高应力岩体的动态加卸荷扰动特征与动力学机理研究.pdf

中图分类号 U D C T U 4 5 2 6 2 4 博士学位论文 学校代码 Q 呈三 密级公珏 高应力岩体的动态加卸荷扰动特征与动力学 机理研究 C h a r a c t e r i s t i co ft h eD y n a m i cL o a d i n ga n d U n l o a d i n gR e s p o n s e sa n dD y n a m i cM e c h a n i s mo f R o c k s u n d e r H i g hI n i t i a lS t r e s s 作者姓名陶明 学科专业矿业工程 研究方向采矿工程 学院 系、所 资源与安全工程学院 指导教师李夕兵教授 联合培养导师D r ．C h e n g q i n gW u T h eU n i v e r s i t yo f A d e l a i d e 论文答辩日期≯2 Z 三Z 』簦答辩委员会主席 中南大学 2 0 1 3 年11 月 万方数据 学位论文原创性声明Y 2 6 8 7 5 9 4 f 舢舢删删删删舢删删舢 ⋯名翮d ⋯削册 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解中南大学有关保留、使用学 位论文的规定即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版；本人允许本学位论文被查阅和借阅；学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 复印、缩印或其它手段保存和汇编本学位论文。 保密论文待解密后适应本声明。 作者签名导师 日期 万方数据 博士学位论文 摘要 高应力岩体的动态加卸荷扰动特征与动力学机理研究 摘要深部岩体由于其自重和地球构造运动的影响，本身是应力和 能量的储存体。开挖前，开挖面和周围岩体之间处于准静态平衡 q u a s i ．s t a t i c 状态。当岩体开挖，原有的平衡状态被打破，引起初 始应力和能量的重新分布、转移和释放，这将促使岩体内部损伤演化 的累积和发展，进而可能产生宏观的时效断裂。由于开挖导致岩体初 始应力的转移、释放以及岩体的松弛变形严重影响地下工程开挖的稳 定性。如，深部开挖可能导致开挖面附近岩石的破坏甚至岩爆的发生， 这使得深部岩体的破坏形式表现得非常复杂和特别。同时，深部巷道 开挖还常常会出现层裂等渐进破坏模式。因此，由于开挖导致原岩应 力和能量的释放不但影响开挖过程中的安全性，而且会严重改变巷道 围岩的支护要求和支护能力。 目前深部岩石力学问题的研究主要是从静力学或准静力学及纯 动力学的角度出发，很少考虑高应力岩体由于自身静态初始应力和外 界动力扰动混合作用的行为特性。为此，本文围绕初始应力对弹性波 传播的影响，冲击载荷作用下引起的层裂破坏，高应力岩体加、卸荷 作用下的破坏机理等展开了相关的理论、实验和数值模拟研究，旨在 探讨高应力岩体破坏的岩石力学机理。主要内容和结论性成果如下 1 通过数学物理的方法求得了岩体加、卸荷过程中的定解问 题。分析了初始应力和初始应力梯度对应力波传播过程的波动方程、 应力波波速等的影响。设计了应力波在有初始应力的花岗岩试件中的 传播实验，结果表明纵波和横波波速都随初始应力的增加而增大，验 证了理论推导的正确性。 2 针对冲击载荷作用下层裂破坏的多种表现形式，对一维杆 件的层裂破坏特性、地下封闭爆炸的地表层裂特性、地下结构的层裂 特性进行了理论分析。首次利用长条形的花岗岩试件实现了一维应力 条件下的层裂破坏，并由试验结果推导出岩石层裂试验过程存在明显 的损伤破坏效应。同时，把初始应力和初始应力梯度引入到分析地下 爆炸引起的地表层裂中，得出了新的层裂分析模型。进一步，考虑到 地下岩体存在初始应力的特殊情况，通过将球面应力展开成平面应力 的办法实现了有围压情况下的花岗岩试件的层裂破坏，得到了有围压 情况下的花岗岩层裂强度。 I I 万方数据 博士学位论文摘要 3 针对开挖前的岩体本身是储能体和处于准静态平衡状态下 的特点，利用通用有限元程序L S ．D Y N A ，运用混合隐式．显式 i m p l i c i t ．e x p l i c i t 计算的方法成功模拟了高应力岩体的应力初始化． 动态卸荷过程。数值模拟的结果表明在较高的初始应力条件下，当 岩体的初始应力快速卸除后，仅仅由于自身应力的释放就导致了岩石 的破坏。针对不同的卸荷过程，创造性的提出了“等效应力释放率’’ 和“等效应变能密度率’’的概念和计算方法，并通过数值模拟计算证明 它们能很好的表征一维和多维高应力岩体的不同卸荷过程。 4 对深部硬岩巷道周边的加载作用过程进行了数值模拟。通 过设置不同的初始应力、不同的加载方式表明高应力岩体的动态加载 过程有可能产生破裂区与非破裂区交替出现的现象。进一步研究指出 了动态载荷作用在应力梯度逐渐递增的物体上除在作用面产生一个 峰值区外，一定还会在离作用面一定距离的地方产生另一应力峰值 区，并指出交替破坏现象能发生的主要原因是递增的静态应力和递减 的动态加载相互叠加的作用。 关键词高应力岩体；波动方程；层裂破坏；卸荷；L S ．D Y N A ；非 连续破坏 分类号T U4 5 2 I I I 万方数据 博士学位论文 A b s t r a c t C h a r a c t e r i s t i co ft h eD y n a m i c L o a d i n ga n dU n l o a d i n g R e s p o n s e s a n d D y n a m i cM e c h a n i s mo fR o c k s u n d e rH i g h I n i t i a lS t r e s s A b s t r a c t D e e pu n d e r g r o u n dr o c k sa r en a t u r a l l ys t r e s s e da n ds t o r e d e n e r g yb yt h e i rm a s sa n dt e c t o n i cm o v e m e n t ．B e f o r ee x c a v a t i o n ，a q u a s i s t a t i ce q u i l i b r i u me x i s t sb e t w e e nt h er o c ka h e a do ft h et u n n e lf a c e a n dt h es u r r o u n d i n gg r o u n d ．W h e nr o c ki se x c a v a t e d ，t h ep r e - e x i s t i n g e q u i l i b r i u mi sd i s t u r b e d ，l e a d i n gt ot h er e d i s t r i b u t i o n o ft h ep r i m a r y i n - s i t us t r e s sf i e l da n de n e r g yr e l e a s e ，w h i c hw i l li n d u c et h ea c c u m u l a t i o n a n dd e v e l o p m e n to ft h ei n i t i a lc r a c ko fr o c k s ，a n dt h e np r o d u c e m a c r o s c o p i ca g i n gf r a c t u r e ．M i n i n g - i n d u c e ds t r e s sc h a n g e ，r e l e a s ea n d r e l a t e dr o c km a s sr e l a x a t i o nC a nd r a s t i c a l l yi n f l u e n c et h es t a b i l i t yo f u n d e r g r o u n do p e n i n g ．