论文部分内容阅读
随着交通隧道、矿山巷道等快速向深部发展,地下工程面临着高应力、强扰动等复杂条件,岩爆、冲击地压等动力灾害频发,具有突变性、猛烈性的特征。岩爆的发生是由于在高应力环境下,围岩出现应力集中区,岩体内部积聚大量能量,在开挖扰动及爆破、地震等冲击动力下,围岩累积的应变能突然释放并导致岩体破裂弹射而出。因此,降低围岩应力集中程度是维护该类围岩稳定的重要途径,对于高地应力围岩而言,卸压是降低围岩应力集中程度的有效措施。钻孔卸压是地下工程中常用的卸压方法,在高应力环境下,钻孔卸压岩体的岩爆弱化效果受钻孔参数与岩体自身强度的共同影响。岩石抗压强度是反应岩体强度的重要力学参数,因此,岩体强度的实时获取是岩爆倾向性与控制效果评价的基础。传统的室内单轴压缩试验耗时长、成本高且无法实现岩石抗压强度的原位获取。数字钻探技术是解决该问题的有效途径,其前提是建立随钻参数与岩石抗压强度的定量关系。目前对随钻参数与岩石单轴抗压强度关系的研究,大多未考虑切削刃与被切削岩石之间的岩石碎屑区对钻头的影响,且未见基于数字钻探的高应力围岩岩爆弱化效果评价研究。基于此,本文通过理论分析与室内试验相结合的方式进行了研究,主要取得以下进展:(1)建立了随钻参数与岩石等效抗压强度关系模型考虑钻头切削刃与完整岩石之间的岩石碎屑区对切削荷载大小及传递方向的影响,基于切削理论和平衡原理建立了岩石切削力学模型,得到了随钻参数与碎屑压力(DP-σ0)关系式。结合室内岩体数字钻探试验结果,建立了随钻参数与岩石等效抗压强度(DP-σc)关系模型,并利用试验数据验证了 DP-σc关系模型的有效性。(2)明确了不同参数下切削扭矩和切削效率的响应规律基于DP-σ0关系式分析了钻头参数及碎屑压力对钻头切削扭矩和切削效率的影响。理论分析结果表明,钻头切削扭矩随钻头倾角、切削角和底部摩擦角的增大而增大,钻头切削效率随钻头倾角和切削角的增大而增大,随钻头底部摩擦角的增大而减小。同时,碎屑压力对钻头切削扭矩和切削效率均有显著影响,碎屑压力越大,钻头切削扭矩和切削效率随之增大。(3)明确了钻孔前后岩体的应力、能量演化规律利用深部岩石非线性力学试验系统对钻孔前后试件进行了真三轴加载条件下不同岩爆类型的岩体动力性能试验,试验结果表明,试件钻孔可有效提高岩体发生冲击破坏时的应力峰值,且钻孔数量越多,试件发生冲击破坏时的应力峰值越大。同时,试件钻孔可有效减少试件发生冲击破坏时释放的能量,且钻孔数量越多,试件发生冲击破坏时释放的能量越少。(4)揭示了钻孔卸压技术对岩爆的弱化机制通过对岩体动力性能试验结果的分析,揭示了钻孔卸压技术对岩爆的弱化机制。对高应力岩体进行钻孔后,钻孔周围形成破裂区,多个钻孔周围的破裂区相互连通,则在岩体内形成一条大范围的卸压破碎带。卸压破碎带内岩体强度明显降低,可减小应力集中峰值,并使应力集中区向深部转移,减少了冲击危险;同时,卸压破碎带的形成改变了岩体的受力性质,降低了岩体储存应变能的能力,从而降低岩体发生冲击破坏的可能性。(5)建立了基于数字钻探的岩爆弱化效果评价方法基于本文建立的DP-σc关系模型以及钻孔卸压技术对岩爆的弱化机制,提出了基于数字钻探的岩爆弱化效果评价方法。利用数字钻探测试技术对围岩的岩爆倾向性及弱化效果进行评价,实现了高应力岩体岩爆弱化效果的随钻评价,为现场围岩支护设计、施工提供了技术支持。