真三軸卸載下深部巖體破裂特性及誘發(fā)型巖爆機(jī)理研究

真三軸卸載下深部巖體破裂特性及誘發(fā)型巖爆機(jī)理研究一、本文概述本文旨在深入研究真三軸卸載條件下深部巖體的破裂特性及其誘發(fā)的巖爆機(jī)理。隨著地下工程向深部發(fā)展，深部巖體的力學(xué)行為及其穩(wěn)定性問(wèn)題日益突出。巖爆作為一種常見(jiàn)的深部巖體動(dòng)力災(zāi)害，對(duì)地下工程的安全性和穩(wěn)定性構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，揭示真三軸卸載條件下深部巖體的破裂特性和巖爆機(jī)理，對(duì)于預(yù)防和控制巖爆災(zāi)害具有重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。本文首先回顧了國(guó)內(nèi)外關(guān)于深部巖體破裂特性和巖爆機(jī)理的研究現(xiàn)狀，指出了現(xiàn)有研究的不足和需要進(jìn)一步深入探索的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和數(shù)值模擬等多種方法，系統(tǒng)地研究了真三軸卸載條件下深部巖體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系、破裂模式、能量演化規(guī)律等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括：1）建立真三軸卸載條件下深部巖體破裂特性的理論分析框架；2）開(kāi)展真三軸卸載試驗(yàn)，揭示深部巖體在不同卸載路徑下的破裂模式和能量演化規(guī)律；3）利用數(shù)值模擬方法，分析深部巖體在真三軸卸載過(guò)程中的應(yīng)力分布、位移場(chǎng)和能量場(chǎng)的變化特征；4）結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果，探討真三軸卸載條件下誘發(fā)巖爆的機(jī)理和影響因素。本文的研究成果不僅有助于深化對(duì)深部巖體破裂特性和巖爆機(jī)理的認(rèn)識(shí)，也為地下工程的安全設(shè)計(jì)和災(zāi)害防控提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。二、真三軸卸載條件下深部巖體破裂特性研究在真三軸卸載條件下，深部巖體的破裂特性是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的問(wèn)題。為了深入了解這一過(guò)程，本研究采用了一系列先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)方法和數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)巖體的應(yīng)力-應(yīng)變行為、破裂模式以及能量演化等方面進(jìn)行了詳細(xì)的分析。通過(guò)真三軸實(shí)驗(yàn)設(shè)備對(duì)深部巖體進(jìn)行卸載模擬。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們精確控制了卸載速率和卸載路徑，以模擬實(shí)際工程中的卸載過(guò)程。同時(shí)，利用高分辨率的攝像頭和位移傳感器，實(shí)時(shí)記錄了巖體表面的裂縫擴(kuò)展和變形情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在真三軸卸載條件下，深部巖體的破裂特性呈現(xiàn)出明顯的非線性特征。隨著卸載的進(jìn)行，巖體內(nèi)的應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生重分布，導(dǎo)致巖體逐漸產(chǎn)生裂縫。這些裂縫在卸載初期主要以微裂縫的形式存在，隨著卸載的進(jìn)行，微裂縫逐漸擴(kuò)展并連接成宏觀裂縫，最終導(dǎo)致巖體的失穩(wěn)破壞。我們還發(fā)現(xiàn)，卸載速率對(duì)巖體的破裂特性具有顯著影響。較快的卸載速率會(huì)導(dǎo)致巖體內(nèi)應(yīng)力釋放速度加快，從而加劇裂縫的擴(kuò)展和巖體的破壞。而較慢的卸載速率則有利于巖體內(nèi)應(yīng)力的逐步釋放，減緩裂縫的擴(kuò)展速度，從而提高巖體的穩(wěn)定性。為了更深入地揭示真三軸卸載條件下深部巖體的破裂機(jī)理，我們還采用了數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。