石膏矿采空区弱扰动诱发矿震时空演化机制及稳定性研究

Gypsum ore is the underground mineral with the most serious production safety situation in China. So far, the abnormal phenomena of frequent multi-hazard chain reaction even catastrophic cascading collapse and mine tremor induced by small-scale collapse of the existing open-stope gypsum mine goaf (GMG) are still not clearly studied. Aiming at the damage formation mechanism and its evolution process caused by the mining dynamic disturbance in overlapping mined-out areas, this project quantifies the dominant factors leading to induce mine tremor, establishes the criterion in gypsum mines and analyzes the acting mechanism of the dynamic disturbance, the secondary stress and the energy storage in rock of mine tremor by experiments, theoretical analysis and in-site test. Furthermore, it reveals the condition under which mining dynamic disasters to breed and outbreak, the opportunity for various disasters to evolve and the microscopic dynamic behavior during the evolution. In addition, this project performs a similar simulation based on a scaled-down version of the site, builds a constitutive model of gypsum mine in multi-field coupling and elucidates the rules to achieve the long-termed stability of gypsum mine gob for crude oil reserves. The research results can be used for gypsum mine gob exquisitely, and provide the theoretical support to the rational utilization of Chinese gypsum mine gobs from the view of rock mechanics.

石膏是我国安全生产形势最为严峻的地下开采矿种，对于石膏矿空场法开采遗留采空区的小范围坍塌经常衍生多灾种连锁反应甚至诱发矿震这一异常现象，其发生机制及演化过程尚不清楚。项目针对石膏矿重叠采空区在采动动力影响下灾害形成机制及演化过程，利用室内试验、理论分析和现场测试等方法，研究不同动力扰动、次生应力场以及石膏矿岩体储能在石膏矿震发生中的参与机理，并量化各主导因素对矿震发生的定量贡献，尝试建立石膏矿震诱发判据；揭示石膏矿山采动动力灾害孕育及突发条件、多灾种转化时机以及演化过程中的微观动力学行为；开展现场小比例尺相似模拟试验，构建多场耦合作用下石膏矿岩体的本构模型，阐明原油储备条件下的石膏矿采空区长期稳定性规律。研究成果可指导石膏矿采空区精细化处置，并从岩石力学角度为我国大量存在的石膏矿采空区合理化利用提供理论支撑。

石膏是我国安全生产形势最为严峻的地下开采矿种，石膏矿空场法开采遗留的采空区常有坍塌事故且易衍生多灾种连锁反应，甚至诱发矿震，但其发生机制及演化过程尚不明确。因此项目针对石膏矿重叠采空区在采动动力影响下灾害形成机制及演化过程，开展了理论分析、室内岩石力学试验、相似模拟实验、数值计算和现场测试等工作。揭示了不同动力扰动及石膏矿岩体储能在石膏矿震发生中的参与机理；探究了石膏矿山采动动力灾害孕育及突发条件及采场失稳后空区冲击气浪灾害的动力学规律；构建了多场耦合作用下石膏矿岩体的本构模型，阐明了原油储备条件下的石膏矿采空区长期稳定性规律。具体研究成果如下：.（1）针对石膏矿岩体在不同动力扰动作用下的宏细观特性，通过不同加载速率的单轴、三轴、声发射和循环加卸载试验，揭示石膏矿岩体在不同应变率条件下岩体强度、能量集聚、转化及耗散规律，明晰了石膏矿合适的开挖速率。结果表明：一定限度地增加开挖速率，可以有效提高周围岩体的自承能力，但过快的开挖速度容易导致事故发生，当以与试验加载速率0.03~0.04mm/min相匹配的速率开挖时，趋于极限稳定状态；.（2）针对采空区失稳诱发多灾种连锁反应的动力学特性问题，对比了“顶板整体切落”和“顶板‘O-X’型断裂”两种不同的数值模型，模拟了不同情况下顶板失稳灾害的产生以及灾变连锁反应过程，结合数值计算探究了采场失稳后空区冲击气浪灾害的动力学规律，并通过拟合得到了冲击气浪在巷道中向前传播时，随巷道距离衰减的指数关系式；.（3）针对石膏矿采空区原油储备可行性研究，通过细观上的石膏试样晶体结构及孔隙率调查和宏观上的不同浸油时间、围压条件下石膏岩石力学试验，揭示了浸油时间与围压大小对石膏矿岩体力学性质和能量演化的影响规律。利用COMSOL Multiphysics数值模拟软件构建了矿房开挖-储油分析模型，揭示了多场耦合作用下储备原油的石膏矿采空区长期稳定性规律。.研究成果可为石膏矿采空区精细化处置及石膏矿采空区合理化利用提供理论支撑。