O n eo ft h ec o n s e q u e n c e si s t h a tt h ee x c a v a t i o n m a yi n d u c er o c kf a i l u r e o re v e nr o c kb u r s ta r o u n do fu n d e r g r o u n d c a v i t i e s ，t h u s ，t h ed e e pu n d e r g r o u n dr o c kf a i l u r er e s p o n s e sa r ep a r t i c u l a r c o m p l e x ．M e a n w h i l e ，i nt h eu n d e r g r o u n de x c a v a t i o np r o c e s s e ss p a l l i n g a n do t h e rp r o g r e s s i v ef a i l u r em o d e sa r eo f t e n i n d u c e d ．T h e r e f o r e ， m i n i n g - i n d u c e ds t r e s sc h a n g en o to n l yi n f l u e n c e st h ee x c a v a t i o ns a f e t y , i t a l s os e r i o u s l yi n f l u e n c e sa n dc h a n g e st h ed e m a n do nt h er o c ks u p p o r ta n d s u p p o r tc a p a c i t y 。 C u r r e n t l y , t h er e s e a r c hm e t h o d o l o g i e so fd e e pr o c km e c h a n i c sa r e m a i nb a s e do ns e p a r a t es t a t i c ，q u a s i - s t a t i ca n dd y n a m i cv i e w s ，h o w e v e r ， t h ec o m b i n e de f f e c to ft h ei n i t i a ls t r e s so fr o c km a s sa n dt h eo u t s i d e d y n a m i cd i s t u r b a n c ea r ec o m m o n l yi g n o r e d ．T h e r e f o r e ，a tt h ep r e s e n t t h e s i sf o c u so nt h ei n f l u e n c eo ft h ei n i f i a ls t r e s sf o re l a s t i cs t r e s sw a v e p r o p a g a t i o n ，s p a l l i n gi n d u c e db ys h o c kl o a d s ，a n dt h et h e o r e t i c a l ， e x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d sa r ea p p l i e dt oe x p l o r e t h ef a i l u r em e c h a n i s mo fh i g hi n i t i a ls t r e s sr o c ku n d e rt h el o a d i n ga n d u n l o a d i n gp r o c e s s e s ．T h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 T h ed e f i n i t ep r o b l e mo fl o a d i n ga n du n l o a d i n gp r o c e s so fr o c k s i ss o l v e db yu s i n gt h em a t h e m a t i c a lp h y s i c sm e t h o d ．n l ei n i t i a ls t r e s sa n d i n i t i a ls t r e s sg r a d i e n to nt h ew a v ee q u a t i o n ，w a v ev e l o c i t ya n dS Oo na r e i v 万方数据 博士学位论文 A b s t r a c t a n a l y z e d ．A ne x p e r i m e n t a lo fs t r e s sw a v ep r o p a g a t ei nt h ep r e s t r e s s e d g r a n i t es p e c i m e ni sd e s i g n e da n dc o n d u c t e d ；t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tc o m p r e s s i o n a la n ds h e a rw a v ev e l o c i t yi n c r e a s ew i t ht h e m a g n i t u d e so f i n i t i a ls t r e s s ． 2 F o rt h ed i f f e r e n tf a i l u r ef o r m so fs p a l l i n gu n d e rs h o c kl o a d p r o c e s s e s ，a n a l y s i so ft h es p a l l i n gc h a r a c t e r i s t i co fo n e - d i m e n s i o n a l 1D b a r , s u r f a c es p a l l i n gi n d u c e db yu n d e r g r o u n de x p l o s i o na n ds p a l l i n gi n u n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s ．U s i n gal o n gs t r i po fg r a n i t es p e c i m e nc o n d u c t e d t h e1Ds p a l l i n gf r a c t u r ep r o c e s si nl a b o r a t o r y ；t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h eo b v i o u sd a m a g ee x i s ti nt h es p a l l i n gp r o c e s s ．I na d d i t i o n ， c o n s i d e r i n gt h es p e c i a lc o n d i t i o no ft h eu n d e r g r o u n dr o c km a s si n p r e - s t r e s s e ds t a t e ，t h eg r a n i t ea x i a ls p a l l i n gs t r e n g t hu n d e rc o n f i n i n g p r e s s u r ea r ea c h i e v e db yt h ew a yo fas p h e r e s t r e s st u r n st op l a n s t r e s s ．