高應(yīng)力三軸加卸載條件下的硬巖破裂機(jī)制研究

深部地下工程中的巖體在開(kāi)采擾動(dòng)作用下內(nèi)部裂紋不斷累積擴(kuò)展、貫通直至形成宏觀破裂，進(jìn)而引發(fā)失穩(wěn)災(zāi)害的問(wèn)題日益突出。針對(duì)深部巖體破裂機(jī)制這一科學(xué)問(wèn)題，本項(xiàng)目采用高精度聲發(fā)射定位監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展不同加載條件下的巖石破壞試驗(yàn)，研究巖石在加載過(guò)程中的微裂紋時(shí)空演化規(guī)律和群集特征，總結(jié)不同應(yīng)力路徑下巖石微裂紋破裂機(jī)制的差異性，建立基于矩張量理論的硬巖破裂機(jī)制分析方法，得到如下結(jié)論：（1）對(duì)目前常用的聲發(fā)射定位算法進(jìn)行了分類總結(jié)，采用自回歸模型和赤池信息準(zhǔn)則判斷聲發(fā)射信號(hào)的初動(dòng)時(shí)間，提出一種基于最小二乘法的聲發(fā)射源組合定位算法，有效地解決了迭代法的初始值問(wèn)題，保證算法的收斂并且提高迭代算法的收斂速度。經(jīng)過(guò)斷鉛實(shí)驗(yàn)和不同巖樣聲發(fā)射定位實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)微破裂（聲發(fā)射源）定位精度良好；（2）綜合巖石失穩(wěn)破壞理論、地球物理學(xué)理論、矩張量理論、彈性波理論等多種理論，基于聲發(fā)射定位技術(shù)，開(kāi)發(fā)了聲發(fā)射震源機(jī)制的矩張量分析程序。同時(shí)，基于AutoCAD二次開(kāi)發(fā)了3-D顯示程序，實(shí)現(xiàn)了聲發(fā)射定位事件的三維顯示，對(duì)不同震源機(jī)制的聲發(fā)射事件進(jìn)行劃分。通過(guò)開(kāi)展巖石拉伸試驗(yàn)和剪切試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法的可靠性；（3）開(kāi)展了不同條件下的巖石破壞聲發(fā)射試驗(yàn)，以聲發(fā)射定位和震源機(jī)制研究為基礎(chǔ)，研究微裂紋時(shí)空演化規(guī)律及應(yīng)力遷移規(guī)律。通過(guò)分析不同破裂機(jī)制微裂紋所占比例的變化情況，研究了不同破裂模式的微裂紋之間的相關(guān)作用機(jī)制及與宏觀裂紋貫通過(guò)程之間的內(nèi)在關(guān)系。同時(shí)，總結(jié)了基于矩張量理論進(jìn)行震源機(jī)制分析的影響因素；（4）在室內(nèi)試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)紅透山深部采場(chǎng)回采全過(guò)程圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，總結(jié)了深部采場(chǎng)開(kāi)采擾動(dòng)條件下微震活動(dòng)衰減規(guī)律，分析了爆破前后微震事件多參數(shù)變化規(guī)律，系統(tǒng)研究了采空區(qū)規(guī)模和微震參數(shù)之間的定量關(guān)系，考慮巖體應(yīng)力分布和演化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞特征，研究采場(chǎng)周圍不同區(qū)域圍巖破裂差異性和發(fā)生不同失穩(wěn)破壞的可能性，對(duì)不同區(qū)域巷道提出具有針對(duì)性的現(xiàn)場(chǎng)支護(hù)方案。本項(xiàng)目研究成果為深部開(kāi)采擾動(dòng)巖體破裂機(jī)制研究和地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。 2100433B

深部地下工程中的巖體處于高地應(yīng)力狀態(tài)，在開(kāi)挖過(guò)程的加卸載擾動(dòng)作用下，巖體內(nèi)裂紋不斷累積擴(kuò)展、貫通直至形成宏觀破裂，進(jìn)而引發(fā)失穩(wěn)災(zāi)害的問(wèn)題日益突出。針對(duì)深部巖體破裂機(jī)制這一科學(xué)問(wèn)題，項(xiàng)目擬采用高精度聲發(fā)射定位監(jiān)測(cè)技術(shù)開(kāi)展一系列高應(yīng)力加卸載條件下硬巖的常規(guī)三軸和真三軸實(shí)驗(yàn)，研究巖石在加卸載過(guò)程中特別是峰后破壞階段的微裂紋時(shí)空演化規(guī)律和群集特征；借助Visual C 和AutoCAD系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的3-D顯示平臺(tái)，基于矩張量理論分析巖石內(nèi)部不同破裂機(jī)制的微裂紋時(shí)空分布特征，揭示微裂紋破裂類型、滑移方向及相互作用機(jī)制與最終巖石失穩(wěn)破壞的內(nèi)在聯(lián)系，總結(jié)不同應(yīng)力路徑下巖石微裂紋破裂機(jī)制的差異性，建立基于矩張量理論的硬巖破裂機(jī)制分析方法；最后，將研究成果應(yīng)用于深部采場(chǎng)開(kāi)采擾動(dòng)作用下的礦柱聲發(fā)射監(jiān)測(cè)研究。本項(xiàng)目的開(kāi)展將為高地應(yīng)力開(kāi)挖擾動(dòng)巖體破裂機(jī)制研究和地壓災(zāi)害監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。

