硬岩矿柱失稳及时间相依性研究

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1、分类号VDC——博士学位论文密级Y835398硬岩矿柱失稳及时间相依性研究STUDYoNINSTABILITYANDTIMEDEPENDENCEOFPILLARINHARDRoCKMASS作者姓学科专学指导教名：李江腾业：岩土工程院：资源与安全工程学院师：曹平教授论文答辩日期——答辩委员会主席中南大学二00五年七月博士学位论文摘要在房柱式开采中，随着采矿工作的向前推进，采场的稳定性问题变得突出，而矿柱是决定采场稳定状态的重要结构单元，对采空区起支撑作用，不但维护着采场顶板及围岩的稳定性，而且稳定的矿柱对矿石回采率的提高有极大的潜在作用。目前国内外地下开采厚大矿体

2、，多向高阶段、高分段、大型化、无轨化方向发展，使得采场的控顶高度相应提高，矿柱高宽比相应增大，其横向的整体稳定性显著下降。此外，由于矿柱的几何形状不规则，而矿柱中岩体又含有各种缺陷，它们对矿柱的稳定性产生很大影响，降低了矿柱的承载能力。矿柱的失稳破坏通常是在亚临界裂纹扩展到一定程度后发生的，导致矿柱的失稳与岩石裂纹扩展的时间相关。针对上述问题，作者结合国家自然科学基金项目“超高硬岩矿柱地压显现及时间相依性研究”，对硬岩矿柱的失稳及时间相依性进行了深入系统的研究。本文主要研究内容如下：在矿柱失稳的非线性分析方面，针对矿柱在不同开挖条件下的结构建立了相应的力学模型，

3、基于能量原理及突变理论导出了相应的失稳充要力学条件判据、矿柱变形突跳量和能量释放量的表达式，为定量研究其失稳问题奠定了基础。讨论了外界扰动力的临界行为，探讨了临界状态下微小扰动诱发矿柱失稳的形成机理，揭示了矿柱失稳的本质。考虑矿柱失稳的初始条件方面，针对具有初始几何缺陷的超高矿柱的稳定性问题建立了一个简化的力学模型，根据初始挠度的形状、岩石的应力～应变关系、应变一曲率关系及静力平衡关系对具有初始挠度的矿柱的弹性和弹塑性稳定性进行了探讨，分析了超高矿柱稳定性对初始几何缺陷的依从关系，确定了具有初始几何缺陷的超高矿柱的弹塑性失稳的极限载荷。以裂隙张量为基础，将岩体中

4、的裂隙看作初始损伤，对含随机分布裂隙的矿柱岩体特性进行了分析，推求了裂隙岩体的等效变形模量和等效泊松比，并探讨了初始地质缺陷对矿柱稳定性的影响。利用Instronl342型电液伺服材料试验机，采用双扭常位移松弛法对矿石、二辉橄榄岩、大理岩、花岗岩四种岩石的试件进行了哑临界博十学位论文摘要裂纹扩展试验研究，建立了其裂纹扩展速率v与应力强度因子KI的关系(KI—V曲线)，分析了不同岩石中裂纹亚临界扩展的规律。为矿柱稳定的时间相依性研究提供了基本数据。以岩石的亚临界裂纹扩展试验为基础，依据岩石的亚临界裂纹扩展速率与I型应力强度因子的关系(KI．V曲线)及裂纹的几何参数

5、，对矿柱失稳的时间相依性进行了探讨。本文所做研究工作，立足于学科前沿，运用最新数学力学方法和先进的实验手段，对硬岩矿柱失稳及时间相依性问题进行了研究。该项目的研究对地下矿产资源安全、经济、合理的开采具有较为重要的理论意义和工程应用价值。关键词硬岩矿柱，稳定性，初始几何缺陷，初始地质缺陷，损伤断裂，突变，亚临界裂纹扩展，时间相依性II博士学何论文ABSTRACTThestabilityofstopeismoreimportantwiththeminingprogressinroom—pillarmining．Pillarisapivotalstopeunitand

6、itsupportsstope，SO，itnotonlyensuresstabilityofroofbeamandwallrock．butalsostabilitypillarincreasestheminingrateoforebodyobviously．Atpresent，undergroundminingisdevelopingtowardhighstage，highsubsection，largescale，tracklessintheworld，consequently，theheightofcontrollingroofincreases．Theho

7、listicsteadybehaviorofpillardebasesmarkedlywj伽theratioofheighttowidthincreasing．Furthermore。thegeometricalshapeofpillarisirregular,androckmasscontaiasvariousflaws，whichinfluenceonthestabilityofpillarobviously,andtheload—carryingcapacitydecreasesofconsequently．Usually，thepillarinstabi

8、lityoccurswh