真三軸缷載下深部巖體破裂特性及誘發(fā)型巖爆機理研究.pdf

1、礦山深井開采面臨著眾多難題，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、機械開挖等引起的動力擾動（“三高一擾動”）就是其中之一。高應(yīng)力意味著高巖體儲能。在工程開挖卸荷過程中，高應(yīng)力巖體內(nèi)的高儲能被誘發(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）試驗系統(tǒng)，深入研究真三軸卸荷狀態(tài)下高應(yīng)力巖石的力學(xué)特性及動載荷誘發(fā)巖爆的可能性，揭示深

2、部巖爆災(zāi)害的擾動誘發(fā)機理。主要研究內(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)計的巖石真三軸電液伺服誘變（擾動）試驗系統(tǒng)對不同應(yīng)力狀態(tài)下花崗巖、紅砂巖及水泥砂漿的立方試件進行了真三軸卸載壓縮破壞試驗。研究結(jié)果表明卸載后二維受力下巖石的抗壓強度隨中間主應(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，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-庫倫強度準(zhǔn)則分析了巖石破壞模式的轉(zhuǎn)變。通過莫爾-庫倫定律計算的不同應(yīng)力水平下巖石的計算強度與花崗巖和紅砂巖試件的測試強度的比較發(fā)現(xiàn)，測試強度值明顯低于計算強度值，說明巖石破壞時強度不再符合莫爾-庫倫強度準(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)射測試系統(tǒng)與紅外熱像儀對巖石板裂破壞

4、時的聲發(fā)射數(shù)及溫度變化進行了監(jiān)測。通過聲發(fā)射計數(shù)分析得出剪切裂紋的產(chǎn)生伴隨著整個加載過程，而板裂裂紋不同于剪切裂紋，是在巖石受力達到一定程度時才產(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，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，整個試樣表面溫度均有明顯的升高，說明巖石的破壞形式為板裂破壞。
　　(4)根據(jù)地下工程開挖下巖體受力路徑

5、及板裂破壞發(fā)生條件，開展了擾動誘發(fā)巖爆試驗。對真三軸卸載下試件施加擾動載荷，研究證明無論擾動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，只要載荷幅值達到一定程度均可誘發(fā)巖爆破壞。根據(jù)擾動誘發(fā)巖爆試驗，提出了擾動誘發(fā)巖爆結(jié)構(gòu)演化模型。
　　(5)運用離散元PFC3D程序?qū)_動誘發(fā)巖爆進行了數(shù)值模擬，從微觀角度分析得到了與試驗結(jié)果相一致的結(jié)論。當(dāng)擾動載荷的幅值為300、400、500 kN時，試件內(nèi)部有微裂紋擴展，但趨于穩(wěn)定，