F u r t h e r m o r e ，t h ei n i t i a ls t r e s sa n ds t r e s sg r a d i e n ta r ei n t r o d u c e dt o a n a l y s i st h es u r f a c es p a l l i n gi n d u c e db yt h eu n d e r g r o u n de x p l o s i o n ，a n da n e w s p a l l i n gm o d e l i sg e n e r a t e d 。 3 B a s e do nt h ef e a t u r e so fu n d e r g r o u n dr o c km a s sa r en a t u r a l l y e n e r g ys t o r a g eb o a y a n di na q u a s i - s t a t i ce q u i l i b r i u ms t a t e ，t h e i n i t i a l i z a t i o n - d y n a m i cu n l o a d i n gp r o c e s s e so fh i g hi n i t i a ls t r e s sr o c km a s s a r ec o n d u c t e db yu s i n gt h eh y b r i di m p l i c i t - e x p l i c i te l e m e n tm e t h o d ． N u m e r i c a lr e s u l t si n d i c a t et h a t i nt h eh i 曲s t r e s ss t a t e ，w h e nt h ei n i t i a l s t r e s sw a sq u i c k l yu n l o a d e d ，r o c kf a i l u r ei si n d u c e di nt h ei n i t i a ls t r e s s r e l e a s ep r o c e s s e s ．M e a n w h i l e ，f o rd i f f e r e n tu n l o a d i n gp r o c e s s e s ，t h e c o n c e p ta n dc a l c u l a t i o nm e t h o do f ‘‘e q u i v a l e n ti n i t i a ls t r e s sr e l e a s er a t e ’’ a n d “e q u i v a l e n t s t r a i n e n e r g yd e n s i t yr a t e “ a r ep r o p o s e d ，b yt h e n u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d ，w h i c ha r ep r o v e dC a nb ew e l lc h a r a c t e r i z e d t h ed i f f e r e n tu n l o a d i n gp r o c e s s e si nd i f f e r e n ti n i t i a ls t r e s ss t a t e s ． 4 N u m e r i c a ls i m u l a t i o nt h ed i f f e r e n tl o a d i n gp r o c e s s e so fd e e p u n d e r g r o u n dt u n n e l i n ge x c a v a t i o n ．B ys e t t i n g d i f f e r e n ti n i t i a l s t r e s s e s ， d i f f e r e n t l o a d i n gp a t h s ，a n dS Oo n ，n u m e r i c a lm o d e l l i n gg e n e r a t e d a s e c o n df r a c t u r ez o n ei nt h ef a r ．f i e l da n da ne l a s t i cn o n ．f r a c t u r ez o n e b e t w e e nt h et w of i e l d s ，i ．e ．，f r a c t u r ea n dn o n - f r a c t u r ez o n e so c c u r r e d a l t e m a t e l ya r o u n d a d e e pc a v i t y ．I na d d i t i o n ，t h e f u r t h e rr e s e a r c h d e m o n s t r a t e st h a tt h ed y n a m i c1 0 a dc o n d u c to nam a t e r i a lw i t hi n c r e a s i n g V 万方数据 博士学位论文 A b s t r a c t s t a t i cs t r e s sg r a d i e n t ，i na d d i t i o nt ot h el o a d i n gl o c a t i o n ，i tw i l lc a s e a n o t h e rs t r e s sp e a kz o n ea tac e r t a i nd i s t a n c ea w a yf o rt h el o a d i n g 1 0 c a t i o n ．w h i c hi St h em a i nr e a s o nw h yt h ef r a c t u r ea n dn o n - f r a c t u r e z o n e so c c u r r e da l t e r n a t e l ya r o u n dad e e pc a v i t y ，i ．e ．，b e c a u s eo ft h e s u p e r p o s i t i o ne f f e c to ft h es t a t i ci n c r e a s i n gi n i t i a ls t r e s sa n dd e c r e a s i n g d y n a m i cl o a d i n g ． K e y w o r d s H i 曲i n i t i a ls t r e s sr o c km a s s ；W a v ee q u a t i o n ；U n l o a d i n g ； S p a l l i n g ；L S - D Y N A ；D i s c o n t i n u o u s f a i l u r e C l a s s i f i c a t i o n T U4 5 2 V I 万方数据 博士学位论文 目录 目录 学位论文原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯．．⋯．