2024年3月16日发(作者：霍曼云)
第35卷第1期
2010年1月
煤 炭 学 报
JOURNALOFCHINACOALSOCIETY
Vo.l35 No.1
Jan. 2010
文章编号:0253-9993(2010)01-0031-06
复杂环境下围岩变形大型三维模拟实验
来兴平
限公司,宁夏银川 750002)
1,2
,伍永平
1,2
,曹建涛
1,2
,樊永宁
1,3
,张燕丽
1,2
,崔 峰
1,2
(11西安科技大学能源学院,陕西西安 710054;21教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安 710054;31神华宁夏煤业集团有
摘 要:以宁夏宁东矿区复杂环境(历史性强震区内破碎围岩与富含水)下围岩局部化变形演化规
律为目标,综合分析地球物理特征、加载框架及其力学性能、围岩变形指标与定量识别方法、围岩结
构与缺陷以及相似模拟材料复合特性等,构建了三维物理模拟装置与/声-光-电0多元指标实时
测试系统,完成了恒定与可变围压下的/动-静0耦合加载实验,对围岩局部化损伤的声发射特征
规律与开采扰动下实验模型中扰动区内岩体径向和切向应力分布进行辨识。结果表明:复杂岩体
破裂与变形经历/振荡-沉寂0后,极有可能会出现持久性破坏,进一步揭示了复合煤岩体变形具
有局部化失稳特征。
关键词:围岩变形;三维物理模拟;局部化变形;/声-光-电0多元指标;变加载模式
中图分类号:TD31513 文献标志码:A
Experimentonrock-massdeformationoflargescale
3D-simulationincomplexenvironment
LAIXing-ping,WUYong-ping,CAOJian-tao,FANYong-ning,ZHANGYan-li,CUIFeng
vention,MinistryofEducation, 710054,China;31ShenhuaNingxiaCoalGroupLtd.,Yinchuan 750002,China)
1,21,21,21,31,21,2
(11SchoolofEnergyEngineering,ersityofScienceandTechnology, 710054,China;21KeyLaboratoryofWesternMinesandHazardPre-
Abstract:Aimedatquantitativelypredictiontheprocessofrock-masslocalizeddeformationregularityandtheirrela-
tingindicatorsofNindongcoalregioninbrokenrock-massinducedhistoricalseismicityandrichwaterenvironmen,t
andcomprehensiveanalyzedgeophysicalcharacteristics,loadingframeworkanditsmechanicalperformance,invalidin-
dicatorsofrock-massdeformationandtheirquantitativediscriminationmethods,structureandflawandcharacterization
ofsimulativemateria,letc.,thelargestscale3Dphysicalsimulativeassemblywasconstructedwithintegratedrea-ltime
monitoringsystemofmult-iacoustics-optics-electricity-indicators,andexperimentwasundertakenwiththeconstantand
ousticemission(AE)characteristicsandtheirregularityrelatingto
rock-masslocalizedfracturewereacquired,anddistributingcharacteristicsofradialandtangentialstressinexcavation
ultsobviouslyindicatethatthedurabledamage
anddeformationmaybringpotentiallyafterthecrackanddeformationofcomplexrockmassundergooscillatoryand
,thecharacteristicswillbefounduponlocalizeddestabilizationofcompositecoalandrockmass.
