高湿环境高应力裂隙矿柱水化侵蚀与流变损伤破坏机制

On basis of the hydrophilocity mineral in the fracture pillar under high stress, the hydration erosion characteristics of rock cores in fracture pillar under high stress and high humidity environment will be analyzed by means of the morphology scanning technique and electron microscope scanning method; The rheological experimental platform for rock core and the large scale pillar under high humidity environment will be established, respectively. Deformation of surface layers, crack initiation and propagation of internal rock core will be recorded by acoustic emission and high speed photography approach, damage deteriorating mechanical effect of hydration erosion of rock pillar under high stress and high humidity environment will be investigated, as well as, the stress distribution of surface layer and stress concentration of the internal rock core will be analyzed, thereof, the unstable failure mechanism of rock core due to the action of both hydration erosion and theological deformation will be revealed; On basis of the experimental results, the rheological fracture model and rheological mechanical constitutive model of rock core will be carried out by consideration of hydration erosion, the rheological constitutive model will be developed on the UDEC numerical simulation software platform; The research results of this project can provide theoretical and practical basis for setting of rock pillar, damage of rock pillar in old mine and the corresponding treatment measures, which is conducive to safety and high efficiency and sustainable development of mining mineral resources, it has important theoretical and practical meaning.

针对高应力裂隙矿柱中含有部分亲水性矿物质的情况，通过测试矿柱岩芯亲水性矿物成分和比例，采用形貌扫描和电镜扫描相结合的方法，分析高湿环境高应力矿柱岩芯的水化侵蚀特性；分别构建高应力矿柱岩芯和大尺度矿柱在高湿环境下的流变实验平台，采用声发射和高速摄影等技术记录矿柱（岩芯）表层变形和内部裂隙起裂及扩展情况，探究高湿环境下高应力矿柱（岩芯）水化作用过程中的损伤劣化力学效应，分析矿柱（岩芯）表层应力分布及内部应力集中现象，从而揭示水化侵蚀与流变损伤共同作用下高应力矿柱（岩芯）的失稳破坏机理；根据实验结果，建立考虑水化侵蚀作用下的高应力矿柱（岩芯）裂纹扩展的流变断裂模型和流变力学本构模型，基于UDEC数值模拟软件平台进行流变本构模型二次开发；本项目的研究成果为新矿山的矿柱留设、老矿山矿柱失稳时效及相应处理措施提供理论与实践依据，达到矿产资源开采的安全高效和可持续发展，具有十分重要的理论与实际意义。

随着浅层矿产资源的逐渐枯竭，深部开采进行得如火如荼，由于地温的升高，结合地下水发育，蒸发量加大，深部矿房的环境湿度长期处在高位。此外，矿柱历经了长期地质构造运动，内部生成了尺度不一的缺陷，如断层，节理和裂隙等。这些缺陷的存在给气态水分子提供了渗透通道，因此关于裂隙矿柱在深部高湿环境下的水分迁移、应力腐蚀和损伤演化三者耦合作用下的稳定性亟待研究。以瓮福磷矿穿岩洞矿段为工程背景，基于室内试验，结合理论研究和数值分析等技术手段，系统总结了高湿环境对矿柱物理力学特性的影响规律。主要研究成果如下：（1）自主研发了“岩石力学实验温湿度及酸性环境控制模拟装置”，结合SEM电镜扫描、XRD粉末衍射和NMR核磁共振技术，分析了矿柱试样在高湿作用前后的微细观结构变化。（2）引入湿度扩散理论，对矿柱试样进行了不同湿度环境下的分级加载单轴蠕变试验。为描述高湿环境下矿柱的蠕变过程，通过湿度损伤劣化衰减系数β对变系数Abel黏壶进行改造，用考虑高湿损伤的变系数Abel黏壶元件代替Burgers中黏塑性体部分的牛顿黏壶，用考虑高湿损伤的常系数Abel黏壶元件代替Burgers中Kevin体部分的牛顿黏壶，建立了考虑湿度-应力-损伤耦合作用下的分数阶蠕变本构模型。（3）基于湿度扩散效应以及湿度传质理论建立了矿房湿度场二维数学模型；通过所建立的应力腐蚀模型结合PFC2D软件进行FISH语言的二次开发来模拟湿度场，研究了高湿对裂隙矿柱强度变形特性、裂纹演化以及破坏模式的影响并建立了等效裂纹模型；建立了基于现场湿度下的矿房数值模型，进行湿度-应力-损伤耦合运行，总结顶板沉降及矿柱变形规律。（4）综合深部高湿环境对矿柱的化学损伤理论，采用去除亲水性矿物的矿渣水泥制作人工矿柱对矿石矿柱进行置换，对两者的强度对比并进行采场稳定性数值验算，并总结出人工矿柱施工和接顶的关键技术。