通過(guò)建立三維數(shù)值模型，我們模擬了不同卸載速率和卸載路徑下巖體的應(yīng)力-應(yīng)變行為。模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。真三軸卸載條件下深部巖體的破裂特性是一個(gè)復(fù)雜且關(guān)鍵的問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，我們深入研究了巖體的應(yīng)力-應(yīng)變行為、破裂模式以及能量演化等方面，為揭示誘發(fā)型巖爆機(jī)理提供了重要依據(jù)。三、誘發(fā)型巖爆機(jī)理研究誘發(fā)型巖爆是深部巖體在特定環(huán)境條件下發(fā)生的一種劇烈破壞現(xiàn)象，其機(jī)理涉及多個(gè)因素的綜合作用。在真三軸卸載條件下，巖體的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生顯著變化，這是導(dǎo)致巖爆發(fā)生的關(guān)鍵因素之一。真三軸卸載導(dǎo)致巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布。在卸載過(guò)程中，巖體中的原有應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力重新分布導(dǎo)致局部應(yīng)力集中。當(dāng)局部應(yīng)力超過(guò)巖體的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)發(fā)生破壞，形成裂縫或破裂面。卸載過(guò)程中巖體的能量釋放也是誘發(fā)巖爆的重要機(jī)理。在應(yīng)力集中區(qū)域，巖體儲(chǔ)存的彈性能量逐漸增大，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，這些能量會(huì)突然釋放，導(dǎo)致巖體的劇烈破壞和彈射。這種能量釋放過(guò)程往往伴隨著強(qiáng)烈的震動(dòng)和聲響，是巖爆發(fā)生的直接原因。巖體的物理性質(zhì)和地質(zhì)環(huán)境也會(huì)對(duì)巖爆的發(fā)生和發(fā)展產(chǎn)生影響。例如，巖體的脆性、節(jié)理發(fā)育程度、地下水的存在等因素都會(huì)影響巖體的應(yīng)力分布和能量釋放過(guò)程。在特定地質(zhì)環(huán)境下，這些因素可能相互作用，共同促進(jìn)巖爆的發(fā)生。誘發(fā)型巖爆的機(jī)理是在真三軸卸載條件下，巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布和能量釋放的綜合作用結(jié)果。為了有效預(yù)防和控制巖爆的發(fā)生，需要深入研究巖體的應(yīng)力分布規(guī)律、能量釋放機(jī)制和地質(zhì)環(huán)境因素，并采取相應(yīng)的工程措施和技術(shù)手段來(lái)降低巖爆風(fēng)險(xiǎn)。四、結(jié)論與展望本研究通過(guò)對(duì)真三軸卸載條件下深部巖體破裂特性及誘發(fā)型巖爆機(jī)理的深入研究，得出以下主要在真三軸卸載條件下，深部巖體的破裂特性表現(xiàn)為多裂隙擴(kuò)展、交匯和貫通，形成復(fù)雜的破裂網(wǎng)絡(luò)。卸載速率和卸載路徑對(duì)巖體的破裂模式和強(qiáng)度有顯著影響，卸載速率越快，巖體的破裂越劇烈，強(qiáng)度降低越明顯。誘發(fā)型巖爆的發(fā)生與巖體的應(yīng)力狀態(tài)、卸載速率及卸載路徑密切相關(guān)。當(dāng)巖體中的應(yīng)力積累到一定程度，且卸載速率較快時(shí)，容易誘發(fā)巖爆。巖爆的發(fā)生伴隨著能量的快速釋放，對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。通過(guò)數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)，驗(yàn)證了真三軸卸載條件下深部巖體破裂特性及誘發(fā)型巖爆機(jī)理的理論分析。數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好地反映巖體的破裂過(guò)程和巖爆的發(fā)生機(jī)制，為深部巖體的穩(wěn)定性分析和巖爆預(yù)測(cè)提供了有益參考。雖然本研究對(duì)真三軸卸載條件下深部巖體破裂特性及誘發(fā)型巖爆機(jī)理進(jìn)行了一定的探討，但仍有許多問(wèn)題需要進(jìn)一步深入研究：需要進(jìn)一步完善真三軸卸載試驗(yàn)系統(tǒng)，提高試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性，以便更深入地研究深部巖體的破裂特性和巖爆機(jī)理。