Keywords:rock-massdeformation;3D-physica-lsimulation;localizationdeformation;acoustics-optics-electricitymult-i
indicators;variableloadingmodel
岩体受外荷载后产生局部化变形易诱发灾
害
[1-2]
带或者节理断裂带时易引起局部滑移和动力失
稳
[3]
。西部地质力学环境复杂,地下工程穿越断层。在围岩介质破坏与失稳前兆预测中,局部化
收稿日期:2009
-
03
-
28 责任编辑:柴海涛
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10772144,10402033);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-04-972)
作者简介:来兴平(1971)),男,宁夏平罗人,教授,博士生导师。E-mai:llxptest@yahoo1com1cn
32
煤 炭 学 报
2010年第35卷
损伤-破裂-失稳源观测是难题,在信号辨识中易忽
略岩体局部化变形/可识别特征0信息及其内在关联
特征
[4-5]
实验装置大型化及其内部相关指标参数的精确测量
是保证结果可靠的前提。宁东矿区历史上发生过7
级以上的地震6次。基于不同加载模式下的物理相
似模拟和现场AE试验,选择不同加卸载模式进行实
验,定量刻画失稳破坏区煤岩介质的孕裂和失稳的进
程
[11-12]
。岩体局部能量瞬态释放弹性波现象称为
声发射(acousticemission,AE)。根据岩体存在凯塞
效应进行岩体失稳AE-压力-位移耦合模式辨识和
增大实验尺寸及规模可提高危险源辨识精度
[6-7]
。。
支持向量机、神经网络和子波变换等为局部化失稳预
[8-10]
测提供了有效手段。
以宁夏宁东矿区围岩局部化变形演化规律预测
为目标,综合地球物理特征、加载框架及其力学性能、
结构与缺陷以及相似模拟材料复合特性等,构建了三
维物理模拟装置与AE、应力-应变、位移与变形等多
元指标实时测试系统,完成了恒定与可变围压下的
/动-静0耦合加载实验和围岩损伤/声-光-电0指
标信息监测,比较分析了模型实验中围岩应力-损伤
-变形-破裂-失稳的AE特征,为开采扰动区岩体
局部化失稳源辨识提供了依据。
2 三维模拟实验方案与参数的确定
211 实验方案与模型构建
以宁东矿区2号煤层开采中围岩稳定性控制为
目标,分析围岩变形的力学条件、演化规律、控制模
式。
开挖断面宽4180m、高4120m。模型原型长
24m、高21m,最大埋深380m;模型空间尺寸为
4142m@2190m@2150m,中部空间复合相似材料铺
装尺寸2150m@2125m@2100m;模型比例为1B10。
图1分别描述了现场工程环境、模型试验方案设计、
岩层层位以及监测系统布局。实验中将云母作为界
面材料,钢板与混凝土砌块作为应力传递结构材料,
石膏、粉煤灰和巴厘石等提高围岩介质的韧性。
1 大型三维物理模拟实验构建
复杂环境下围岩介质/损伤-变形-失稳0是多
元力学/信息与控制下耦合作用的物理与力学过程。
图1 大型三维物理模拟实验构建
Fig11 Largescale3D-physicalsimulationconstruction
212 加载与信号测试系统
21211 主体加载系统框架
利用三维实验装置顶部和侧帮油缸(单个油缸
最大载荷30MPa)构成的非对称/动-静0(态)耦合
主体加载框架(1210m@818m@516m),通过伺服
控制系统实时进行多级加载。
21212 监测指标
已有学者采用多种方法从不同角度对局部变形
现象进行了理论与实(试)验研究
[13-16]
程。监测指标涉及空区边界岩体破裂和滑移、垂直或
沿单个节理或裂隙面的移动、边界点上两点间相对位
移、渗流、剪切带正应力和剪应力、声发射(反映破裂
程度)等指标,简单概括地描述其内涵为
P(t)=(R/E,AE,D)
式中,P(t)为空区岩体在应力与渗流耦合作用下稳
定性概率函数;R/E为应力-应变指标;AE为特征参
数,主要包括声发射的大事件、总事件和能率;D为变
形指标。
实验台包括八大测试系统:¹通过伺服控制系统
实时获取加载过程中的垂直和侧向水平载荷;º利用
埋入式压力传感器,测试模拟范围内地层内部应力传
。但对复合
材料试件的测量区域较小,也没实现变形局部化的全
程实时观测。岩体局部化裂纹孕育、演化、失稳诱发
灾害,实质上是围岩局部结构承受复杂环境作用的过
2024年3月16日发(作者：霍曼云)
第35卷第1期
2010年1月
煤 炭 学 报
JOURNALOFCHINACOALSOCIETY
