复合开采动态损伤岩体多场耦合力学特性及灾变机理研究

露天转地下开采是目前我国很多露天矿山开发深部资源的一种有效途径。露天转地下过渡期复合开采采动影响范围内复杂岩体在损伤场-应力场-渗流场等多场耦合作用及爆破开挖等工程响应下，岩体力学特性变化显著，动力致灾机理较单一开采模式更加复杂。项目以复合开采边坡及地下扰动围岩体为研究对象，充分考虑复杂工程地质与水文环境，以复合开采扰动损伤岩体室内外不同模式、不同尺寸力学实验、物理相似模拟及现场多源监测物理量为基础，研究复合开采模式下动态损伤岩体应力场空间发展规律，动态损伤岩体的渗透特性、渗透张量随岩体损伤的演化特征，建立复合开采岩体应力-渗流-损伤多场耦合力学模型，推导耦合作用本构关系及影响复合开采岩体力学特性的耦合强度量化参数，揭示复合开采岩体动态损伤至失稳的响应特征、规律和机理，并建立复合开采损伤岩体动力灾害连续预测基础理论，为实现露天转地下复合开采动力灾害预测预报奠定理论基础。

项目以露天地下复合开采边坡及地下扰动围岩体为研究对象，通过复合开采深部岩体高应力场及其扰动变化特征、不同空间采动岩体损伤及其演化规律、复杂非稳态岩体渗流场等系统耦合研究，探讨复合开采动态损伤岩体力学特性及其灾变机理，为复合开采灾害预报奠定理论基础。项目研究取得以下创新性成果：. ①定量描述了压剪耦合受荷岩石损伤破坏过程中裂纹孕育起裂、扩展与闭合的时空演化规律；展示了岩石损伤裂纹演化路径、相互作用效应和力学性状的动态过程；计算了岩石裂纹扩展速度；实现了岩石损伤裂纹力学类型从I 型向I-II或I-II-III复合型裂纹动态演变的有效判识。. ②基于颗粒流理论，编译了岩石非均质几何程序；根据杏山铁矿区域粒径分布规律，构建了岩石单轴和三轴压缩试验的非均质几何模型；研究了荷载作用下岩石疲劳损伤破坏机理、非线性累积特性及其力学参数损伤弱化效应。. ③通过岩石单轴和三轴压缩试验和数值模拟，获得岩石压缩过程中粘结力弱化-摩擦力强化的变化趋势，并对模型中的两个等效塑性应变参数进行了优化。. ④研究了损伤岩体单裂隙面在法向和剪切应力作用下的力学变形性质、渗流规律、渗流与应力的耦合特性；推导了单裂隙损伤岩体渗流公式；研究了单裂隙面在复杂应力状态下渗流场与应力场的耦合作用。. ⑤从埋深、水压力、应力、尺寸效应等方面研究了损伤岩体渗流特性；引入“表征单元体”的概念，推导了采动岩体损伤破裂本构方程；建立了反映裂隙网络岩体非均匀性和各项异性的三维渗流场与应力场耦合的数学模型，推导其量化参数表达式。. ⑥通过物理相似实验研究，揭示了复合开采动态损伤岩体致灾机理；随着开采延深，在开采水平附近竖向应力明显集中，坡体会依次进入变形蓄能和突然释放的过程，导致微裂隙的迅速扩张贯通，大块坡体滑移，冲向地下采场上部覆盖层，对地下生产造成循环动力冲击灾害。. ⑦揭示了复合开采边坡岩体破坏场演化规律；随着开采延深，卸荷累积效应增强，产生较大剪应力造成边坡下部岩体发生剪切破坏，上部岩体在重力作用下发生拉伸破坏，随着岩体损伤微裂隙的发展，坡体深部剪切破坏区不断扩展直至相互贯通。. ⑧结合遗传算法与支持向量机各自优点，采用边坡变形数据构建变形序列，建立了遗传-支持向量机复合开采边坡变形定量连续预报模型。