深部应力作用下裂隙岩体开采扰动围岩各向异性破坏机理

The damage zone (DZ) is mainly controlled by two principal factors: initial stress field and the existence of natural fractures. The stress redistribution due to the underground excavations will lead to the deformation of surrounding rocks and the creation of complex DZ. It is not clear that the influence of complex stresses conditions on the anisotropic damage mechanism of fractured rock mass under excavation disturbance. To investigate the anisotropic properties of fractured rock mass under complex stress conditions, experimental research and numerical simulation will be performed. Meanwhile, experimental results in the laboratory and in-situ will be conducted using 3D printing technology, to show how the anisotropic DZ is controlled by stress conditions and fractures distributions. The relationship of anisotropic elasticity and strength under complex stress conditions will be established, and the mechanism of related anisotropic failure modes will be discussed. Then a modified constitutive relationship based on anisotropic damage theory considering complex stress conditions could be established. Finally, mechanical properties and damage evolution law will be analyzed using COMSOL Multiphysics numerical simulation software. The work will provide theoretical basises and a numerical method for studying the anisotropic damage mechanism of fractured rock mass during the mining processes.

岩体内的节理裂隙和所处深部地应力场是影响岩体力学行为的两个关键因素，开挖扰动下应力重分布致使围岩变形和破坏模式更加复杂，目前对应力作用下裂隙岩体开挖扰动情况下各向异性破坏机制认识尚不充分。本项目将以室内实验和数值模拟为主要研究方法，分析复杂应力条件下裂隙岩体的各向异性力学特性。借助3D打印技术开展裂隙岩体室内相似模拟实验研究，结合现场勘察，对裂隙岩体力学各向异性特性进行分析，得到地应力和结构面分布对采动下围岩破坏模式的影响规律，重点建立复杂应力条件下裂隙岩体变形、强度参数与随应力变化曲线，分析破坏模式的各向异性分布特征。基于各向异性损伤理论，建立考虑复杂应力条件影响下的各向异性本构关系，采用COMSOL Multiphysics方法，对应力作用下裂隙岩体采动后的力学特性及损伤演化规律进行研究。该研究成果将为预测采矿推进过程中裂隙岩体围岩各向异性破坏机理提供理论依据和计算方法。

项目从“深部应力作用下裂隙岩体开采扰动围岩各向异性破坏机理”研究出发，针对复杂节理岩体自身的复杂地质构造特征和所赋存的复杂力学环境，分别开展了岩体结构面表征、力学尺寸效应及各向异性颗粒流数值模拟和室内试验分析、各向异性本构参数表征等方面研究工作，取得了相应进展。首先，项目首次提出了一种考虑不同几何粗糙形态的粗糙性离散裂隙网络RDFN（rough discrete fractures network）模型，并分别开展了5种几何形态的RDFN模型（正弦型、三角型、矩形、分形、Fourier变换）表征方法研究；基于Matlab建模方法，采用数字图像识别技术，开发了岩体裂隙网络DFN样本与颗粒流PFC建模间的接口程序，建立的颗粒单元的半径可以服从均匀分布、正态分布或Weibull分布，有效地解决了以往颗粒流方法建模时受颗粒集合分布的缺陷，并实现了复杂节理岩体模型的快速建模与数值分析；提出了基于3D打印技术的复杂裂隙网络模型物理建模系列方法，分别开展了RDFN、DFN和实心岩石试样的单轴压缩和直接剪切室内试验，探讨了力学特性的尺寸效应特征，并与颗粒流离散元模拟进行对比，研究节理粗糙性对单轴压缩力学特性和剪切力学特性的影响规律，分析节理粗糙几何对破坏模式的影响机制；探讨了节理空间方向性对岩体破坏模式存在的影响，提出了采用定向性系数来定量表针岩体的空间变异性特征，结合层状岩石和离散节理DFN模型的单轴压缩、直剪和巴西劈裂特性对定向性系数的计算进行定量阐述和对比，发现层状岩石和DFN模型均存在空间定向性，层状岩石的定向性程度显著高于DFN模型，岩体的破坏模式与定向性系数的方向角呈现正交关系；采用COMSOL数值软件，建立了考虑定向性的节理岩体各向异性分析模型，对不同裂隙岩体的开挖空间定向型破坏特征开展了数值求解，并与实验结果和现场勘察结果对比，验证模型可靠性，为揭示应力对裂隙岩体巷道围岩各向异性力学特性影响规律研究提供力学模型，基于提出的定向性系数开展岩体力学分析可以为预测岩体的破坏模式和矿山支护措施制定提供一定的科学方法和参考。