Vo.l35 No.1
Jan. 2010
文章编号:0253-9993(2010)01-0031-06
复杂环境下围岩变形大型三维模拟实验
来兴平
限公司,宁夏银川 750002)
1,2
,伍永平
1,2
,曹建涛
1,2
,樊永宁
1,3
,张燕丽
1,2
,崔 峰
1,2
(11西安科技大学能源学院,陕西西安 710054;21教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室,陕西西安 710054;31神华宁夏煤业集团有
摘 要:以宁夏宁东矿区复杂环境(历史性强震区内破碎围岩与富含水)下围岩局部化变形演化规
律为目标,综合分析地球物理特征、加载框架及其力学性能、围岩变形指标与定量识别方法、围岩结
构与缺陷以及相似模拟材料复合特性等,构建了三维物理模拟装置与/声-光-电0多元指标实时
测试系统,完成了恒定与可变围压下的/动-静0耦合加载实验,对围岩局部化损伤的声发射特征
规律与开采扰动下实验模型中扰动区内岩体径向和切向应力分布进行辨识。结果表明:复杂岩体
破裂与变形经历/振荡-沉寂0后,极有可能会出现持久性破坏,进一步揭示了复合煤岩体变形具
有局部化失稳特征。
关键词:围岩变形;三维物理模拟;局部化变形;/声-光-电0多元指标;变加载模式
中图分类号:TD31513 文献标志码:A
Experimentonrock-massdeformationoflargescale
3D-simulationincomplexenvironment
LAIXing-ping,WUYong-ping,CAOJian-tao,FANYong-ning,ZHANGYan-li,CUIFeng
vention,MinistryofEducation, 710054,China;31ShenhuaNingxiaCoalGroupLtd.,Yinchuan 750002,China)
1,21,21,21,31,21,2
(11SchoolofEnergyEngineering,ersityofScienceandTechnology, 710054,China;21KeyLaboratoryofWesternMinesandHazardPre-
Abstract:Aimedatquantitativelypredictiontheprocessofrock-masslocalizeddeformationregularityandtheirrela-
tingindicatorsofNindongcoalregioninbrokenrock-massinducedhistoricalseismicityandrichwaterenvironmen,t
andcomprehensiveanalyzedgeophysicalcharacteristics,loadingframeworkanditsmechanicalperformance,invalidin-
dicatorsofrock-massdeformationandtheirquantitativediscriminationmethods,structureandflawandcharacterization
ofsimulativemateria,letc.,thelargestscale3Dphysicalsimulativeassemblywasconstructedwithintegratedrea-ltime
monitoringsystemofmult-iacoustics-optics-electricity-indicators,andexperimentwasundertakenwiththeconstantand
ousticemission(AE)characteristicsandtheirregularityrelatingto
rock-masslocalizedfracturewereacquired,anddistributingcharacteristicsofradialandtangentialstressinexcavation
ultsobviouslyindicatethatthedurabledamage
anddeformationmaybringpotentiallyafterthecrackanddeformationofcomplexrockmassundergooscillatoryand
,thecharacteristicswillbefounduponlocalizeddestabilizationofcompositecoalandrockmass.