在能量、時(shí)間與頻率、以及質(zhì)量范疇內(nèi)，把高地應(yīng)力下硬巖爆破破裂行為的基礎(chǔ)問(wèn)題，抽象為爆炸加載與高地應(yīng)力共同作用，致使硬巖產(chǎn)生破裂響應(yīng)的動(dòng)靜組合能量守恒系統(tǒng)。主要研究：高地應(yīng)力作用對(duì)硬巖中爆炸應(yīng)力波傳播產(chǎn)生影響的規(guī)律；不同應(yīng)力狀態(tài)下硬巖選擇性吸收應(yīng)力波能量的頻譜分量，與地應(yīng)力作用對(duì)爆生裂隙的發(fā)育與擴(kuò)展等破裂行為產(chǎn)生傾向性影響之間，存在的內(nèi)在聯(lián)系；高地應(yīng)力卸荷對(duì)破裂行為產(chǎn)生影響的機(jī)理；進(jìn)行不同地應(yīng)力作用下，2-D與3-D物理模型對(duì)比破裂實(shí)驗(yàn)，從方法學(xué)的角度揭示應(yīng)力波與地應(yīng)力作用，對(duì)硬巖破裂(碎)結(jié)果產(chǎn)生影響的機(jī)制；最后，根據(jù)硬巖消耗的能量與其損傷、破裂或破碎程度之間，存在的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于斷裂力學(xué)理論和能量守恒原理，探索高地應(yīng)力下硬巖爆破破裂行為機(jī)理。本研究對(duì)于提高硬巖地下工程建設(shè)質(zhì)量，控制工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源、水電及交通地下工程的需求，具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。

通過(guò)原有和補(bǔ)充的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，分別在淮南礦區(qū)和兗州礦區(qū)埋深1000m的巖巷和煤巷監(jiān)測(cè)驗(yàn)證了深部高地應(yīng)力條件下圍巖存在分區(qū)破裂化現(xiàn)象，給出了分區(qū)破裂半徑預(yù)測(cè)估算公式，并初步揭示了深部巷道圍巖的分區(qū)破裂機(jī)制。開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)巖樣的物理力學(xué)參數(shù)并研究了高圍壓?jiǎn)蝹?cè)卸載條件下巖石易產(chǎn)生劈裂變形和破壞的特性。研制了新型柔性均布?jí)毫虞d裝置和多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)巷道為原型，開(kāi)展了不同條件下深部高地應(yīng)力巷道圍巖機(jī)破壞理相似模型試驗(yàn)和深部巷道瞬間卸載動(dòng)力響應(yīng)模擬試驗(yàn)，得到巷道軸向方向?yàn)樽畲笾鲬?yīng)力方向和瞬間卸載是圍巖發(fā)生分區(qū)破裂的條件。采用數(shù)值模擬方法補(bǔ)充了不同條件下巷道圍巖變形破壞規(guī)律，得到不同圍巖系統(tǒng)錨噴網(wǎng)支護(hù)后在支護(hù)層后面形成損傷區(qū)和巷道軸向與地應(yīng)力夾角為25-30°時(shí)圍巖的變形破壞產(chǎn)生突變的規(guī)律。建立了深部開(kāi)挖的動(dòng)力分析模型，導(dǎo)出巷道圍巖體擾動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變和位移的近似解析表達(dá)式，很好的解釋深部開(kāi)挖過(guò)程中圍巖體產(chǎn)生的分區(qū)破裂化現(xiàn)象。通過(guò)FISH語(yǔ)言初步開(kāi)發(fā)了Flac3D分區(qū)破裂計(jì)算程序，嵌入了基于能量損傷建立的非線性本構(gòu)關(guān)系和破壞強(qiáng)度準(zhǔn)則；較好的模擬了深部巷道瞬間開(kāi)挖卸荷后圍巖內(nèi)產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力呈波浪分布特性。采用編制的高地應(yīng)力動(dòng)態(tài)卸載計(jì)算程序，系統(tǒng)研究了不同卸載時(shí)間、不同卸載路徑、不同隧洞形狀、不同地應(yīng)力和不同巷道直徑等條件下，巷道圍巖動(dòng)態(tài)卸載的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律和圍巖破壞機(jī)理。最后提出了分區(qū)破裂圍巖控制新方法與新技術(shù)，并在現(xiàn)場(chǎng)得到驗(yàn)證。 2100433B

在地下工程及深井采礦等工程領(lǐng)域，高地應(yīng)力對(duì)硬巖爆破破裂行為產(chǎn)生影響。本項(xiàng)目研究高應(yīng)力硬巖爆破破裂行為的機(jī)理。通過(guò)20MN雙向反力架，對(duì)混凝土模型(長(zhǎng)60cm×寬60cm×高15cm)側(cè)面施加靜荷載(Px，Py)，模擬高地應(yīng)力作用；采用水中放電爆炸(UDE)加載技術(shù)，在模型中央圓孔中施加沖擊荷載；利用模型中安裝的應(yīng)變式傳感器和壓力傳感器，測(cè)定了靜荷載與沖擊加載共同作用產(chǎn)生的徑向應(yīng)力波。用數(shù)值模擬方法，研究了靜荷載的變化，與圓孔周圍靜應(yīng)力場(chǎng)差異性分布狀態(tài)之間存在的關(guān)系。分析了靜應(yīng)力場(chǎng)差異分布狀態(tài)和加載水平的變化，對(duì)應(yīng)力波參數(shù)產(chǎn)生影響的趨勢(shì)。根據(jù)能量守恒原理，分析了模型產(chǎn)生傾向性破損力學(xué)行為，與靜應(yīng)力場(chǎng)差異性分布以及沖擊加載能級(jí)之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，初步揭示了高地應(yīng)力下硬巖爆破破裂行為的機(jī)理。本研究有利提高人們對(duì)復(fù)雜加載條件巖石破裂行為機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平，有利于提高硬巖地下工程建設(shè)質(zhì)量，控制工程建設(shè)與運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展對(duì)礦產(chǎn)資源、水電及交通地下工程的需求，具有理論和現(xiàn)實(shí)意義。 2100433B