高应力三轴加卸载条件下的硬岩破裂机制研究

The rock mass of deep underground engineering is in high ground stress condition. During the process of load and unload disturbance caused by excavation, the cracks within rock mass continuously propagation and link up to form the large scale rupture, which will result in geological disaster. Aim at the scientific Issues of fracture mechanism of deep rock mass, a series of conventional triaxial and true triaxial experiments under load and unload process with high stress condition will be carried out by use of high precision location acoustic emission monitoring technology in this project. The space-time evolution law and cluster characteristics of microcracks during the loading process, especially in post-peak phase, will be analyzed. Then, moment tensor theory will be applied to analyze the proportion of microcracks with different fracture mechanism and interaction at different loading phase by use of 3-D display program developed by Visual C++ and AutoCAD. Based on that, the relationships between rock unstable failure and microcracks fracture types, slipping direction and the interaction mechanism can be revealed. The difference of microcracks fracture mechanism of rocks with different stress path will be summed up and the analytical method of stress migration law based microcracks fracture mechanism can be established. Finally, the research outputs will be use in ore pillar acoustic emission monitoring research during ore body stoping in deep mine. This project will provide the theory and technology support for the studies on rock mass fracture mechanism under excavation disturbance with high ground stress and the application of disaster monitoring technology.

深部地下工程中的岩体处于高地应力状态，在开挖过程的加卸载扰动作用下，岩体内裂纹不断累积扩展、贯通直至形成宏观破裂，进而引发失稳灾害的问题日益突出。针对深部岩体破裂机制这一科学问题，项目拟采用高精度声发射定位监测技术开展一系列高应力加卸载条件下硬岩的常规三轴和真三轴实验，研究岩石在加卸载过程中特别是峰后破坏阶段的微裂纹时空演化规律和群集特征；借助Visual C++和AutoCAD系统开发的3-D显示平台，基于矩张量理论分析岩石内部不同破裂机制的微裂纹时空分布特征，揭示微裂纹破裂类型、滑移方向及相互作用机制与最终岩石失稳破坏的内在联系，总结不同应力路径下岩石微裂纹破裂机制的差异性，建立基于矩张量理论的硬岩破裂机制分析方法；最后，将研究成果应用于深部采场开采扰动作用下的矿柱声发射监测研究。本项目的开展将为高地应力开挖扰动岩体破裂机制研究和地压灾害监测技术应用提供理论指导和技术支撑。

深部地下工程中的岩体在开采扰动作用下内部裂纹不断累积扩展、贯通直至形成宏观破裂，进而引发失稳灾害的问题日益突出。针对深部岩体破裂机制这一科学问题，本项目采用高精度声发射定位监测技术开展不同加载条件下的岩石破坏试验，研究岩石在加载过程中的微裂纹时空演化规律和群集特征，总结不同应力路径下岩石微裂纹破裂机制的差异性，建立基于矩张量理论的硬岩破裂机制分析方法，得到如下结论：（1）对目前常用的声发射定位算法进行了分类总结，采用自回归模型和赤池信息准则判断声发射信号的初动时间，提出一种基于最小二乘法的声发射源组合定位算法，有效地解决了迭代法的初始值问题，保证算法的收敛并且提高迭代算法的收敛速度。经过断铅实验和不同岩样声发射定位实验验证，发现微破裂（声发射源）定位精度良好；（2）综合岩石失稳破坏理论、地球物理学理论、矩张量理论、弹性波理论等多种理论，基于声发射定位技术，开发了声发射震源机制的矩张量分析程序。同时，基于AutoCAD二次开发了3-D显示程序，实现了声发射定位事件的三维显示，对不同震源机制的声发射事件进行划分。通过开展岩石拉伸试验和剪切试验，验证了该方法的可靠性；（3）开展了不同条件下的岩石破坏声发射试验，以声发射定位和震源机制研究为基础，研究微裂纹时空演化规律及应力迁移规律。通过分析不同破裂机制微裂纹所占比例的变化情况，研究了不同破裂模式的微裂纹之间的相关作用机制及与宏观裂纹贯通过程之间的内在关系。同时，总结了基于矩张量理论进行震源机制分析的影响因素；（4）在室内试验研究的基础上，采用微震监测技术对红透山深部采场回采全过程围岩稳定性进行了监测，总结了深部采场开采扰动条件下微震活动衰减规律，分析了爆破前后微震事件多参数变化规律，系统研究了采空区规模和微震参数之间的定量关系，考虑岩体应力分布和演化规律，结合现场巷道破坏特征，研究采场周围不同区域围岩破裂差异性和发生不同失稳破坏的可能性，对不同区域巷道提出具有针对性的现场支护方案。本项目研究成果为深部开采扰动岩体破裂机制研究和地压灾害监测技术应用提供理论指导和技术支撑。