Keywords:rock-massdeformation;3D-physica-lsimulation;localizationdeformation;acoustics-optics-electricitymult-i
indicators;variableloadingmodel
岩体受外荷载后产生局部化变形易诱发灾
害
[1-2]
带或者节理断裂带时易引起局部滑移和动力失
稳
[3]
。西部地质力学环境复杂,地下工程穿越断层。在围岩介质破坏与失稳前兆预测中,局部化
收稿日期:2009
-
03
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28 责任编辑:柴海涛
基金项目:国家自然科学基金资助项目(10772144,10402033);教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目(NCET-04-972)
作者简介:来兴平(1971)),男,宁夏平罗人,教授,博士生导师。E-mai:llxptest@yahoo1com1cn
32
煤 炭 学 报
2010年第35卷
损伤-破裂-失稳源观测是难题,在信号辨识中易忽
略岩体局部化变形/可识别特征0信息及其内在关联
特征
[4-5]
实验装置大型化及其内部相关指标参数的精确测量
是保证结果可靠的前提。宁东矿区历史上发生过7
级以上的地震6次。基于不同加载模式下的物理相
似模拟和现场AE试验,选择不同加卸载模式进行实
验,定量刻画失稳破坏区煤岩介质的孕裂和失稳的进
程
[11-12]
。岩体局部能量瞬态释放弹性波现象称为
声发射(acousticemission,AE)。根据岩体存在凯塞
效应进行岩体失稳AE-压力-位移耦合模式辨识和
增大实验尺寸及规模可提高危险源辨识精度
[6-7]
。。
支持向量机、神经网络和子波变换等为局部化失稳预
[8-10]
测提供了有效手段。
以宁夏宁东矿区围岩局部化变形演化规律预测
为目标,综合地球物理特征、加载框架及其力学性能、
结构与缺陷以及相似模拟材料复合特性等,构建了三
维物理模拟装置与AE、应力-应变、位移与变形等多
元指标实时测试系统,完成了恒定与可变围压下的
/动-静0耦合加载实验和围岩损伤/声-光-电0指
标信息监测,比较分析了模型实验中围岩应力-损伤
-变形-破裂-失稳的AE特征,为开采扰动区岩体
局部化失稳源辨识提供了依据。
2 三维模拟实验方案与参数的确定
211 实验方案与模型构建
以宁东矿区2号煤层开采中围岩稳定性控制为
目标,分析围岩变形的力学条件、演化规律、控制模
式。
开挖断面宽4180m、高4120m。模型原型长
24m、高21m,最大埋深380m;模型空间尺寸为
4142m@2190m@2150m,中部空间复合相似材料铺
装尺寸2150m@2125m@2100m;模型比例为1B10。
图1分别描述了现场工程环境、模型试验方案设计、
岩层层位以及监测系统布局。实验中将云母作为界
面材料,钢板与混凝土砌块作为应力传递结构材料,
石膏、粉煤灰和巴厘石等提高围岩介质的韧性。
1 大型三维物理模拟实验构建
复杂环境下围岩介质/损伤-变形-失稳0是多
元力学/信息与控制下耦合作用的物理与力学过程。
图1 大型三维物理模拟实验构建
Fig11 Largescale3D-physicalsimulationconstruction
212 加载与信号测试系统
21211 主体加载系统框架
利用三维实验装置顶部和侧帮油缸(单个油缸
最大载荷30MPa)构成的非对称/动-静0(态)耦合
主体加载框架(1210m@818m@516m),通过伺服
控制系统实时进行多级加载。
21212 监测指标
已有学者采用多种方法从不同角度对局部变形
现象进行了理论与实(试)验研究
[13-16]
程。监测指标涉及空区边界岩体破裂和滑移、垂直或
沿单个节理或裂隙面的移动、边界点上两点间相对位
移、渗流、剪切带正应力和剪应力、声发射(反映破裂
程度)等指标,简单概括地描述其内涵为
P(t)=(R/E,AE,D)
式中,P(t)为空区岩体在应力与渗流耦合作用下稳
定性概率函数;R/E为应力-应变指标;AE为特征参
数,主要包括声发射的大事件、总事件和能率;D为变
形指标。
实验台包括八大测试系统:¹通过伺服控制系统
实时获取加载过程中的垂直和侧向水平载荷;º利用
埋入式压力传感器,测试模拟范围内地层内部应力传
。但对复合
材料试件的测量区域较小,也没实现变形局部化的全
程实时观测。岩体局部化裂纹孕育、演化、失稳诱发
灾害,实质上是围岩局部结构承受复杂环境作用的过