高应力硬岩真三轴卸载下扰动破裂特性与机制研究

The highly stressed engineering surrounding rocks of deep mine can be induced to failure by the mining dynamic disturbance, which cause the large-scale dynamic disasters such as rock burst. The dynamic disasters have severely restricted the safety and efficient of deep mining whose evolution mechanism is not clear. This project will take the hard rocks under true triaxial unloading stress environment coupling static and dynamic loads as research object. The study on dynamic failure characteristics and mechanism of hard rocks will be conducted by using a self-developed rock true triaxial disturbance test system. The dynamic fracture characteristics, i.e. strength, deformation and stress-strain curve, of hard rock under different true triaxial unloading stress state and dynamic loads will be studied by lab tests. The evolution condition of cracks and fracture surface information of fragment under different conditions will be analyzed by acoustic emission (AE) and scanning electron microscope (SEM) technologies. So, The microscopic and macroscopic dynamic fracture characteristics of hard rocks under different true triaxial unloading conditions will be studied. The numerical simulation and theoretical analysis will be used to study the evolution principles of stress and energy of rocks under different unloading path, unloading rate and dynamic disturbance. The rock failure mechanics model under different disturbance will be put forward basted on the storage and release of energy. The results can provide theoretical guide for safety and high efficient extraction of deep mining and theoretical support for rock dynamic disaster prevention.

深井矿山频繁的采掘扰动会诱发工程围岩失稳破裂，进而造成大规模的动力灾害，严重制约了深井安全高效采矿。项目从深部矿山工程开挖卸荷后围岩动-静载荷组合受力的特点出发，利用自行研制的岩石真三轴扰动诱变试验系统，重点研究真三轴卸载下硬岩的扰动破裂特性和机理。通过室内试验得到不同真三轴卸载应力状态和扰动载荷下岩石强度、变形和应力-应变曲线等宏观力学特性，利用声发射和扫描电镜技术研究不同试验条件下岩石裂纹的孕育规律和碎片的裂纹微观信息，从宏细观角度，研究真三轴卸载下高应力硬岩扰动破裂特性；通过数值模拟和理论分析揭示不同卸载路径和速率下岩石的储能情况，探索不同动力扰动下岩石破裂过程中应力、能量演化规律，探明岩石储能、扰动载荷对岩石破裂的定量贡献，从能量储存-释放角度，研究真三轴卸载下硬岩扰动破裂机制。研究结果可为深井矿山资源安全高效回采提供理论依据，并可为深部矿山动力灾害灾变机制及防治技术提供理论支持。

深埋地下工程围岩受到“高双向应力和动力扰动”的组合作用，因而造成深部硬岩更易发生板裂、岩爆等特殊的破坏现象和工程灾害。基于此，本项目围绕深部工程围岩的动静组合受力特点，开展了真三轴卸载下岩石的破裂特性与机制研究。研究的主要内容、重要结论和关键数据如下：. 开展了真三轴卸载下岩石静载压裂和动载诱裂的室内试验、数值模拟和理论分析。最小主应力卸载后，岩石处于中间主应力和最大主应力的双轴受力环境下，随着中间主应力的由低变高，在增大最大主应力压裂岩石的过程中，岩石的破裂模式由剪切转变为张拉破坏（板裂或岩爆），破坏模式转变时的中间主应力会受到岩石岩性、岩样高径比等因素的影响。越硬、越高的岩样的转变应力越大。岩石发生板裂或岩爆的孕育过程一般为沿着σ1-σ2平面形成多组平行等距裂纹，碎片与岩样长度基本一致。不同破坏模式下岩石破裂过程中的声发射特性也明显不同，板裂和岩爆破坏更具突变性。试验强度不在符合摩尔-库伦准则，而是低于准则强度。破裂时的剧烈程度跟岩性关系较大，越硬越脆的岩石，试验中碎片弹射的速度和距离越大，而比较软弱的岩石，发生大变形剪切破坏；扰动诱裂研究中发现低频扰动载荷可以促进岩石板裂和岩爆破裂进程，诱发岩石碎片急剧喷发，比静载压裂试验中剧烈程度更高，根据能量理论，岩石内部储能被诱导释放，作用于临空面局部岩块引发破裂，声发射信号分布规律证明了这点。此外，沿着中间主应力方向比沿着最大主应力方向加载扰动更易引起岩石板裂或岩爆破坏的重要结论也被揭示。此外，截齿破岩特性研究中也发现，围压对岩石的可截割性影响较大，仅在较低的单轴受限应力下需要的破岩载荷和凿入深度较低，具有最优的可截割性，动力扰动可以崔进岩石的截割效率。. 该项目综合考虑了高双向静应力和动力扰动的组合作用，研究和揭示了深部组合应力条件下岩石的破裂机理，相关成果可为深部工程开挖设计和解释深部一些特殊现象的基本理论依据。