基于流变扰动耦合作用的石膏矿采空区稳定性动态演化规律试验研究

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我国石膏矿山普遍采用房柱法开采,留下了大量采空区,采空区大面积冒落机理缺乏缺乏系统性的理论。本文以石膏矿石在流变及扰动耦合作用下,岩石力学性质进一步“劣化”的动态演变规律为研究重点,以现场爆破振动测试与分析、室内流变单因素作用、流变扰动耦合试验、FLAC3D数值模拟相结合,试图揭示石膏矿采空区稳定性的动态演变机制,为石膏矿山采空区安全管理奠定基础,同时对地下空间长期稳定性研究有重要的借鉴意义。为了给实验室爆破振动相似模拟提供依据,对石膏矿地下采场-180m水平爆破振动进行了测试和分析,得到了不同爆心距以及单段炸药量所对应的主振频率和峰值振动速度,并回归分析了石膏矿爆破振动衰减规律,得出从而得出相邻矿房内的矿柱与顶板处的峰值振动速度,为爆破振动对矿柱造成的累积损伤提供了依据。在流变单因素作用的试验研究中,首先进行了石膏矿石单轴压缩试验,从而合理的确定石膏试件分级加载流变试验条件下的应力水平分级。对不同应力水平条件下的蠕变曲线的分析,在受到静载荷加载的瞬间,其瞬时变形显著增大,但是其硬化前的变化量增长幅值在较大应力水平下有所减小,石膏矿石的长期流变强度为瞬时强度的75%~80%。为了研究石膏矿石在流变扰动耦合作用下的累积损伤规律,根据石膏矿山爆破振动测试数据,以自制的爆破扰动相似模拟装置进行相似模拟,通过调节空气锤的出口压力来实现不同强度的扰动载荷,得到了不同应力水平和扰动强度下岩石试件扰动流变导致损伤变化规律,从而实现了实验室爆破扰动的相似模拟。对比分析了施加相同应力水平不同冲击载荷条件和相同冲击载荷不同应力水平条件下的石膏声波的波速变化,以所测声波波速的变化来衡量其损伤量,在40%~80%抗压强度的应力水平下,扰动载荷由0.4Mpa~0.8Mpa,对应的损伤量由0.1026~0.3914,得到了石膏矿石在多次扰动下累积损伤与声速变化的对应关系。最终运用Flac3D软件模拟出石膏矿受采场开挖及流变扰动耦合作用的模型位移、应力及塑性区三个方面的变化,从而验证其由于力学性质劣化导致采空区稳定性降低的现象,得出石膏矿采空区长期稳定性受流变及开采爆破造成的扰动影响较大。
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