需要加強(qiáng)數(shù)值模擬方法的研究和應(yīng)用，提高數(shù)值模擬的精度和效率，以更好地模擬深部巖體的破裂過(guò)程和巖爆的發(fā)生機(jī)制。需要開(kāi)展更多現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和案例分析工作，以便更準(zhǔn)確地掌握深部巖體的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)和破裂特性，為巖爆預(yù)測(cè)和防治提供更有力的支持。真三軸卸載條件下深部巖體破裂特性及誘發(fā)型巖爆機(jī)理研究是一項(xiàng)長(zhǎng)期而艱巨的任務(wù)。未來(lái)需要在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上不斷深化和完善，以更好地服務(wù)于深部巖體的安全開(kāi)采和工程實(shí)踐。參考資料：《深埋隧洞滯后型巖爆的圍巖時(shí)效變形誘發(fā)機(jī)理研究》是依托大連理工大學(xué)，由馬天輝擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的青年科學(xué)基金項(xiàng)目。近年來(lái)有越來(lái)越多的深埋長(zhǎng)大隧洞進(jìn)入施工期，帶來(lái)許多深部巖石力學(xué)問(wèn)題，其中以巖爆最為突出，已成為我國(guó)未來(lái)深部地下工程中的一大技術(shù)瓶頸問(wèn)題。本項(xiàng)目以深埋隧洞圍巖的時(shí)效變形誘發(fā)滯后型巖爆這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題為核心，基于流變力學(xué)、損傷力學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科交叉的研究方法，圍繞深埋隧洞圍巖的時(shí)效變形特性，進(jìn)行聲發(fā)射輔助巖石三軸蠕變實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)微破裂監(jiān)測(cè)實(shí)踐，研究深埋隧洞圍巖在蠕變過(guò)程中的微破裂前兆及其時(shí)空演化規(guī)律，根據(jù)卸荷蠕變變形損傷演化規(guī)律及蠕變率隨時(shí)間的發(fā)展階段特征，構(gòu)建高應(yīng)力作用下巖體蠕變損傷模型，建立微震活動(dòng)信息與物理、力學(xué)參數(shù)變化之間的聯(lián)系，應(yīng)用大規(guī)模數(shù)值分析方法進(jìn)行不同偏應(yīng)力作用下深埋隧洞圍巖的流變失穩(wěn)研究，揭示深埋隧洞滯后型巖爆的圍巖時(shí)效變形誘發(fā)機(jī)理，為尋求深埋隧洞變形失穩(wěn)控制及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。本項(xiàng)目以深埋隧洞圍巖的時(shí)效變形誘發(fā)滯后型巖爆這一關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題為核心，基于流變力學(xué)、損傷力學(xué)、信息科學(xué)等多學(xué)科交叉的研究方法，探索深埋隧洞滯后型巖爆的誘發(fā)機(jī)理。通過(guò)卸荷蠕變變形損傷演化規(guī)律及蠕變率隨時(shí)間的發(fā)展階段特征研究，建立了反映材料流變特性的細(xì)觀本構(gòu)關(guān)系和細(xì)觀損傷演化方程?？偨Y(jié)了錦屏二級(jí)引水隧洞的巖爆發(fā)生特征，系統(tǒng)研究了影響滯后型巖爆發(fā)生的條件：內(nèi)部因素（巖石材料的蠕變效應(yīng)、非均勻性）和外部效應(yīng)（濕度擴(kuò)散、動(dòng)力作用）。根據(jù)巖體破裂過(guò)程中的3S機(jī)理，建立微震監(jiān)測(cè)技術(shù)的巖爆臨界預(yù)警機(jī)制。本項(xiàng)目成果為深埋隧洞變形失穩(wěn)控制及長(zhǎng)期穩(wěn)定性的預(yù)測(cè)提供理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。