加锚组合岩体卸荷破坏规律及声发射特征研究

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沉积岩中层状岩体复杂的内部构造是造成围岩失稳、冲击地压等工程灾害发生重要因素之一,而工程开挖效应对巷道以及隧道周围岩体的力学性能有着重要影响。因此研究加锚组合岩体在卸荷作用下的力学性能与能量演化规律以及声发射参数的关系对工程安全生产有着重要意义。本文以枣庄某煤矿矿井内煤岩组合体为研究对象,采用水泥砂浆制成的岩体相似材料,通过不同胶结角度制作成的组合岩体,再打入锚杆制成加锚标准试件,进行真实开挖下三轴卸围压试验以及声发射特征试验,探究加锚组合岩体在加卸载作用下失稳破坏的力学特征,从能量演化和声发射参数方面解释其破坏规律,进一步了解锚杆对不同接触面倾角组合岩体的各项特征的影响。本文通过室内试验的研究方法,对加锚组合岩体进行了大量的力学试验,主要研究工作如下:(1)基于试验结果,分析加锚组合岩体在加卸载作用下的强度破坏规律,研究锚杆对组合岩体力学参数的影响。试验结果表明:锚杆在大倾角、低围压下对岩体的力学特性的提升较大,锚固效果更明显;相比常规三轴试验,加锚组合岩体在三轴卸围压条件下,特别是在卸围压速率较大条件下更容易发生破坏;受围压作用的影响,初始围压越大,岩样的强度越大,利用Mohr-Coulomb准则能较好拟合其结果;接触面倾角也是影响岩体力学性质的重要因素,随接触面倾角增大,岩体的强度呈逐渐减小的规律,最小值在60°时取得;结合不同卸围压速率下加锚组合岩体卸荷破坏应力应变曲线演化规律,建立了加锚组合岩体卸荷破坏非线性本构关系。(2)基于热力学第一定律,利用能量计算公式计算得到加卸载条件下加锚组合岩体各能量指标,从能量角度解释其失稳破坏规律。结果表明:随着卸围压速率的增大,加锚组合岩体峰值点各项能量值整体上呈减小的趋势,其原因是在高卸荷速率下,岩样内部裂隙发育扩展比较不完全,消耗能量较少;受围压作用的影响,各项能量指标随初始围压的增长呈增长趋势,失稳时释放和消耗的能量也越多,破坏更剧烈;随接触面倾角增大,加锚组合岩体各项能量整体上呈减小的趋势,最小值在60°时。(3)基于声发射特征试验,分析岩样失稳破坏时声发射参数演化规律,研究加卸载条件下对声发射振铃计数率与振幅的影响。试验结果表明:随着卸围压速率的增大,加锚组合岩体的振铃计数率的最值逐渐增大,但是累计振铃计数率减小,振幅有增大的趋势,峰值“滞后”时候缩短,岩样更容易破坏;随着初始围压的增大,岩体内部集聚能量越多,声发射活跃期增长,累计振铃计数率呈逐渐增大趋势;接触面倾角较大的岩样受破裂形式影响,沿接触面滑动,产生少量声发信号。声发射计数率在岩样破坏时会出现极度活跃的现象,振幅会出现强度变高,两种声发射信号现象均在作为加锚组合岩体失稳破坏的前兆特征。
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