高应力硬岩卸荷变形破裂机理与模型

以深埋工程硬岩为研究对象，通过不同高应力状态/路径变化以及不同卸载强度和不同卸载速率下岩石的真三轴卸荷试验以及典型深部工程围岩开挖变形破裂演化过程中变形、弹性波、钻孔摄像、声发射与微震等的综合实时监测，揭示其变形破坏机理及其强度特性；引入系统辨识和全局优化的智能分析思想，研究考虑三向高应力状态变化、卸载速率效应和围岩时空弱化特征的模型结构自组织与参数自适应耦合识别方法，建立新型岩石强度准则和力学模型；提出与深部开挖围岩损伤演化相适应的岩体力学参数多元信息智能反演方法，研究深部开挖卸荷围岩力学参数的时空演化规律；从而建立能够反映开挖卸荷效应和围岩时空劣化特征的深部围岩稳定性分析方法，为资源深部开采以及深部岩石工程建设提供必要的基础理论和分析工具。 2100433B

《高地应力硬岩诱导卸荷与多截齿协同破岩机理》共分为7章：第1章绪论主要介绍岩石掘进技术的研究进展；第2章主要对高地应力岩石破碎特性分析；第3章详细分析岩石的诱导卸荷规律；第4章开展截齿的协同破岩规律研究：第5章和第6章分别依据第3章和第4章的研究内容，获得评价截割的表征方法，并利用截割能量消耗表征结果设计混杂控制系统，最终实现高效截割；在第6章的基础上，得出第7章的研究结果。

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状及不足

1．3 研究内容及方法

1．4 主要创新点

2 高地应力岩石破碎特性分析

2．1 岩石破碎理论基础研究

2．1．1 岩石力学概述

2．1．2 钻头破岩形式及钻头的选择

2．2 高地应力岩石的特性研究

2．2．1 岩石的强度特性

2．2．2 岩石的流变特性

2．2．3 岩石的脆性一延性转化特性

2．2．4 岩石的破坏特性

2．3 钻孔与截齿的破碎影响因素研究

2．4 本章小结

3 岩石的诱导卸荷规律研究

3．1 岩石数值模拟的模型研究

3．2 不同钻孔参数对岩石卸荷效应的影响

3．2．1 单孔模拟结果分析

3．2．2 多孔模拟结果及分析

3．3 不同地质条件对岩石卸荷效应的影响

3．3．1 不同地应力对单孔钻孔参数的影响

3．3．2 不同地应力对多孔钻孔参数的影响

3．4 诱导卸荷模型的研究

3．4．1 卸荷场分析

3．4．2 卸荷岩体力学参数反演分析

3．4．3 岩体卸荷等效模型

3．5 本章小结

4 截齿的协同破岩规律研究

4．1 不同截割参数对岩石破碎的影响

4．1．1 截割模型及截割方案确定

4．1．2 单齿不同工况下截割过程有限元分析

4．2 多截齿不同顺序截割对岩石破碎的影响

4．2．1 同时截割

4．2．2 分步截割

4．3 本章小结

5 截割能效的表征研究

5．1 岩石冲击性能评价模型研究

5．1．1 冲击钻头一岩石物理模型的建立

5．1．2 有限元模型的网格划分

5．1．3 钻头破岩仿真模型的参数设置

5．1．4 仿真结果分析

5．2 截齿截割性能评价模型研究

5．2．1 单截齿截割性能对比

5．2．2 多截齿截割性能对比

5．3 本章小结

6 诱导卸荷与连续截割的混杂系统建模研究

6．1 混杂系统理论综述

6．1．1 混杂系统的定义

6．1．2 混杂系统的特点

6．1．3 混杂系统的分类

6．1．4 混杂系统的应用

6．2 钻孔截割协同破岩系统结构及工作原理

6．2．1 钻孔系统的结构及工作原理

6．2．2 截割系统的结构及工作原理

6．2．3 钻孔截割协同破岩系统及其混杂特性分析

6．3 钻孔与截齿协同破岩混杂系统建模

6．3．1 混杂系统建模方法

6．3．2 建模实现

6．4 非线性求解研究

6．4．1 标准粒子群优化算法

6．4．2 改进粒子群优化算法MPSO的非线性方程组求解

6．5 本章小结

7 结论

参考文献2100433B

在能量、时间与频率、以及质量范畴内，把高地应力下硬岩爆破破裂行为的基础问题，抽象为爆炸加载与高地应力共同作用，致使硬岩产生破裂响应的动静组合能量守恒系统。主要研究：高地应力作用对硬岩中爆炸应力波传播产生影响的规律；不同应力状态下硬岩选择性吸收应力波能量的频谱分量，与地应力作用对爆生裂隙的发育与扩展等破裂行为产生倾向性影响之间，存在的内在联系；高地应力卸荷对破裂行为产生影响的机理；进行不同地应力作用下，2-D与3-D物理模型对比破裂实验，从方法学的角度揭示应力波与地应力作用，对硬岩破裂(碎)结果产生影响的机制；最后，根据硬岩消耗的能量与其损伤、破裂或破碎程度之间，存在的对应关系，基于断裂力学理论和能量守恒原理，探索高地应力下硬岩爆破破裂行为机理。本研究对于提高硬岩地下工程建设质量，控制工程建设与运营风险，满足国民经济持续发展对矿产资源、水电及交通地下工程的需求，具有理论和现实意义。