高應力三軸加卸載條件下的硬巖破裂機制研究中文摘要

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

深部地下工程中的巖體在開采擾動作用下內(nèi)部裂紋不斷累積擴展、貫通直至形成宏觀破裂，進而引發(fā)失穩(wěn)災害的問題日益突出。針對深部巖體破裂機制這一科學問題，本項目采用高精度聲發(fā)射定位監(jiān)測技術(shù)開展不同加載條件下的巖石破壞試驗，研究巖石在加載過程中的微裂紋時空演化規(guī)律和群集特征，總結(jié)不同應力路徑下巖石微裂紋破裂機制的差異性，建立基于矩張量理論的硬巖破裂機制分析方法，得到如下結(jié)論：（1）對目前常用的聲發(fā)射定位算法進行了分類總結(jié)，采用自回歸模型和赤池信息準則判斷聲發(fā)射信號的初動時間，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題，保證算法的收斂并且提高迭代算法的收斂速度。經(jīng)過斷鉛實驗和不同巖樣聲發(fā)射定位實驗驗證，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)，開發(fā)了聲發(fā)射震源機制的矩張量分析程序。同時，基于AutoCAD二次開發(fā)了3-D顯示程序，實現(xiàn)了聲發(fā)射定位事件的三維顯示，對不同震源機制的聲發(fā)射事件進行劃分。通過開展巖石拉伸試驗和剪切試驗，驗證了該方法的可靠性；（3）開展了不同條件下的巖石破壞聲發(fā)射試驗，以聲發(fā)射定位和震源機制研究為基礎，研究微裂紋時空演化規(guī)律及應力遷移規(guī)律。通過分析不同破裂機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)作用機制及與宏觀裂紋貫通過程之間的內(nèi)在關(guān)系。同時，總結(jié)了基于矩張量理論進行震源機制分析的影響因素；（4）在室內(nèi)試驗研究的基礎上，采用微震監(jiān)測技術(shù)對紅透山深部采場回采全過程圍巖穩(wěn)定性進行了監(jiān)測，總結(jié)了深部采場開采擾動條件下微震活動衰減規(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，考慮巖體應力分布和演化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場巷道破壞特征，研究采場周圍不同區(qū)域圍巖破裂差異性和發(fā)生不同失穩(wěn)破壞的可能性，對不同區(qū)域巷道提出具有針對性的現(xiàn)場支護方案。本項目研究成果為深部開采擾動巖體破裂機制研究和地壓災害監(jiān)測技術(shù)應用提供理論指導和技術(shù)支撐。 2100433B

在能量、時間與頻率、以及質(zhì)量范疇內(nèi)，把高地應力下硬巖爆破破裂行為的基礎問題，抽象為爆炸加載與高地應力共同作用，致使硬巖產(chǎn)生破裂響應的動靜組合能量守恒系統(tǒng)。主要研究：高地應力作用對硬巖中爆炸應力波傳播產(chǎn)生影響的規(guī)律；不同應力狀態(tài)下硬巖選擇性吸收應力波能量的頻譜分量，與地應力作用對爆生裂隙的發(fā)育與擴展等破裂行為產(chǎn)生傾向性影響之間，存在的內(nèi)在聯(lián)系；高地應力卸荷對破裂行為產(chǎn)生影響的機理；進行不同地應力作用下，2-D與3-D物理模型對比破裂實驗，從方法學的角度揭示應力波與地應力作用，對硬巖破裂(碎)結(jié)果產(chǎn)生影響的機制；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，存在的對應關(guān)系，基于斷裂力學理論和能量守恒原理，探索高地應力下硬巖爆破破裂行為機理。本研究對于提高硬巖地下工程建設質(zhì)量，控制工程建設與運營風險，滿足國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展對礦產(chǎn)資源、水電及交通地下工程的需求，具有理論和現(xiàn)實意義。

通過原有和補充的現(xiàn)場實測資料，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)測驗證了深部高地應力條件下圍巖存在分區(qū)破裂化現(xiàn)象，給出了分區(qū)破裂半徑預測估算公式，并初步揭示了深部巷道圍巖的分區(qū)破裂機制。開展了現(xiàn)場巖樣的物理力學參數(shù)并研究了高圍壓單側(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壓力加載裝置和多路高精度液壓加卸載伺服控制系統(tǒng)，以監(jiān)測巷道為原型，開展了不同條件下深部高地應力巷道圍巖機破壞理相似模型試驗和深部巷道瞬間卸載動力響應模擬試驗，得到巷道軸向方向為最大主應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)支護后在支護層后面形成損傷區(qū)和巷道軸向與地應力夾角為25-30°時圍巖的變形破壞產(chǎn)生突變的規(guī)律。建立了深部開挖的動力分析模型，導出巷道圍巖體擾動應力、應變和位移的近似解析表達式，很好的解釋深部開挖過程中圍巖體產(chǎn)生的分區(qū)破裂化現(xiàn)象。通過FISH語言初步開發(fā)了Flac3D分區(qū)破裂計算程序，嵌入了基于能量損傷建立的非線性本構(gòu)關(guān)系和破壞強度準則；較好的模擬了深部巷道瞬間開挖卸荷后圍巖內(nèi)產(chǎn)生的拉壓應力呈波浪分布特性。采用編制的高地應力動態(tài)卸載計算程序，系統(tǒng)研究了不同卸載時間、不同卸載路徑、不同隧洞形狀、不同地應力和不同巷道直徑等條件下，巷道圍巖動態(tài)卸載的動態(tài)響應規(guī)律和圍巖破壞機理。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)場得到驗證。 2100433B

在地下工程及深井采礦等工程領(lǐng)域，高地應力對硬巖爆破破裂行為產(chǎn)生影響。本項目研究高應力硬巖爆破破裂行為的機理。通過20MN雙向反力架，對混凝土模型(長60cm×寬60cm×高15cm)側(cè)面施加靜荷載(Px，Py)，模擬高地應力作用；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變式傳感器和壓力傳感器，測定了靜荷載與沖擊加載共同作用產(chǎn)生的徑向應力波。用數(shù)值模擬方法，研究了靜荷載的變化，與圓孔周圍靜應力場差異性分布狀態(tài)之間存在的關(guān)系。分析了靜應力場差異分布狀態(tài)和加載水平的變化，對應力波參數(shù)產(chǎn)生影響的趨勢。根據(jù)能量守恒原理，分析了模型產(chǎn)生傾向性破損力學行為，與靜應力場差異性分布以及沖擊加載能級之間存在的內(nèi)在聯(lián)系，初步揭示了高地應力下硬巖爆破破裂行為的機理。本研究有利提高人們對復雜加載條件巖石破裂行為機理的認識水平，有利于提高硬巖地下工程建設質(zhì)量，控制工程建設與運營風險，滿足國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展對礦產(chǎn)資源、水電及交通地下工程的需求，具有理論和現(xiàn)實意義。 2100433B