为了解决工程灾害问题,除了研究工程岩体本身固有力学特性之外,还要考虑多种人为和自然因素对工程岩体的影响,如开采扰动引起的应力场和地质环境等。在巷道或煤层开挖之前,煤层及顶底板围岩处于稳定和平衡的三向应力状态。之后,随着巷道的掘进及煤层的开采,围岩多经受复杂的加载和卸载过程,且不同的掘进和开采方式,产生不同的应力路径和采动影响,进而使围岩的变形、强度及破坏方式不同。在采动影响下,围岩内部裂纹尖端产生应力集中,进而发生起裂、扩展、贯通,逐渐演化成较大的不连续面,引起围岩的变形松动,导致煤层及顶底板围岩的破坏、冒落、片帮,引发矿山灾害。因此,认清这些采动应力路径,并在实验室内根据应力路径进行试验,对于研究采动工程岩体变形破坏机制及工程灾害防治具有重要意义。本文选取煤矿典型砂岩为研究对象,采用实验室测试和理论分析相结合的研究方法,借助X射线衍射仪和高分辨率扫描电镜获得岩石的矿物成分和微细观结构;利用高刚性电液伺服试验机对岩石进行常规单轴和三轴压缩、循环加卸载、不同卸围压速率和不同开采方式下岩石的破坏力学试验,分析了常规加载和不同采动条件下岩石的渐进破坏过程及裂纹演化规律;结合岩石力学、弹性力学、损伤力学从理论上建立了岩石的轴向裂纹闭合模型、轴向裂纹扩展模型和轴向裂纹张开模型;在此基础上,提出了采动岩石的峰前应力-应变关系模型。通过本文的研究,在以下方面取得了一些进展:(1)砂岩的峰后应力-应变曲线受围压影响较大,随着围压的升高,峰后应变软化阶段逐渐明显,延性增强,围压越低,砂岩的应变软化模量越小,脆性越强;砂岩的弹性模量约为8.318 GPa,单轴抗压强度约为23.350 MPa,内聚力和内摩擦角分别约为6.180 MPa、33.860°。砂岩破坏后,其内聚力降低到0.736 MPa。随着围压的增大,砂岩由张拉破坏逐渐转为剪切破坏,破坏角度随围压的增大呈增大趋势。(2)分析了采动影响下砂岩的变形破坏特征。循环加卸载下,砂岩体现出较强的脆性。轴向残余应变随着循环次数的增大先减小后增大,环向残余变形和体积残余变形呈增大趋势;轴向弹性变形随着循环荷载的增大而增大,体积弹性变形先增大后减小,环向弹性变形呈减小趋势;循环加卸载过程中,加载弹性模量逐渐增大;在砂岩试样发生破坏之前,砂岩的轴向、环向和体积方向的绝对和累积损伤参数具有增大趋势,且环向和体积绝对和累积损伤参数的增大速率突然增大,这是试样发生失稳破坏的前兆。随着卸围压速率的增大,砂岩的应变软化模量逐渐减小,表明砂岩的脆性越强;卸围压速率越大,砂岩的割线模量、峰值强度、峰值体积应变呈增大趋势,峰值轴向应变和残余强度减小。也就是说,卸围压速率大时,较小的变形会使岩石发生破坏。不同开采方式下,砂岩的应变软化模量随轴向应力加载速率的增大而减小,说明轴向应力加载速率越大,砂岩脆性越强,即无煤柱开采时砂岩的应变软化模量最小,脆性较强,放顶煤和保护层开采方式应变软化模量依次增大,脆性降低;不同开采方式下,砂岩的峰值轴向应变和峰值环向应变随着轴向应力加载速率的减小而减小,即无煤柱、放顶煤、保护层开采方式下的轴向和环向变形依次降低;保护层、放顶煤、无煤柱开采方式下的峰值强度依次增大。单轴循环加卸载下,砂岩的破坏主要以张拉破坏为主;不同卸围压速率下和不同开采方式下砂岩主要呈剪切破坏,且卸围压速率和轴向应力加载速率越大,砂岩的破断角度越小。分析了采动影响下,砂岩的冲击倾向性,发现卸围压速率越大,砂岩的冲击能量指数越大,卸围压速率为0.8 MPa/min时,砂岩具有弱冲击倾向性,卸围压速率达到1.6 MPa/min时,砂岩具有强冲击倾向性;保护层开采方式下,砂岩的冲击能量指数最小,无冲击倾向性;放顶煤和无煤柱开采下,砂岩具有强冲击倾向性。