高应力三轴加卸载条件下的硬岩破裂机制研究

深部地下工程中的岩体在开采扰动作用下内部裂纹不断累积扩展、贯通直至形成宏观破裂，进而引发失稳灾害的问题日益突出。针对深部岩体破裂机制这一科学问题，本项目采用高精度声发射定位监测技术开展不同加载条件下的岩石破坏试验，研究岩石在加载过程中的微裂纹时空演化规律和群集特征，总结不同应力路径下岩石微裂纹破裂机制的差异性，建立基于矩张量理论的硬岩破裂机制分析方法，得到如下结论：（1）对目前常用的声发射定位算法进行了分类总结，采用自回归模型和赤池信息准则判断声发射信号的初动时间，提出一种基于最小二乘法的声发射源组合定位算法，有效地解决了迭代法的初始值问题，保证算法的收敛并且提高迭代算法的收敛速度。经过断铅实验和不同岩样声发射定位实验验证，发现微破裂（声发射源）定位精度良好；（2）综合岩石失稳破坏理论、地球物理学理论、矩张量理论、弹性波理论等多种理论，基于声发射定位技术，开发了声发射震源机制的矩张量分析程序。同时，基于AutoCAD二次开发了3-D显示程序，实现了声发射定位事件的三维显示，对不同震源机制的声发射事件进行划分。通过开展岩石拉伸试验和剪切试验，验证了该方法的可靠性；（3）开展了不同条件下的岩石破坏声发射试验，以声发射定位和震源机制研究为基础，研究微裂纹时空演化规律及应力迁移规律。通过分析不同破裂机制微裂纹所占比例的变化情况，研究了不同破裂模式的微裂纹之间的相关作用机制及与宏观裂纹贯通过程之间的内在关系。同时，总结了基于矩张量理论进行震源机制分析的影响因素；（4）在室内试验研究的基础上，采用微震监测技术对红透山深部采场回采全过程围岩稳定性进行了监测，总结了深部采场开采扰动条件下微震活动衰减规律，分析了爆破前后微震事件多参数变化规律，系统研究了采空区规模和微震参数之间的定量关系，考虑岩体应力分布和演化规律，结合现场巷道破坏特征，研究采场周围不同区域围岩破裂差异性和发生不同失稳破坏的可能性，对不同区域巷道提出具有针对性的现场支护方案。本项目研究成果为深部开采扰动岩体破裂机制研究和地压灾害监测技术应用提供理论指导和技术支撑。 2100433B

深部地下工程中的岩体处于高地应力状态，在开挖过程的加卸载扰动作用下，岩体内裂纹不断累积扩展、贯通直至形成宏观破裂，进而引发失稳灾害的问题日益突出。针对深部岩体破裂机制这一科学问题，项目拟采用高精度声发射定位监测技术开展一系列高应力加卸载条件下硬岩的常规三轴和真三轴实验，研究岩石在加卸载过程中特别是峰后破坏阶段的微裂纹时空演化规律和群集特征；借助Visual C 和AutoCAD系统开发的3-D显示平台，基于矩张量理论分析岩石内部不同破裂机制的微裂纹时空分布特征，揭示微裂纹破裂类型、滑移方向及相互作用机制与最终岩石失稳破坏的内在联系，总结不同应力路径下岩石微裂纹破裂机制的差异性，建立基于矩张量理论的硬岩破裂机制分析方法；最后，将研究成果应用于深部采场开采扰动作用下的矿柱声发射监测研究。本项目的开展将为高地应力开挖扰动岩体破裂机制研究和地压灾害监测技术应用提供理论指导和技术支撑。

