深部复杂岩土介质物理构造力学性质及工程效应结题摘要

深部岩土体工程地质条件及其赋存的地质环境是深部地下工程的物质基础，随着深度的加大，地质环境和条件越来越复杂，各种灾害也呈现越来越严重和频繁的趋势。针对以上问题，本项目综合运用理论研究、力学实验、数值计算、相似实验等手段，对深部复杂岩土介质物理构造力学特性及工程效应展开系统研究，实现了深部复杂岩土介质中地下工程安全建设及提高其使用效率和寿命的目标。主要研究结论和创新点： （1）揭示了加载速率对岩石能量积聚与耗散演化及分配规律的影响，考虑不同路径多方位弹性波衰减的物理特征，开发了微震事件三维实时自动识别勘探技术与介质物性能量反演表征技术。针对深部破裂岩体强度特征与变形破坏机理的科学问题，分析了围压对砂岩峰值强度、残余强度和弹性模量的影响；结合X-ray微米CT扫描系统，研究了大理岩在不同围压作用下的变形破坏机理及脆延性转化机制。 （2）获得了天然岩体介质孔隙结构的几何、统计特征，结合自主开发的高效并行重构算法，建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型。综合运用CT扫描，3D打印和光弹性法，开展了孔隙与裂隙岩体非连续结构的分形重构及其应力场、裂隙场、渗流场三维可视化的研究，观测到了岩石破裂过程中剪切破坏带以及裂纹的萌生和扩展过程。 （3）基于斜井外荷载形式非单一性、荷载分布非中心对称性两大基本特点，建立了圆柱坐标系下的斜井井筒（冻结壁）外荷载计算模型。结合斜井冻结壁力学模型边界条件，提出了斜井冻结壁厚度计算公式。 （4）形成了以深部强动压、破裂围岩巷道稳定性控制技术，复合井壁结构多圈孔分圈异步冻结技术，采动岩体采充一体化主动控制理论与技术等多项成套创新技术体系。结合理论和试验结果，与河南龙门煤业公司、陕北榆林小纪汗煤矿、内蒙古不连沟煤矿、山西潞安集团、山东唐口煤业公司等大型企业联合开展了工业性试验和成果的初步推广工作，取得了显著的经济社会效益。 2100433B

深部复杂岩土介质稳定性控制是深部开发技术的核心内容之一。本项目针对我国迫切需要开发的深部复杂岩土介质稳定性控制技术展开深入的基础理论和应用研究，主要研究内容和思路为：运用岩石力学理论和深部开采理论，系统研究复杂岩土介质的物理力学性质和本构关系、工程结构荷载性质、节理裂隙发育与演化规律、变形能分配规律及其与工程环境相互作用机制，揭示深部复杂岩土介质的破裂演化机理，提出复杂岩土介质弹性波勘探方法、采动岩体“结构关键层” “隔水关键层”稳定性控制原理及深部复杂岩土介质中冻结体和井壁的稳定性计算理论，并深入研究应用复杂岩土介质稳定性控制技术进行深部开发的原理和方法；初步建立深部复杂岩土介质稳定性控制模式。本项研究中将传统“相对独立的宏观、介观、细观研究层面”转变为“其与多相和多场耦合研究统筹协调”对深部复杂岩土介质性质及工程效应进行研究，提高开发利用深部地下资源及地下空间的安全性。

1、煤矿井巷工程三维物理模拟试验； 2、 深部井巷工程的新型支护技术、支护工艺、支护材料研究； 3、隧道工程及煤矿井壁结构物理相似模拟试验； 4、深部井巷煤岩突出的与物理模拟试验或仿真试验。 2100433B

《岩土中的冲击爆炸效应》全面介绍了国内外以及作者团队在岩土冲击爆炸动力学领域试验研究和理论研究的最新成果。这些研究以连续介质力学和应力波理论为基础；紧密联系岩土介质的物理力学特性和几何边界；既考虑岩土介质的均匀、固相特点，又考虑了岩土介质的非均匀、非连续和多相多组分的特点；适度研究了冲击爆炸能量在岩土介质中的时空转化及其尺度效应。通过《岩土中的冲击爆炸效应（精装）》可以确定岩土中爆炸时和诱生爆炸波时以及弹体在岩土中侵彻时介质和弹体的运动参数和力学参数。

内容介绍

《深部岩石工程围岩分区破裂化效应》主要内容：随着经济建设与国防建设的不断发展，深部岩体工程越来越多，如逾千米乃至数千米的矿山（如金川镍矿和南非金矿等）、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等。深部岩体工程在开挖洞室或巷道时，围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象。除了岩爆和围岩挤压大变形以外，围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注。

在深部岩体工程开挖洞室或坑道时，在其洞室围岩中会产生交替的破裂区和非破裂区的现象，这种现象在相关文献中称之为分区破裂化现象(Zonal disintegration)。

这种现象于20世纪70年代在南非2073米深的金矿中采用岩石潜望镜首次被观察到的，20世纪80年代开始，俄罗斯科学院西伯利亚分院对分区破裂化连续地进行了深部矿井现场观测和实验室模拟试验研究，并进行了理论分析的探索，多次指出：分区破裂化实质在于洞室围岩破裂区和非破裂区的交替，这与浅层的地下巷道围岩变形和破坏已知理论概念在原则上是不同的。国内在20世纪70年代末和80年代初，有部分学者曾在深部矿井现场实测中也测到了巷道围岩变形的力学形态——拉应变和压应变交替产生的现象。近几年来，中国学者开始关注并开展了分区破裂化现象系统研究：指出深部围岩分区破裂现象是一个与空间、时间效应密切相关的科学现象；并归纳出了分区破裂化现象主要特征参数；定性分析了分区破裂化现象产生的机理和产生的条件；提出了这一领域的研究方向。2006年以后，中国学者在一些学报上相继发表了这方面的研究成果。

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