孔隙岩石三维重构与应力波作用下变形破坏机制研究

针对煤矿生产与工程建设中赋/围岩爆破施工诱发岩体失稳、突水和岩爆等继生灾害的问题，为了认知和科学定量地阐述爆炸应力波作用下孔隙岩石变形失稳破坏的孕灾过程与致灾机理，本课题提出发展一种新的基于孔隙特征CT识别的岩石三维孔隙结构模型的重构方法，并在三维孔隙结构模型的基础上开展应力波传播规律与孔隙结构变形失稳破坏机制的模拟研究；利用天然砂岩和孔隙岩石物理模型的SHPB冲击和CT扫描实验验证孔隙结构模型重构方法以及应力波数值分析的有效性；通过孔隙岩石的三维数值模型、原型和物理模型实验，分析应力波在孔隙岩石中的传播与衰减规律、能量耗散与释放特征以及孔隙岩石变形失稳破坏的内在机理；提出应力波动作用下孔隙岩石强度丧失与整体失稳破坏的判别准则。项目研究为揭示爆破应力波作用下孔隙岩(石)体的强度与变形破坏规律以及动力灾变触发机制提供基础和参考。

随着煤炭开采深度的增加，冲击地压、突水、岩爆等动力灾害事故频发，深部岩体动力灾害的孕育机理、演化规律、触发条件等问题认识不足和缺乏科学定量的分析理论与方法是动力灾害事故逐年上升和难以有效监测预警的根本原因。岩体原始存在着大量不规则、跨尺度分布的孔隙或孔洞，孔隙的几何形态、尺寸、分布和连通性等特征显著地影响岩体的物理力学性质、应力传递、能量积聚与耗散规律和变形破坏行为。如何科学地描述孔隙结构特征及其对岩体力学性质的影响一直是人们关注的重要科学问题。深部岩体就像一个“黑箱”，多数情况下人们只能观测“黑箱”的表观物理力学特性，难以获知和定量描述“黑箱”内部孔隙结构的变化及其作用机制。. 为了揭示孔隙岩体动力灾变的“黑箱”效应与致灾机理，本项目发展了一种新的基于孔隙特征CT识别的岩石三维孔隙结构分形重构方法，建立了岩石孔隙结构的分形重构模型与分形拓扑网络模型。在孔隙岩石分形重构模型的基础上，通过天然孔隙砂岩及物理模型的SHPB冲击和CT扫描实验，研究并揭示了应力波在孔隙岩石中的传播与衰减规律、能量耗散与释放特征以及孔隙岩石失稳破坏的内在机理，提出了应力波动作用下孔隙岩石强度丧失与灾变破坏的能量判别准则。利用分形拓扑网络模型和渗流物理模型实验，分析了孔隙网络特征对流体渗流行为的影响以及渗流路径选择机制。本项目为揭示和定量表征岩体动力灾变的内部孔隙结构变化、灾变机理与触发机制，构建岩体动力灾变的能量准则提供了新的方法和有效途径。