在本項(xiàng)目的資助下，課題組出版專著1部，申請(qǐng)發(fā)明專利3項(xiàng)，獲得省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)，省部級(jí)學(xué)術(shù)成果三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。在國(guó)際刊物上發(fā)表論文8篇，國(guó)內(nèi)核心刊物上發(fā)表論文5篇。其中，SCI收錄論文4篇，EI收錄論文8篇，接受未刊出論文1篇（EI刊源）。培養(yǎng)博士研究生3人，碩士研究生7人。參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議3人次?！渡畈坑矌r卸荷流變效應(yīng)及時(shí)滯型巖爆機(jī)理》是依托山東科技大學(xué)，由尹延春擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的青年科學(xué)基金項(xiàng)目。隨著地下工程的逐漸深部化，巖爆災(zāi)害愈加頻繁，深部復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下的巖爆機(jī)理研究已成為地下工程亟需解決的關(guān)鍵難題。本項(xiàng)目以高應(yīng)力下硬巖卸荷流變特性為研究主線，擬采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，對(duì)時(shí)滯型巖爆機(jī)理進(jìn)行深入研究。進(jìn)行高應(yīng)力下硬巖卸荷流變?cè)囼?yàn)，研究巖石微破裂分布及變形場(chǎng)的時(shí)空演化特征，分析不同應(yīng)力條件下的流變失穩(wěn)特征；采用細(xì)觀力學(xué)測(cè)試與模擬分析手段，研究不同卸荷流變失穩(wěn)模式下的細(xì)觀微裂紋結(jié)構(gòu)特征，確定巖石均質(zhì)度、裂隙展布分?jǐn)?shù)維與蠕變參數(shù)間的定量關(guān)系；然后，提出反映巖石細(xì)觀非均質(zhì)特性和裂隙展布形態(tài)的損傷表征方法，建立巖石卸荷流變損傷本構(gòu)模型；進(jìn)行深部巖體硐室開(kāi)挖仿真試驗(yàn)，研究圍巖能量場(chǎng)的時(shí)空演化規(guī)律，探尋巖爆的能量觸發(fā)條件，揭示圍巖流變效應(yīng)影響下的時(shí)滯型巖爆機(jī)理。本項(xiàng)目研究成果可為深部巖體工程巖爆災(zāi)害的預(yù)測(cè)及防治提供基本的科學(xué)依據(jù)。針對(duì)深部復(fù)雜應(yīng)力環(huán)境下時(shí)滯型巖爆問(wèn)題，本項(xiàng)目進(jìn)行了不同卸荷路徑下硬巖流變?cè)囼?yàn)，揭示了巖石宏觀及細(xì)觀結(jié)構(gòu)能量積聚-釋放特征，研究了流變效應(yīng)下采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律，主要結(jié)論有：（1）砂巖恒軸壓-卸圍壓和加軸壓-卸圍壓蠕變時(shí)，試樣側(cè)向蠕變特性更為顯著，約為軸向應(yīng)變的8~6倍，側(cè)向擴(kuò)容效應(yīng)明顯；花崗巖雙軸卸側(cè)壓蠕變時(shí)，軸向應(yīng)變?nèi)渥冎惦S側(cè)壓呈先降低后增加的趨勢(shì)，而側(cè)向應(yīng)變?nèi)渥冎蹬c側(cè)壓呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；蠕變失穩(wěn)階段，剪應(yīng)變場(chǎng)出現(xiàn)明顯的局部化現(xiàn)象，與宏觀裂隙位置對(duì)應(yīng)；（2）對(duì)于實(shí)驗(yàn)室尺度的花崗巖試件，其能量演化可劃分為穩(wěn)定蓄能、緩慢耗能、急速釋能三個(gè)階段；隨圍壓增大，應(yīng)變能轉(zhuǎn)化比呈指數(shù)函數(shù)減小，應(yīng)變能極值線性增大，峰前應(yīng)變能積聚速度線性增大，峰后能量釋放呈指數(shù)函數(shù)減?。幌啾扔谠颇负褪?，長(zhǎng)石礦物是能量積聚的主要細(xì)觀結(jié)構(gòu)；（3）工程尺度圍巖卸荷時(shí)，煤體內(nèi)部應(yīng)變能積聚量及釋放速度大于頂?shù)装鍘r層；隨著煤體彈性模量的增大，煤體應(yīng)變能積聚量及釋放速度呈冪函數(shù)減?。恍逗蓢鷰r沖擊動(dòng)能演化分為沖擊啟動(dòng)、急速?zèng)_擊、穩(wěn)定沖擊和殘余沖擊四個(gè)階段；煤體沖擊動(dòng)能極值與煤體彈性模量負(fù)線性相關(guān)，巖體沖擊動(dòng)能極值與煤體彈性模量正線性相關(guān)；（4）考慮流變損傷時(shí)，隨流變時(shí)長(zhǎng)增加，圍巖支承壓力峰值呈指數(shù)函數(shù)降低，應(yīng)力峰值距煤壁距離呈冪函數(shù)增大。