真三軸缷載下深部巖體破裂特性及誘發(fā)型巖爆機(jī)理研究.pdf

1、礦山深井開(kāi)采面臨著眾多難題，如何改善深部巖體所處的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境——高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓力及爆破、機(jī)械開(kāi)挖等引起的動(dòng)力擾動(dòng)（“三高一擾動(dòng)”）就是其中之一。高應(yīng)力意味著高巖體儲(chǔ)能。在工程開(kāi)挖卸荷過(guò)程中，高應(yīng)力巖體內(nèi)的高儲(chǔ)能被誘發(fā)釋放，從而導(dǎo)致圍巖破裂并誘發(fā)巖爆等大規(guī)模工程災(zāi)害。本文從高地應(yīng)力受力環(huán)境出發(fā)，利用自行研制的巖石真三軸電液伺服誘變（擾動(dòng)）試驗(yàn)系統(tǒng)，深入研究真三軸卸荷狀態(tài)下高應(yīng)力巖石的力學(xué)特性及動(dòng)載荷誘發(fā)巖爆的可能性，揭示深

2、部巖爆災(zāi)害的擾動(dòng)誘發(fā)機(jī)理。主要研究?jī)?nèi)容及研究成果如下:
　　(1)深部工程巖體主要受到卸荷損傷和應(yīng)力調(diào)整集中的作用，利用自行設(shè)計(jì)的巖石真三軸電液伺服誘變（擾動(dòng)）試驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)不同應(yīng)力狀態(tài)下花崗巖、紅砂巖及水泥砂漿的立方試件進(jìn)行了真三軸卸載壓縮破壞試驗(yàn)。研究結(jié)果表明卸載后二維受力下巖石的抗壓強(qiáng)度隨中間主應(yīng)力的增大而增大，但增大的幅度逐漸降低。當(dāng)單軸壓縮或中間主應(yīng)力較小時(shí)，巖石破壞模式為剪切破壞;隨著中間主應(yīng)力的增大，巖石的破壞模式逐漸由

3、剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榘辶哑茐摹?br>　　從本文的研究結(jié)果得出巖石發(fā)生板裂破壞不僅與巖性有關(guān)，還與其應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。
　　(2)基于莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則分析了巖石破壞模式的轉(zhuǎn)變。通過(guò)莫爾-庫(kù)倫定律計(jì)算的不同應(yīng)力水平下巖石的計(jì)算強(qiáng)度與花崗巖和紅砂巖試件的測(cè)試強(qiáng)度的比較發(fā)現(xiàn)，測(cè)試強(qiáng)度值明顯低于計(jì)算強(qiáng)度值，說(shuō)明巖石破壞時(shí)強(qiáng)度不再符合莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則，破壞模式由剪切破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榘辶哑茐摹?br>　　(3)利用聲發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)與紅外熱像儀對(duì)巖石板裂破壞

4、時(shí)的聲發(fā)射數(shù)及溫度變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過(guò)聲發(fā)射計(jì)數(shù)分析得出剪切裂紋的產(chǎn)生伴隨著整個(gè)加載過(guò)程，而板裂裂紋不同于剪切裂紋，是在巖石受力達(dá)到一定程度時(shí)才產(chǎn)生。
　　單軸壓縮條件下，巖石發(fā)生剪切破壞，壓縮椎體表面溫度變化顯著;當(dāng)中間主應(yīng)力較小時(shí)，巖石下半部分先發(fā)生破壞，然后再發(fā)生整體破壞，巖石破壞形式為剪切破壞;當(dāng)中間主應(yīng)力較大時(shí)，整個(gè)試樣表面溫度均有明顯的升高，說(shuō)明巖石的破壞形式為板裂破壞。
　　(4)根據(jù)地下工程開(kāi)挖下巖體受力路徑

5、及板裂破壞發(fā)生條件，開(kāi)展了擾動(dòng)誘發(fā)巖爆試驗(yàn)。對(duì)真三軸卸載下試件施加擾動(dòng)載荷，研究證明無(wú)論擾動(dòng)載荷是垂直最大主應(yīng)力方向還是沿著最大主應(yīng)力方向施加，只要載荷幅值達(dá)到一定程度均可誘發(fā)巖爆破壞。根據(jù)擾動(dòng)誘發(fā)巖爆試驗(yàn)，提出了擾動(dòng)誘發(fā)巖爆結(jié)構(gòu)演化模型。
　　(5)運(yùn)用離散元PFC3D程序?qū)_動(dòng)誘發(fā)巖爆進(jìn)行了數(shù)值模擬，從微觀角度分析得到了與試驗(yàn)結(jié)果相一致的結(jié)論。當(dāng)擾動(dòng)載荷的幅值為300、400、500 kN時(shí)，試件內(nèi)部有微裂紋擴(kuò)展，但趨于穩(wěn)定，