【摘 要】
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破裂失稳机理及控制是关系深部开采安全的重大科学问题。本文以胶西北山岛金矿蚀变岩型金矿床开采为背景,以蚀变岩和工程为研究对象,围绕深部高应力环境下蚀变岩力学特性、采动诱发岩体破裂机理、灾害调控三个关键科学问题,综合采用现场调研与实测、室内岩石力学试验、数值试验、理论推导和分析、工程验证等技术手段,系统深入地研究了深部蚀变岩高围压力学特性及破裂行为、真三轴加卸载力学特性及破裂机理、高应力下蚀变围岩采动
【基金项目】
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山东黄金集团重点科技项目《胶西北深部地应力场分布规律及岩爆预测研究》; 山东省自然科学基金重大基础研究项目《采动诱发断裂带滑移和岩爆灾变机制与智能定量预警》(ZR2021ZD36)
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破裂失稳机理及控制是关系深部开采安全的重大科学问题。本文以胶西北山岛金矿蚀变岩型金矿床开采为背景,以蚀变岩和工程为研究对象,围绕深部高应力环境下蚀变岩力学特性、采动诱发岩体破裂机理、灾害调控三个关键科学问题,综合采用现场调研与实测、室内岩石力学试验、数值试验、理论推导和分析、工程验证等技术手段,系统深入地研究了深部蚀变岩高围压力学特性及破裂行为、真三轴加卸载力学特性及破裂机理、高应力下蚀变围岩采动破裂演化特征、典型采动灾害诱发机理、工程判据及高应力灾害调控理论与方法等内容,主要内容和成果如下:(1)调研了矿区一般地质、构造地质及工程地质情况,对矿区研究区域深部的节理裂隙情况和巷道/采场主要破坏模式进行了系统地实测和调查,获得了矿区地质概况、西山矿区深部主要生产中段的节理裂隙统计信息和西岭矿区900m~1900m深度裂隙发育情况及矿区深部典型采动应力诱导围岩破坏模式。(2)采用点面分析方法,分析了矿区成矿前、成矿期、成矿后三个阶段的断裂带形成和构造应力场演化,结合山东地区的板块运动、地震震源机制解、GPS地壳运动矢量等多个角度分析结果,确定了矿区的现今地应力场方向。对西山和西岭两个研究区域分别采用应力解除法、地表岩芯重定向声发射法和水压致裂法进行了地应力实测,建立了矿区地应力场实测线性回归模型,获得了地应力场分布规律。(3)选用矿区深部典型蚀变花岗岩开展了不同围压下的常规三轴压缩试验和黄铁绢英岩、二长花岗岩、绢英化花岗碎裂岩三种不同蚀变程度的岩石开展了相同围压下的常规三轴压缩试验,获得了同一岩性不同围压下蚀变裂隙花岗岩的应力应变特征、能量特征、破裂特征及脆延特征和相同围压下不同蚀变程度岩石的力学参数、破裂特征及脆性差异特征,揭示了矿区深部蚀变岩的非线性力学特性、破裂行为及岩石力学特性与蚀变程度的关系。(4)选用矿区常见蚀变脆性花岗岩,还原矿区深部岩体真实三维采动应力环境,设计试验方案,开展了真三轴加载、加卸载、循环加卸载三类试验。分析了加载条件下花岗岩的强度变形特征、破裂特征和机理;三种典型加卸荷路径下岩石的强度变形特征、破裂机理及围岩的破裂效应;循环加卸载条件下岩石的塑性变形和损伤特性、破裂机理及围岩破裂效应。试验结果揭示拉、剪应力竞争破坏机制及中间主应力破裂效应,特别地,研究并揭示了中间主应力的循环加卸载能促使拉裂纹大量萌生的破裂效应。(5)考虑中间主应力的影响及深部岩体非线性破裂特征,推导了基于双剪统一强度理论的岩石三维统计损伤本构方程。依据该本构关系,采用RFPA3D设计并开展了不同倾角预制裂隙试样静态加载数值试验和高倾角裂隙(>60°)试样在不同裂隙深度和不同侧压条件下的(0MPa、5MPa、10MPa)静态加载数值试验,分析了裂隙岩体在应力诱导作用下的破裂演化特征。选取低强度强蚀变和高强度弱蚀变两种典型蚀变花岗岩建立数值模型,分别开展了不同深度、不同侧压系数条件下巷道开挖围岩破裂过程数值试验,及成巷后在不同加载应力路径条件下的围岩破裂过程数值试验,分析了围岩破裂演化特征。巷道形成后,根据围岩在加载过程中的破坏形式、严重程度、声发射特征,将围岩采动破裂过程分为3-4个特征阶段,研究了不同特征阶段对应的应力强度指标分布区间。设计了一组平行节理、二组平行节理、二组平行节理+随机节理及三组平行节理4个工况下巷道围岩加载破裂数值试验,分析了节理化围岩破裂演化特征。(6)结合室内岩石力学试验和RFPA3D数值试验结果及矿区深部围岩冒落、崩落、板裂(层裂)、岩爆等破坏形式,将矿区高应力灾害分为裂隙扩展失稳、岩石开挖“即时型”和应力调整加荷“时滞型”三种类型。分析了三类典型采动应力灾害的诱发机理和必要条件,提出了裂隙岩体破坏准则,完善了不同严重等级脆性破坏临界应力判据,构建了从消除高应力灾害三个必要条件入手的调控理论和方法体系,并从能量角度对该体系进行了解译并提出新的高应力灾害能量调控“三步走”策略,给出了围岩在不同应力强度条件应采取的调控措施。研发了以合理确定围岩空顶跨度或高度和永久支护时机以使围岩依次充分卸荷为核心思想的基建永久巷道或深竖井采动应力序次调控方法,具有重要的工程实践意义。
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