(3)分析了常规加载和采动条件下砂岩的渐进破坏过程和裂纹演化规律。根据裂纹体积应变的演化规律,常规单轴和三轴压缩下,砂岩的渐进破坏过程可分为5个阶段,即裂纹闭合阶段、弹性阶段、裂纹稳定扩展阶段、裂纹不稳定扩展阶段和峰后阶段;受循环荷载的影响,砂岩在第8循环开始产生损伤,出现裂纹扩展阶段;不同卸围压速率和不同开采方式下,砂岩的渐进破坏过程可分为弹性阶段、裂纹扩展阶段和峰后阶段。随着围压的增大,砂岩的初始裂纹体积应变、裂纹体积扩展应变、裂纹体积(环向)峰值应变及峰值裂纹扩展速率均呈减小趋势,裂纹轴向峰值应变增大,说明围压越大,产生的裂纹越多;砂岩的裂纹闭合应力、裂纹起裂应力和裂纹损伤应力随着围压的增大而增大,且与峰值强度的比值处于合理范围。随着循环次数的增大,砂岩的裂纹轴向、环向、体积峰值变形、初始裂纹体积应变和裂纹体积扩展应变及峰值裂纹扩展速率逐渐增大,体现出循环荷载对砂岩的损伤作用;砂岩的裂纹闭合应力和裂纹起裂应力随着循环次数的增大而增大,裂纹损伤应力及其与峰值应力的比值先增大后减小。不同卸围压速率下,砂岩的裂纹环向、体积峰值应变和峰值裂纹扩展速率随卸围压速率的增大而增大,裂纹轴向峰值应变逐渐减小,说明卸围压速率越快,砂岩产生的裂纹越少。不同开采方式下,砂岩破坏时的裂纹和裂纹起裂应力随着轴向应力加载速率的增大而逐渐减小,即保护层开采方式下砂岩破坏时裂纹最多,裂纹起裂应力最小,放顶煤次之,而无煤柱时裂纹最少,起裂应力最大。常规加载下峰值裂纹扩展速率随着围压的增大而逐渐减小;循环次数越大,砂岩的峰值裂纹扩展速率越大;不同卸围压速率下,砂岩的峰值裂纹扩展速率随着卸围压速率的增大而逐渐增大;无煤柱开采方式下,砂岩的峰值裂纹扩展速率最大,放顶煤次之,而保护层开采方式下的最小。裂纹扩展速率越大,冲击能量指数越大,岩石的冲击倾向性越强,越易造成冲击地压。对比了采动影响下的裂纹扩展速率,发现不同卸围压速率和不同开采方式下的裂纹扩展速率均大于常规加载下的裂纹扩展速率。(4)基于轴向裂纹演化规律,识别岩石轴向裂纹参数,并分析了其与围压、干湿循环、循环次数、热处理温度的关系。围压越大,岩石的裂纹轴向扩展(峰值)应变和裂纹轴向损伤应力越大,裂纹轴向闭合应力越小;随着干湿循环次数的增多,裂纹轴向闭合应变和应力均呈增大趋势;在围压一定时,热处理温度越高,裂纹轴向峰值应变和扩展应变越大,而裂纹轴向损伤应力逐渐减小;分析了循环加卸载条件下,岩石的轴向裂纹演化规律,随着循环次数的增多,裂纹轴向闭合(张开)应变和应力均呈增大趋势;随着卸围压速率的增大,岩石裂纹轴向扩展应变呈逐渐减小的趋势,而裂纹轴向损伤应力逐渐增大;保护层开采、放顶煤开采、无煤柱开采下岩石的裂纹轴向扩展应变和裂纹轴向损伤应力逐渐增大。(5)岩石由基质和裂纹组成,基质和裂纹的变形分别用工程应变和自然应变来描述,基于裂纹轴向应变的演化规律,建立了岩石的裂纹演化模型,即轴向裂纹闭合模型、轴向裂纹扩展模型、轴向裂纹张开模型基于建立的岩石裂纹闭合、扩展和张开模型和裂纹应变的定义,提出了表征岩石加载条件下峰前应力-应变关系模型和卸载条件下岩石应力-应变关系模型。最后通过大量已有试验数据及开展的岩石力学试验数据,对加载和卸载条件下的岩石的裂纹演化模型和峰前应力-应变关系模型进行验证,试验值和理论值吻合度较高,能够较好地描述岩石峰前应力-应变关系的非线性特点和卸载条件下力学响应,验证了该模型的适用性和合理性。