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯I V 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 高应力岩体扰动破坏的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 初始应力对应力波传播影响的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 深部岩体的多种破坏特征的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 实验研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1 岩石强度和变形关系的实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 ．2 岩体内部破坏的探测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．3 岩体断裂的表面观测技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 1 ．3 ．4 相似材料和模型试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 1 ．4 理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 1 ．4 ．1 剪切强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 1 ．4 ．2 断裂力学强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 1 ．4 ．3 分形统计和损伤力学强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 1 ．4 ．4 经验强度理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 1 ．4 ．5 岩体卸荷本构研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 1 ．5 数值研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 1 ．5 ．1 岩石力学中常用的数值模拟方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 1 ．5 ．2 数值模拟的混合分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 1 ．5 ．3 数值模拟的耦合分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 1 ．6 主要研究内容和研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 动力扰动下的弹性波传播理论与控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 ⅥI 万方数据 博士学位论文目录 2 ．2 三维动力作用过程的定解问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．3 一维动态加载过程中的定解问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 2 ．4 一维动态卸载过程中的定解问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 2 ．5 弹性波在有初始应力介质中传播的控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 2 ．5 ．1 初始应力对弹性波的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3l 2 ．5 ．2 初始应力梯度对弹性波的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 2 ．6 初始应力对岩体应力波波速影响的实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 2 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 3 冲击载荷作用下岩石的层裂破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．2 层裂的发生条件和表现形式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 3 ．3 常用的层裂强度测量与计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 3 ．3 ．1 拉回速度法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 3 ．3 ．2 层裂块速度法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51 3 ．3 ．3 入射波形法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 3 ．4 冲击载荷作用下层裂强度测试的新方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 3 ．4 ．1 波形分析法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 3 ．4 ．2 镜像波源法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 3 ．5 基于H o p k i n s o n 杆的花岗岩层裂试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 3 ．6 层裂破坏的损伤演化关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 3 ．6 ．1 加载压缩波损伤影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 3 ．6 ．2 重复加载和应力波来回反射累积损伤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 9 3 ．7 地下封闭爆炸的地表层裂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 3 ．7 ．1 地下爆炸引起地表层裂的一般特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 0 3 ．7 ．2 地下爆炸引起地表层裂发生的时空关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 3 ．8 冲击荷载作用下的地下结构层裂⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 3 ．9 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 4 一维高应力岩体的强卸荷响应特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 4 ．2 卸荷过程中的应力释放率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 7 4 ．3 硬岩材料模型及其验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 ⅥI I 万方数据 博士学位论文目录 4 ．