取决于岩体的内因如几何尺寸和岩石的性质等,还取决于外部作用力的大小和方式;动力扰动与粘弹性层状结构岩体的响应存在着非线性关系;该模型对扰动频率非常敏感,扰动频率满足一定条件是动力扰动下洞室发生层裂屈曲岩爆的必要条件;而模型对扰动力幅反应不敏感;在动力扰动下,洞室层裂屈曲岩爆演化过程中,竖向压力起决定性作用.     

基于Hoek-Brown强度准则的洞室稳定影响分析

基于非线性Hoek-Brown强度准则,引入洞室围岩稳定系数,研究分析了岩体力学参数及初始应力场对地下洞室稳定性的影响。结果表明,保持σ3不变,侧压系数k增加以及保持σ3不变,主应力差σ1-σ3增加时,洞室稳定性相应降低。Hoek-Brown强度准则中,表征岩体特征参数GSI、mi以及岩石单轴抗压强度σci量值增加,洞室稳定性亦相应增加。     

基于人工神经网络及非线性回归的岩爆判据

采用人工神经网络和非线性回归方法研究岩爆判据研究.首先利用人工神经网络对原始样本进行量化,然后对量化后的样本数据进行非线性回归分析,获得新的岩爆判据公式.研究结果表明:此岩爆判据公式具有较高的预测精度.     

基于变形场演化的洞室岩爆特征实验研究

为了研究洞室岩爆特征问题,在洞室围岩变形场演化特征实验研究基础上对洞室岩爆的力学机制进行解释.采用双轴加载方式,对一种含有洞室的砂岩岩板进行压缩实验,通过白光数字散斑相关方法作为实验监测手段,对洞室变形破坏过程中的位移场和应变场演化进行实时监测,根据实验结果对洞室岩爆特征进行分析.研究结果表明:洞室岩爆过程经历了洞室围岩的局部破坏和结构整体失稳破坏两个阶段,从洞室岩爆力学机制可以得出,洞室岩爆是由拉伸和剪切两种作用机制共同作用的结果.     

侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究

为研究侧压影响下圆形洞室岩爆机制,采用双轴加载装置对含孔洞红砂岩试样进行了物理模拟试验,期间采用高速相机观测了孔洞破坏全过程。研究结果表明:岩爆过程可划分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期四个时期;洞壁垂直起裂应力和岩爆V型槽破坏深度均随侧压增大而呈线性增大趋势。侧压主要从两方面影响岩爆发生:一是影响洞室破坏机制,当侧压较低时,洞壁垂直方向起裂应力小、水平方向应力梯度小,以拉伸破坏机制为主,破坏范围小,而侧压较大时,洞壁浅部区域破坏机制与低侧压时类似,但洞壁深部区域由于水平应力增加,受力类似三轴压缩,以剪切破坏机制为主,破坏范围大;二是影响洞壁能量积聚释放特征,由于侧压增大,平静期持续时间增加,而破坏期持续时间减小,造成洞壁破坏时单位时间内能量释放率增加,岩爆发生更加剧烈。     

基于多重判据的高楼山隧道岩爆倾向性判别

为探究不同层理倾角对岩体岩爆倾向性的影响,以武九高速土建工程高楼山隧道的层理灰岩为研究对象,通过室内单轴加载与加卸载试验,结合弹性应变能岩爆指标、临界埋深岩爆指标、陶振宇岩爆指标和Russense岩爆指标对不同层理角度的岩样进行了岩爆倾向性综合分析.结果表明:不同岩爆指标的判别结果之间存在一定差异;层理角度对岩爆倾向性...     

浅析引起岩爆的若干因素及岩爆的防治措施

岩爆是围岩在高地应力场条件下所产生的岩片（块）飞射抛散,以及洞壁片状剥落等动力破坏现象。岩爆是地下工程施工的一大地质灾害,由于它的破坏性很大,常常给施工安全、岩体及建筑物的稳定性带来很多的问题,甚至会造成重大工程事故。目前,地下工程岩爆问题引起了国内外的普遍关注。本文主要论述了岩爆发生的若干影响因素及防治岩爆的一些具体措施。     

高地应力区地下洞室围岩稳定和变形分析

本文分析总结了已有的地应力研究成果。考虑到高地应力与岩体特性的关系,对岩体采用四参数弹塑性开裂模型,提出了一种高地应力区地下洞室围岩稳定和变形的分析方法。用各种不同初始应力场(大小、方向、主应力比等)对直墙拱顶洞室围岩的稳定和变形状况作了分析比较,得出了一些有规律的成果。     

