高应力储能岩体开挖卸荷特性及其诱导开采研究

Deep rock mass present special nonlinear characteristics under high geostress conditions. Also, its basic mechanical characteristic, organization structure and engineering response have fundamental changes. Therefore, it is inaccurate when apply the basic theory and traditional mechanics principles of shallow rock to deep rock. In this application, the triaxial test will be used to analyze the transformation characteristic of strength envelope on π plane in stress space, so a new PMC constitutive model with torsional stress space can be built, the effect of void collapse on rock failure will be quantified. Depending on the SHPB test, the dynamic parameter, factor and the rock crushed energy consumption model along time can be estimated. Using multifarious method comprehensively, the status of elastic potential energy and damage situation after excavation unloading will be summarized. At last, the characteristic of inducing mining in high energy host rock will be discussed, so a efficient, safe and green mining concept will be formed.

在深部高应力环境中，深部岩体表现出高度的非线性，岩体的基本力学特征、组织结构及工程响应均发生根本性变化，因此浅部岩体的基础理论和传统的力学准则无法科学准确地解释和描述深部岩体的特殊力学行为。本申请采用三轴试验研究，分析岩石破坏模式过渡阶段应力空间π平面上强度包线转化特征，建立应力空间扭转的PMC本构模型，量化孔隙塌陷对破坏特征的影响；依托冲击试验，得出岩石动力学参数及动力硬化因数，建立以能时密度为基础的岩石破碎能耗模型；综合运用多种手段，对不同地应力分布状态下弹性变形势能积聚状态和开挖卸荷后的围岩体的损伤情况进行系统分析；最后，对高地应力储能岩体的诱导开采特性进行论证，形成一种高效、安全、绿色的矿山开采新理念。

在深部高应力环境中，深部岩体表现出高度的非线性，岩体的基本力学特征、组织结构及工程响应均发生根本性变化，现有的浅部岩体的基础理论和传统的力学准则无法科学准确地解释和描述深部岩体的特殊力学行为。项目首先着眼与孔隙岩石在不同破坏阶段内破坏模式转化问题，发展并提出了PMC&BPMC模型，并对该模型的三维破坏面形式进行拟合，研究了其理论方程和数据之间的偏差。同时，采用PMC模型探究了中间主应力对岩石材料的影响，提出了一种新的分段线性拟合方法来获取岩石破坏时的材料参数，量化了孔隙塌陷对岩石破坏的影响；其次，综合室内的动静组合试验，分析确定了深部矿山基底岩石的动力学性能，并基于朱王唐（ZWT）模型，建立了完整花岗岩的动态损伤本构模型，通过与试验数据的校核与完善，该模型能够很好地表征不同应变率下的应变率效应现象。并以宏观损伤变量描述贯通节理，根据Lemaitre应变等效假设，改进了完整岩石的动态损伤本构模型，构建了综合考虑宏观缺陷（节理面）、微观缺陷（微裂隙微孔洞）的贯通节理花岗岩岩体动态力学本构模型，反映了节理面几何特征和力学特性对岩体应力应变关系的影响；再次，针对岩石破坏过程的能量耗散问题，基于课题组自研发的SHPB高围压装置系统开展了不同应力环境下的花岗岩破碎能耗研究，在此基础上设计并开展了一系列的剪切摩擦时间，研究岩石宏观结构面间的摩擦能耗机制和耗能规律，建立以能时密度为基础的岩石能耗模型，完善了深部围岩体的耗能机制；最后，以深部巷道围岩的双轴加载破坏试验，含裂隙岩石的单轴、常规三轴、真三轴破坏试验为基础，探究了高应力环境下深部岩石失稳过程演化过程和破坏发生机制，对不同地应力分布状态下弹性变形势能积聚状态和开挖卸荷后的围岩体的损伤情况进行了系统研究。研究所取得的丰硕成果可为高地应力储能岩体的诱导开采提供理论基础和数据支撑，为深部矿山的高效、安全、绿色开采提供了一种新理念。