深部砂岩超低摩擦动力学现象实验及其机理研究

The anomalously low friction phenomenon is one of the typical dynamic phenomena in the deep block rock mass, and frequently the dynaimic dizasters like rockburst or coal burst could be triggered by anomalously low friction of rock blocks. It may bring greater threats to the underground openings, the equipments, and the safety of the mining workers. At present, the research on the dynamic phenomenon of.anomalously low friction dynamic in the deep block rock mass is still in primitive stage. So far, it is not quite clear on the occurrence and disaster-causing mechanism of anomalously low friction phenomenon, and the instability criterion is not established. In this project, the dynamic process of anomalously low friction of granite blocks under the coupled static and dynamic loads will be simulated in the laboratory, and combined with the advanced monitoring equipments, we will obtain the important information in the process of anomalously low friction. And the dynamic deformation characteristics of rock blocks and its interfaces, the dynamic frictional sliding characteristics of rock blocks will be studied, which provides theoretical basis for understanding the occurrence and disaster-causing mechanism of anomalously low friction phenomenon and establishing its instability criterion under coupled static and dynamic loads.

超低摩擦现象是深部工程岩体的主要动力特征科学现象之一，容易诱发岩爆、冲击地压等动力灾害，造成地下工程和设备严重破坏，严重威胁着工作人员的生命安全。目前对深部岩体超低摩擦动力学现象的研究尚处于起步阶段，对其发生及致灾机理认识还不够透彻，也未建立相应的失稳准则。本课题结合现场实际条件，通过实验室内模拟再现满足现场条件的动静组合荷载作用下块系岩体超低摩擦动力学现象过程，并借助先进的监测设备采集超低摩擦过程的重要动力学信息，对岩块及界面动力变形特性、岩块滑动特征等进行深入研究，为揭示动静组合荷载作用下的超低摩擦发生及致灾机理、建立相应失稳准则奠定了重要基础。

随着世界经济和工业的飞速发展，对能源的需求越来越大，矿山开采将不可避免地由现阶段的浅部转入深部。与此同时，核工业、国防工业、交通运输业、水利工程等方面，其规模和深度也都高速发展。岩体工程进入深部以后，呈现出高地应力、高水压、高地温条件，再加上工程的扰动，出现了一些与浅部岩体工程截然不同的动力科学现象，用传统的连续介质力学理论无法很好地解释，如超低摩擦动力学现象，即当岩体受动载荷作用时，应力波在岩体中传播，会引起岩体结构面的摩擦力和摩擦系数大大降低（甚至降低达数倍），具有“摩擦消失”的现象。.目前，超低摩擦现象发生的机理还不清楚。因此，本项目针对超低摩擦这一科学难题，通过实验室内模拟再现超低摩擦动力学现象过程，并借助散斑测量技术采集超低摩擦过程的重要动力学信息，对岩块及界面动力变形特性、岩块滑动特征等进行深入研究。通过分析滑动块体的位移和所受摩擦力的变化来判断超低摩擦现象的产生与否，同时分析块体间距变化及其运动规律来研究超低摩擦现象发生的原因，发现正弦波动载作用下，滑动块体与其相邻块体间距离变大是超低摩擦现象发生的主要原因，从而得出了动静组合荷载作用下超低摩擦发生的机理。此外，还研究了不同层理倾角、不同扰动幅值等因素对超低摩擦现象影响的规律。.单向施加单个和多个正弦波动载诱发超低摩擦现象实验结果表明，施加单个和多个正弦波动载均会诱发超低摩擦现象，滑动块体摩擦力降低及发生滑动均发生在正弦扰动的后半个周期；正弦波动载作用下，滑动岩块与其相邻块体接触状态会由压缩转向疏松，使其间距变大，从而发生超低摩擦现象。不同层理倾角超低摩擦现象实验结果表明，层理倾角越大，超低摩擦效应现象越明显，滑动时间间隔越来越短、滑落现象越来越剧烈。不同扰动幅值超低摩擦现象实验结果表明，随着扰动幅值的增大，发生超低摩擦现象所用时间逐渐减小。