在能量、时间与频率、以及质量范畴内，把高地应力下硬岩爆破破裂行为的基础问题，抽象为爆炸加载与高地应力共同作用，致使硬岩产生破裂响应的动静组合能量守恒系统。主要研究：高地应力作用对硬岩中爆炸应力波传播产生影响的规律；不同应力状态下硬岩选择性吸收应力波能量的频谱分量，与地应力作用对爆生裂隙的发育与扩展等破裂行为产生倾向性影响之间，存在的内在联系；高地应力卸荷对破裂行为产生影响的机理；进行不同地应力作用下，2-D与3-D物理模型对比破裂实验，从方法学的角度揭示应力波与地应力作用，对硬岩破裂(碎)结果产生影响的机制；最后，根据硬岩消耗的能量与其损伤、破裂或破碎程度之间，存在的对应关系，基于断裂力学理论和能量守恒原理，探索高地应力下硬岩爆破破裂行为机理。本研究对于提高硬岩地下工程建设质量，控制工程建设与运营风险，满足国民经济持续发展对矿产资源、水电及交通地下工程的需求，具有理论和现实意义。

通过原有和补充的现场实测资料，分别在淮南矿区和兖州矿区埋深1000m的岩巷和煤巷监测验证了深部高地应力条件下围岩存在分区破裂化现象，给出了分区破裂半径预测估算公式，并初步揭示了深部巷道围岩的分区破裂机制。开展了现场岩样的物理力学参数并研究了高围压单侧卸载条件下岩石易产生劈裂变形和破坏的特性。研制了新型柔性均布压力加载装置和多路高精度液压加卸载伺服控制系统，以监测巷道为原型，开展了不同条件下深部高地应力巷道围岩机破坏理相似模型试验和深部巷道瞬间卸载动力响应模拟试验，得到巷道轴向方向为最大主应力方向和瞬间卸载是围岩发生分区破裂的条件。采用数值模拟方法补充了不同条件下巷道围岩变形破坏规律，得到不同围岩系统锚喷网支护后在支护层后面形成损伤区和巷道轴向与地应力夹角为25-30°时围岩的变形破坏产生突变的规律。建立了深部开挖的动力分析模型，导出巷道围岩体扰动应力、应变和位移的近似解析表达式，很好的解释深部开挖过程中围岩体产生的分区破裂化现象。通过FISH语言初步开发了Flac3D分区破裂计算程序，嵌入了基于能量损伤建立的非线性本构关系和破坏强度准则；较好的模拟了深部巷道瞬间开挖卸荷后围岩内产生的拉压应力呈波浪分布特性。采用编制的高地应力动态卸载计算程序，系统研究了不同卸载时间、不同卸载路径、不同隧洞形状、不同地应力和不同巷道直径等条件下，巷道围岩动态卸载的动态响应规律和围岩破坏机理。最后提出了分区破裂围岩控制新方法与新技术，并在现场得到验证。 2100433B

在地下工程及深井采矿等工程领域，高地应力对硬岩爆破破裂行为产生影响。本项目研究高应力硬岩爆破破裂行为的机理。通过20MN双向反力架，对混凝土模型(长60cm×宽60cm×高15cm)侧面施加静荷载(Px，Py)，模拟高地应力作用；采用水中放电爆炸(UDE)加载技术，在模型中央圆孔中施加冲击荷载；利用模型中安装的应变式传感器和压力传感器，测定了静荷载与冲击加载共同作用产生的径向应力波。用数值模拟方法，研究了静荷载的变化，与圆孔周围静应力场差异性分布状态之间存在的关系。分析了静应力场差异分布状态和加载水平的变化，对应力波参数产生影响的趋势。根据能量守恒原理，分析了模型产生倾向性破损力学行为，与静应力场差异性分布以及冲击加载能级之间存在的内在联系，初步揭示了高地应力下硬岩爆破破裂行为的机理。本研究有利提高人们对复杂加载条件岩石破裂行为机理的认识水平，有利于提高硬岩地下工程建设质量，控制工程建设与运营风险，满足国民经济持续发展对矿产资源、水电及交通地下工程的需求，具有理论和现实意义。 2100433B