本項(xiàng)目研究成果為深部時(shí)滯型巖爆防治提供了一定的理論指導(dǎo)?！堕_(kāi)挖加卸荷誘發(fā)深部巷道巖爆機(jī)理研究》是依托昆明理工大學(xué)，由周宗紅擔(dān)任項(xiàng)目負(fù)責(zé)人的地區(qū)科學(xué)基金項(xiàng)目。巖爆是高地應(yīng)力區(qū)地下工程開(kāi)挖卸荷產(chǎn)生的動(dòng)力現(xiàn)象，其力學(xué)機(jī)制極其復(fù)雜，目前，對(duì)卸荷誘發(fā)巖爆機(jī)理還不清楚。本項(xiàng)目提出從應(yīng)力擾動(dòng)誘發(fā)微破裂導(dǎo)致巷道巖爆發(fā)生的本質(zhì)出發(fā)，以異軸加、卸荷為力學(xué)模型，采用加卸荷巖體力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)、相似材料模擬、現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)和背景應(yīng)力場(chǎng)分析等手段，研究深部巷道巖爆孕育的力學(xué)機(jī)制和前兆模式，建立異軸加卸荷本構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)則。查明微破裂萌生、發(fā)展、連通的演化過(guò)程，探求巖體加卸荷變形破壞特征及觸發(fā)巖爆的力學(xué)機(jī)制；明確巖體微觀結(jié)構(gòu)特征、礦物組分與巖爆的關(guān)系，揭示巖爆孕育的微觀力學(xué)機(jī)理；從背景應(yīng)力場(chǎng)的角度反演微震活動(dòng)規(guī)律，探索巖體開(kāi)挖加卸荷應(yīng)力場(chǎng)演化與巖爆孕育過(guò)程中微震活動(dòng)性的內(nèi)在聯(lián)系，尋求背景應(yīng)力場(chǎng)演化、微震活動(dòng)性與加卸荷之間的聯(lián)系，建立新的巖爆預(yù)測(cè)前兆理論模型。本研究可揭示巖爆的力學(xué)機(jī)制，認(rèn)清開(kāi)挖加卸荷引發(fā)巖爆的機(jī)理，弄清巖爆發(fā)生條件和物理過(guò)程，為礦山巖爆的預(yù)測(cè)提供科學(xué)依據(jù)。本項(xiàng)目提出從加、卸荷誘發(fā)巖爆發(fā)生的本質(zhì)出發(fā)，研究深部巷道巖爆孕育的力學(xué)機(jī)制和前兆模式?；诘V山深部微震監(jiān)測(cè)結(jié)果，提取微震時(shí)空分布信息數(shù)字化信息。采用數(shù)值分析軟件，構(gòu)建礦山三維模型，開(kāi)挖與實(shí)際工程相似的巷道、硐室模型，模擬分析應(yīng)力、位移、微破裂的形成和擴(kuò)展過(guò)程，從應(yīng)力場(chǎng)演變的角度分析巖爆的孕育過(guò)程，建立新的巖爆預(yù)測(cè)前兆理論模型。微震監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表明：微震事件大多分布在礦體下盤(pán)，即應(yīng)力場(chǎng)變化較為劇烈的區(qū)域，而應(yīng)力場(chǎng)變化較小的區(qū)域微震事件也少。進(jìn)行增軸壓同時(shí)卸圍壓實(shí)驗(yàn)，研究巖體異軸加卸荷條件下的變形、破壞和強(qiáng)度特征及其破壞機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）快速卸荷下呈現(xiàn)劈裂破壞，而較慢速卸荷下呈現(xiàn)張剪性破壞。卸載速率越快，巖石脆性破壞越強(qiáng)，發(fā)生巖爆的可能性越大；（2）巖石加卸荷破壞與中間主應(yīng)力有密切關(guān)系，建立了能較好地描述高應(yīng)力條件下巖石卸荷破壞特征的強(qiáng)度準(zhǔn)則；（3）基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，建立了加卸荷條件下巖體的彈脆塑性本構(gòu)模型。利用TRW-3000巖石真三軸試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)巖石和相似模擬材料進(jìn)行真三軸加卸載下的巖爆試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）試樣破壞形態(tài)呈現(xiàn)復(fù)合破壞模式，初始應(yīng)力水平越高，巖爆也越強(qiáng)烈；（2）位移控制加軸壓、卸圍壓試驗(yàn)條件下，巖樣破壞模式主要為劈裂加