深部岩体分区破裂的形成机制与强度破坏特性研究

随着地下工程开挖深度的不断增加，在深部岩体中开挖洞室或者巷道时，在其两侧和工作面前的围岩中会产生破裂区和未破裂区逐次交替的分区破裂现象。本项目以深部岩体分区破裂现象为研究对象，以模型实测分区破裂演化过程为研究基础，以分区破裂产生机制和强度破坏条件为研究重点，以相似材料三维地质力学模型试验为研究手段，研究分区破裂的衍生、发展和破坏过程以及不同高地应力状态、不同开挖方式、不同开挖速度、不同岩性条件、不同洞室形态等因素对分区破裂模式的影响；探明分区破裂的诱发条件、演化特征和破坏方式；分析分区破裂的力学过程；揭示分区破裂的力学成因、破坏机制和破坏规律。在模型试验研究的基础上，通过理论研究，建立深部岩体的非线性强度准则。提出模拟分区破裂变形特征和强度破坏特性的数值分析方法。该项目研究成果可为我国深部资源大规模安全开采以及深部水电和交通工程的安全控制提供重要科学依据，具有重要的理论意义和工程应用价值。

随着地下工程开挖深度的增加，深部洞室围岩出现与浅埋洞室破坏模式迥异的分区破坏现象，如何科学解释深部岩体的分区破裂机理已成为深部地下工程领域的热点和难点问题。为研究分区破裂的形成与破坏机制，项目以埋深达千米的淮南矿区深部巷道工程为研究背景，应用自行发明研制的三维地质力学模型试验系统和模型相似材料，开展了不同主应力加载方式、不同洞室形状、不同夹层分布等多种试验工况条件下的深部巷道开挖三维地质力学模型试验，揭示出分区破裂现象的产生条件与影响因素；在地质力学模型试验研究的基础上，通过应变梯度理论建立了分区破裂的非线性弹性损伤软化模型；基于能量耗散原理建立了分区破裂能量损伤强度破坏准则；提出了分区破裂数值分析方法，依托ABAQUS平台开发了分区破裂计算程序，有效模拟出分区破裂的形成与破坏过程，揭示出分区破裂机理以及洞周径向位移、径向应变和应力的振荡性衰减变化规律。在模型试验和理论研究的基础上，提出了分区破裂的控制理念，建立了分区破裂锚注一体化综合控制技术体系。整体研究技术成果在淮南矿区和兖州矿区深部巷道工程中得到成功应用，控制了巷道分区破裂问题，提高了巷道施工速度，减少了巷道变形与返修率，降低了施工成本，产生了显著的经济效益和社会效益。项目研究成果为深部资源大规模安全开采以及深部水电和交通洞室工程的安全施工提供了重要的科学依据。