圆形地下洞室坚硬脆性围岩岩爆的模拟

为了探讨圆形地下洞室坚硬脆性围岩岩爆破坏机理,建立了长800mm×宽800mm×厚200mm的Ф160mm圆形地下洞室的数值与物理模型,在相同边界条件与同步提高荷载的情况下模拟圆形洞室坚硬脆性围岩岩爆破坏.数值模拟与物理模拟结果表明：同步施加水平边界荷载Ph与垂直边界荷载Pv到700kN过程中,围岩塑性区逐步沟通扩展;当同步施加Ph=Pv=710kN时,围岩塑性区在极短的时间与极窄的加载区间内迅速扩展,塑性变形显著,洞室围岩表现突发性破坏,符合脆性围岩岩爆破坏特征;随后,当施加Ph=Pv=710kN到Ph=Pv=780kN过程中,围岩塑性区增大不明显,围岩破坏相对稳定.数值模拟结果与物理模拟结果基本一致,两者结合,将为探讨岩爆发生机理提供强有力的研究手段.     

定向水力致裂防冲原理数值模拟研究

定向水力致裂能够有效降低坚硬顶板的强度和完整性,从而能够弱化顶板破坏时的能量释放和动力效应。采用定向水力致裂处理坚硬顶板,处理方式包括顶板分层和切断悬顶。为了研究定向水力致裂处理顶板起到的防冲效果,采用UDEC离散元分析软件对顶板致裂前后系统释放能量和系统动能进行了计算,研究结果表明顶板致裂后降低了系统释放能量和系统动能,从而减少顶板和煤体能量积聚,降低了冲击地压发生的危险性。     

基于GD-DNN模型的岩爆烈度等级预测方法与应用

岩爆是深埋隧道施工过程中开挖时形成临空面,引起能量突然释放的现象,轻则岩片剥落,重则造成人员伤亡和财产损失,其危害程度取决于岩爆烈度等级,因此岩爆烈度等级预测是急需解决的难题之一。本文针对单一指标预测法预测效果不理想的问题,首先设计并实现了综合指标法和针对多分类问题的分类器,其次提出并建立了基于梯度下降(Gradient Descent)算法优化深度神经网络(Deep Neural Network)的GD-DNN岩爆烈度等级预测模型。实验结果表明：GD-DNN模型预测的准确率达到95.8%,相比机器学习算法K最近邻(K-nearest neighbor,KNN)、支持向量机（support vector machine,SVM)和深度学习算法DNN分别提高了45.8%、38.7%和8.3%,同时在精确率、召回率和??1值三项指标上均优于其他模型。最后在秦岭隧道、大相岭隧道、通渝隧道和马路坪矿井4个实际工程中检验模型的预测效果,检验结果证明GD-DNN模型能够精准预测岩爆烈度等级,研究成果可应用于深埋隧道工程中。     

基于推广SMP准则的边坡稳定性分析

相比土工问题中通常采用的Mohr-Coulomb(MC)准则,推广的SMP(spatially mobilized plane)准则考虑了中主应力对土体强度的影响,该文比较了基于上述两准则计算得到的边坡稳定性差异。首先,通过求解三次方程将推广的SMP准则转化为应力点到等倾轴的距离ρ和应力张量第一不变量I1的线性函数,从理论上推导了平面应变条件下推广的SMP准则与MC准则之间的等效关系。然后,推导了非关联流动法则条件下基于推广的SMP准则的理想弹塑性模型的向后Euler本构积分算法,并将其编入FLAC有限差分软件,通过边坡稳定性分析的数值计算验证了理论推导结果:在平面应变条件下采用非关联流动法则时,推广的SMP准则等效于土体强度参数提高15%后的MC准则,即基于推广的SMP准则的边坡安全系数比MC准则高15%。     

基于岩石细观损伤机制的岩爆机理研究

岩爆是采矿诱发的地震现象，是矿井自然灾害之一。岩爆发生条件与岩石的力学性能有关。岩体中微裂纹的形成、扩展和汇合对岩体的力学性能产生显著影响，可以导致材料的逐渐劣化直至破坏。对于三轴压缩的岩石试件，当侧向应力为拉应力或很小时，其破坏形式主要是徽裂纹的摩擦滑移、自相似平面扩展和弯折扩展。本文基于岩石细观损伤机制，在本构关系中引入损伤效应函数，用于分析圆形洞室的岩爆现象，得到了岩爆发生的临界损伤范围和临界载荷的解析式。结果表明临界损伤范围取决于弹性模量与降模量之比；临界载荷与峰值强度及内摩擦角有关。     

