深部高地应力采场围岩板裂化破坏机理研究

Spalling failure is a typical failure phenomenon in deep mining mines with hard brittle rock mass and high geostress conditions, which poses a serious challenge to exploit the deep deposits safely and efficiently due to its complicated mechanism and influencing factors. In this project, the spalling failure, which was occurred in a deep metal mine, is planned to be studied through combined methods of in situ engineering geological survey, theoretical analysis, rock mechanical test and numerical simulation. This project aims to clarify the engineering conditions of the spalling failure and summarize their types and characteristics based on field investigations and analysis. The micro-mechanical mechanism and micro-fracture mechanism of spalling failure will be revealed through a series of rock mechanical tests and analysis. And on this basis, a reasonable mechanical model and failure criteria for spalling failure of surround rocks is supposed to be put forward by comprehensive study of the mechanism and criteria of brittle rock failure. According to the results above, the spalling failure phenomenon will be reproduced through numerical simulations and the mechanism and influencing factors are expected to be deeply researched by the numerical method. The results of the project can provide basis scientific basis for the deep resources exploitation and underground rock engineering.

围岩板裂化破坏是深部高地应力硬岩矿山开采出现的一种典型破坏现象，开采扰动诱发的采场围岩板裂化破坏机理和影响因素十分复杂，给深部资源的安全高效开采带来了严峻挑战。本项目结合深部采场围岩板裂化破坏的工程实例，将工程地质调查、理论分析、岩石力学试验、数值模拟等方法有机地联系起来，旨在通过现场调查和室内分析深部高地应力采场围岩板裂化破坏现象发生的工程地质条件，阐明地下采动诱发采场围岩板裂化破坏的类型与特征；通过室内力学试验和测试分析，揭示深部高地应力采场围岩板裂化破坏的细观力学机制与微观破裂机理；在此基础上，通过对脆性岩体破坏机制与判据的研究，建立能够合理描述采场围岩板裂化破坏机制的力学模型与破坏准则，实现板裂化破坏的数值仿真，分析采动影响因素下的板裂化破坏特征和规律，深化对深部围岩板裂化破坏力学机制与影响因素的认识。

在深埋高地应力条件下，矿山巷道稳定性是影响深部资源安全、高效开发的重要问题。针对深部高地应力巷道围岩板裂化变形破坏问题，本项目以我国金川镍矿深部开采工程为研究背景，以现有丰富的矿山地质、采矿和岩石力学研究数据库为支撑，采用现场工程地质调查、力学分析、室内试验、数值模拟和理论分析的研究方法和技术手段，围绕围岩板裂化破坏问题展开深入研究，并依靠深部采场巷道进行反馈和验证。通过对深部高地应力采场巷道板裂化破坏现象的调查、监测和分析研究，阐明了采场围岩板裂化破坏的类型与特征，提出了板裂化破坏的不同外在表现模式。在此基础上，采用室内大型相似物理试验方法和观测技术，建立了高地应力伺服控制条件下的巷道开挖模型，研究了不同应力条件下围岩板裂裂纹形成、扩展和贯通规律，揭示了围岩板裂化破坏的力学机制，基于连续-非连续数值计算方法和离散元数值仿真，阐明了围岩板裂化过程中的非贯通裂隙扩展基质与演化规律，提出了表征高应力下岩体性质损伤劣化的表征方法，建立了巷道围岩中的应力-应变关系，应力、应变、声发射等重要指标与破裂面形成与扩展的对应关系，提出了板裂化破坏的力学判据，深化了深部围岩板裂化破坏力学机制与影响因素的认识，为深部资源的安全、高效开发提供了科学依据。. 上述研究成果实现了本项目的各项研究计划目标，揭示了高地应力深埋巷道板裂化破坏的应力、变形和能量演化机制及巷道围岩内部的破裂机理，相关研究成果已发表学术论文28篇，其中国际SCI论文15篇，Ei论文5篇，其它论文8篇，获得国际授权发明专利1项，中国授权发明专利3项。本项目注重理论方法与实际应用相结合，部分研究成果已经用于实际矿山巷道安全防护中，获得了较好效果，对其它类型深部资源开发与灾害评价防治同样具有重要科学意义。