岩体间超低摩擦发生机理的摆型波理论.pdf

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1、第36卷第3期地震地质Vo1．36．No．32014年9月SEISM0LOGYANDGE0L0GYSept．，2014岩体间超低摩擦发生机理的摆型波理论潘一山王凯兴(辽宁工程技术大学力学与工程学院，阜新123000)摘要针对深部冲击地压发生时煤岩体有明显的错动现象，基于块系岩体中的摆型波传播理论，研究摆型波在块系岩体中传播时诱发岩块间的超低摩擦发生机理。通过分析动力作用下岩块间的相对位移最大值，研究块系岩体的超低摩擦发生规律。当岩块间的软弱介质处于拉伸最大值状态时，在侧向扰动作用下岩体极易发生超低摩擦滑动，由此给出了块系岩体的超低摩

2、擦发生判据。最后，通过计算分析了块系岩体自身特性及外界扰动特性对岩块间超低摩擦的影响。基于摆型波理论的超低摩擦发生机理研究，对认识深部岩体错动型冲击地压启动规律具有重要意义。关键词岩石力学块系岩体摆型波超低摩擦中图分类号：P313文献标识码：A文章编号：0253—4967(2014)03—0833—120引言在煤炭深部开采过程中冲击地压动力灾害将更加剧烈和频繁。深部煤岩体在高应力状态下的采动过程中诱发冲击地压能使煤层错动1m多，这种现象在高应力状态下难以解释，极有可能是煤岩体间的摩擦力减弱而诱发的。同时，深部煤岩体的真实存在状态应是

3、具有不同等级的块系结构，块体间摩擦力的变化对煤岩体的结构稳定具有重要影响。在动力作用下块体的运动与块体问的摩擦有密切的关系。岩体间超低摩擦的研究，将对认识深部岩体错动型冲击地压启动规律具有重要意义。Kurlenya等(1999)在对深部块系岩体动力传播研究中发现了岩体的不规则超低摩擦现象并进行了相关实验研究。钱七虎(2004)、王明洋等(2005)分别对深部块系岩体的静力和动力问题中的超低摩擦进行了理论和实验分析。吴吴等(2008)分析了块系岩体中的超低摩擦现象。姚路等(2013)通过实验研究了高速滑动条件下，岩石的摩擦系数会随位移

4、大幅降低。块系岩体的超低摩擦与摆型波动力传播的内在机理联系有待于进一步研究。因此，我们基于块系岩体中的摆型波传播理论来研究岩体中的超低摩擦现象。针对sa—dovsky(1979)提出的深部岩体等级块系构造理论，目前Aleksandrova等(2004，2006，2008)、潘一山等(2012)分别对块系岩体中的摆型波动力学传播过程进行了相关研究，为研究块系岩体中的动力传播诱发岩体间的超低摩擦提供了理论基础。摆型波在块系岩体中传播时，岩块间的软弱连接介质在块体的作用下呈现周期的拉伸和挤压变化。当相邻岩块间的软弱介质在拉伸方向上的相对位

5、移达到最大值时，相邻块体呈现出最大的“剥离”状态，岩块间的正压力相对较小，若在侧向力作用下容易造成块体间的超低摩擦滑移。因此，基于摆型波传播动力模型，研究在外界扰动作用下块系岩体动力响应过程中[收稿日期]2014-07—14收稿，2014-09-09改回。[基金项目]国家重点基础研究发展规划项目(2010CB226803)和国家自然科学基金(51404129)共同资助。834地震地质36卷岩块问相对位移的动态变化。通过岩块问的最大“剥离”即沿传播方向上相邻岩块问相对位移在拉伸方向上的最大值，给出超低摩擦发生准则。同时指出块系岩体中的

6、动力传播还存在岩块问的“超强挤压”现象。1冲击扰动下块系岩体动力模型依据Sadovsky(1979)提出的深部岩体等级块系构造理沦，在块系岩体中的动力传播，会产生一种特殊的岩体动力响应现象——摆型波。Kurlenya等(1993，1996)发现了岩体受爆炸作用产生了信号交错变化的现象，据此用爆炸80o的方法在岩体内部形成空隙时，在岩块的周400围发生块间不同符号的位移相互对应的摆动。皇这一现象的发现使得基于连续介质力学的弹0塑性应力波理论难以给出合理的解释。因此，一40o推测有可能存在一种新型非线性弹性波并称其为摆型波。一80oKu

7、rleny等(2000)从实测波形中分离出来的摆型波波形曲线，如图1。其中，t和t分图1地下爆炸时典的位移波形别为纵波和横波到达时间，￡为摆型波到达时Fig．1Waveformofdisplacementgenerated问，t为摆型波记录时间，V和分别为纵bytypicalundergroundexph)sion．波和横波波速，纵坐标为位移幅值用电压信号表示。在块系介质冲击作用下的动力响应试验以及深部爆炸和岩爆地震波谱分析中均证明了摆型波的存在及其非线性低频、低速特征。摆型波形成于一定冲击能量作用下的不同等级块系块体的错动和旋转过

8、程中。Aleksandrova等(2008)给出摆型波在块系介质中的动力传播模型，如图2所示。其中m为岩块质量，且岩块相比于块体问的软弱连接介质可抽象为刚体，整图2摆型波动力传播模型个块系岩体由n个岩块组成。岩块问的Fig．2Dyna