基于决策树模型的岩爆烈度预测

综合分析了岩爆的主要影响因素,选取岩石应力系数σ_θ/σ_c、岩石脆性系数σ_c/σ_t和弹性能量指数Wet作为评价指标,采用决策树方法进行岩爆烈度预测。以国内外比较典型的32个岩石地下工程实例作为基础样本数据,结合ID3算法建立了判定岩爆烈度的决策树模型。再选取15个工程实例,运用建立好的决策树模型对其岩爆烈度进行分级,并与实际岩爆等级以及采用模糊灰关联法、距离判别法、ν-SVR算法的评判结果进行对比。结果表明,本文提出的决策树方法具有计算简单、准确可靠、预测效率高的特点。     

Dynamic analysis of fault rockburst based on gradient-dependent plasticity and energy criterion

Fault rockburst is treated as a strain localization problem under dynamic loading condition considering strain gradient and strain rate. As a kind of dynamic fracture phenomena, rockburst has characteristics of strain localization, which is considered as a one-dimensional shear problem subjected to normal compressive stress and tangential shear stress. The constitutive relation of rock material is bilinear (elastic and strain softening) and sensitive to shear strain rate. The solutions proposed based on gradientdependent plasticity show that intense plastic strain is concentrated in fault band and the thickness of the band depends on the characteristic length of rock material. The post-peak stiffness of the fault band was determined according to the constitutive parameters of rock material and shear strain rate. Fault band undergoing strain softening and elastic rock mass outside the band constitute a system and the instability criterion of the system was proposed based on energy theory. The criterion depends on the constitutive relation of rock material, the structural size and the strain rate. The static result regardless of the strain rate is the special case of the present analytical solution. High strain rate can lead to instability of the system.     

基于H-B准则点安全系数的岩质边坡锚索锚固长度优化

锚索锚固是岩质边坡常见的锚固手段,合理确定锚索长度对边坡支护设计至关重要。基于Hoek-Brown准则的点安全系数法,对锚索锚固长度的优化确定进行研究。以均质边坡为例,采用FLAC3D内嵌fish语言计算得到边坡内部的点安全系数分布图,据此判断边坡稳定区和非稳定区。再分别假设点安全系数0.85、0.9、0.95、1等值线为潜在滑动面,在此基础上提出4种不同自由段长度的锚固方案,根据各方案下的点安全系数云图讨论锚固效果及边坡稳定性情况,从而确定最佳的自由段长度。结果表明,以点安全系数等于0.95的等值线为潜在滑动面确定锚固长度的方案最优。并以石柱县西沱镇马尿溪桥一侧高边坡某剖面为例,运用该方法对其支护设计方案中锚索长度进行优化,证明了该优化方法的可行性。     

考虑瓦斯影响的煤层冲击地压钻屑量指标研究

对于含瓦斯煤层实施钻屑法必须考虑瓦斯的影响。考虑瓦斯的影响和煤体损伤特性,经理论推导得到了含瓦斯煤层检测冲击地压的钻屑量指标,并结合阜新五龙矿的实际情况进行了验证。单位长度钻屑量危险指标与煤的密度成正比,与成孔直径的平方成正比,随弹性模量增大而减小,随抗压强度增大而增加。随瓦斯压力增大而增加,随孔隙增加而减小。     

基于岩体损伤的Hoek-Brown强度准则修正应用

对2002版Hoek-Brown强度准则中扰动系数D和地质力学指标GSI的估值进行统计了分析,发现D的估值较GSI的估值离散性大。指出了有关改进公式对岩体扰动性量化的缺点,建立了以岩石强度损伤指标Ds、岩体完整性损伤指标Dv和岩石平均泊松比珔μ为参量来量化扰动系数D值的非线性公式。提出的量化公式考虑了三种指标间的耦合作用,减少了单一指标量化的不确定性风险。以利比里亚邦矿岩体力学参数研究为例,分别用提出的改进公式和其他方法对工程岩体参数的进行估算,计算结果表明所提出的公式更能反映岩体受到的不同扰动程度。对比计算结果,进一步论证公式的合理性,以期为同类工程提供借鉴。