卸荷条件下深部富水裂隙硬岩力学响应特性及其变形破裂机理

In underground metal mine, the high geostress, abundant water and large joint fissures are the most main engineering geological condition in the future. However, the cognitions about several questions for this kind of situation, such as the unloading mechanical response of deep containing water fractured hard rock, the influence on rock failures of initial natural fracture, and the explaination for failure mechanism of this rock, are also inadequate. Aiming at above scientific issues, taking the typital underground metal mines in Yunnan as an example, through the combining methods of macro tests and micro tests, theoretical analysis and numerical simulation, indoor rock mechanics test and similar simulation test, the unloading mechanical behavior for deep highly-stressed fractured hard rock with different water content are researched, the forming, developing and evolution laws of fractures and its similarities and differences are discussed, at last, the unloading fracture mechanism of fractured hard rock under saturated conditions is revealed. The research results will provide a theoretical foundation for the safety production and disaster prevention of underground metal mine, meanwhile, which are also a furthur improvement and supplement to the discipline theory systems of rock mechanics and mining engineering.

高地应力、强富水性与岩体节理裂隙发育将是地下金属矿山深部开发利用中不得不面对的几个最为主要的复杂工程地质条件，然而，对此背景下深部富水裂隙硬岩的卸荷力学特性会产生何种变化规律，初始天然裂隙的存在会对岩石的破坏产生怎样的影响，该类岩石的变形破裂机理又该如何解释等问题的认识仍然欠缺。本项目针对上述科学问题，以云南比较有代表性的深部地下金属矿山为研究对象，采用宏观试验和微观测试、理论分析和数值模拟相结合的方法，研究卸荷条件下深部富水区域裂隙硬岩的宏微观力学行为响应特征，阐述不同条件下裂隙发展演化规律及其在不同含水条件和卸荷应力路径下的异同性，揭示富水裂隙硬岩卸荷变形破裂机理。研究成果将为地下金属矿山灾害的防控和安全生产提供理论依据，同时也是对岩石力学和采矿工程学科理论体系的进一步完善和补充。

随着我国国力的不断提升，对矿产资源需求量逐年增大，由于金属矿山浅部资源日益减少，深部开采已成为普遍现象，地下金属矿山深部开发利用面临着高地应力、强富水性与岩体节理裂隙发育等主要的复杂工程地质条件，深部富水裂隙硬岩的卸荷力学特性会产生何种变化规律及其变形破裂机理又该如何解释等研究仍显不够。针对上述科学问题，本项目重点开展了含天然裂隙硬岩不同水作用模式下的三轴卸荷力学试验、常规三轴抗压强度试验、进而开展相关水力耦合数值试验、常规三轴以及卸轴压同时卸围压试验、考虑渗透水压下的裂隙硬岩三轴卸荷试验，对比分析卸荷条件下裂隙硬岩在饱水和渗透水压两种情况下的变形规律，重点分析了裂隙与渗流二者之间的相互作用规律，同时，对裂隙硬岩破坏过程中能量的积聚、耗散与释放规律进行了分析，研究成果将为地下金属矿山灾害的防控和安全生产提供理论依据。主要成果如下：1、随着岩石卸荷量的增加，岩石孔隙度逐渐增加，孔隙的演变过程为平稳→匀速→加速过渡→迅速增加，其过程可表征岩石在卸荷过程中的损伤演变规律；2、孔隙水压的作用对岩石极限应变不会产生明显的影响，即岩石的应变极限并不会因孔隙水压变化发生明显波动，但卸荷过程中，孔隙水压促进了横向应变的扩张，加速了岩石体积膨胀使其达到岩石体积应变极限从而导致岩石发生膨胀破坏失稳；3、随着卸荷围压比的增加，岩石渗透率随之增大，且其发展规律与孔隙度增长规律一致，说明了岩石渗透性与其孔隙度存在正相关关系，岩石的卸荷加剧了岩石内部微裂纹、微孔隙的发育，致使岩石孔隙之间连通性增强，从而增大了岩石的渗透率；4、裂隙岩石材料在受力损伤累积过程中损伤状态具有明显的演变特征，通过关键特征点的损伤状态能够很好地表征岩石在受荷过程中的演化过程；通过对损伤特征点的分析，确定了裂隙岩石加载条件下的损伤起始判定准则、结构失稳判定准则以及岩石材料失效判定准则；5、常规三轴试验大于单轴压缩试验的各能量指标峰值，初始弹性能比例随轴向应变的增大而增大，弹性能比例极限值随围压的增加而增大；卸荷试验中，在卸荷初始阶段，轴向应变能以及岩石吸收能随轴向应变的增加而增加，而环向应变能基本保持不变；在卸围压临近破坏阶段，随轴向应变的增加，环向应变能耗散加快。