3 ．1 硬岩材料模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 4 ．3 ．2 硬岩材料模型参数验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 0 4 ．4 岩体卸荷的数值计算方法和模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 4 ．4 ．1 数值模拟的基本方程与计算方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～8 2 4 ．4 ．2 岩体卸荷数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 5 4 ．5 不同初始应力下硬岩的卸荷破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 4 ．6 应力释放率对卸荷过程的影响研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 7 4 ．7 岩体卸荷响应的控制规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 0 4 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 5 5 深部多维应力下的岩体强卸荷响应特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 6 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 6 5 ．2 深部硐室开挖卸荷模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 7 5 ．3 初始应力对卸荷响应的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 5 ．3 ．1 水平应力对卸荷响应的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 8 5 ．3 ．2 环向应力对卸荷响应的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 9 5 ．4 卸荷速率对卸荷响应的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 0 5 ．5 卸荷过程的弹性控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 5 ．6 卸荷过程中的等效应变能密度率⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 3 5 ．7 基于能量分析的卸荷破坏准则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 6 5 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 6 6 高应力岩体的非连续破坏特征与动力学解释⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 0 8 6 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 8 6 ．2 地下硐室周边应力和位移的分布规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 0 6 ．3 地下巷道的数值模型和等效加载方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 3 6 ．3 ．1 地下巷道数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 6 ．3 ．2 爆炸载荷的等效加载方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 6 6 ．4 深部巷道周围的加载破坏特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 7 6 - 4 ．1 不同应力状态下的动态加载过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 8 6 ．4 ．2 相同初始应力状态下的不同加载过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 1 6 ．5 非连续破坏区产生的工程实例验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 3 6 ．5 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 3 I X 万方数据 博士学位论文 目录 6 ．5 ．2 数值模拟和结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 4 6 ．6 深部高应力岩体非连续破坏的力学解释⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 5 6 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 0 7 全文结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 3 2 7 ．1 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 7 ．2 后期工作与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．13 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 5 附蜀毛A ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 7 附蜀乏B ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 3 攻读学位期间主要的研究成果及获奖情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 5 X 万方数据 博士学位论文 1 绪论 1 绪论 1 ．1 引言 目前，很多国家的地下资源开采都已经或即将进入了深部开采阶段，并且， 地下采矿逐渐走向深部开采是趋势。但是，各国对于深部开采尚未统一的划分标 准。如，前苏联和日本等认为开采深度大于6 0 0m 为深部开采，英国与波兰等欧 洲国家认为开采深度大于7 5 0m 即为深部开采，南非、加拿大等矿业发达国家认 为矿井深度为8 0 0 “ - 一10 0 0m 深部开采，我国一般认为开采深度为8 0 0 12 0 0m 即为深部开采【。除去超深钻探和石油钻探，采矿意义上的深部开采应该是巷道 掘进和工人施工所抵达的最大深度。据不完全统计，至2 0 1 1 年，国内外开采深 度超千米的金属矿山有近1 0 0 座，其中尤其值得一提的是南非的超深 U 1 仃a ．d e e p 矿井，如盎格鲁黄金 A n g l o G o l d 公司在西威茨 W e s tW i t t s 地区的三大矿井 T a u T o n a 、S a v u k a 和M p o n e n g ，其中，T a u T o n a 金矿的3 拌竖井开采深度已达到39 0 0 m ，为当今世界上开采深度最深的矿井，S a v u k a 金矿的2 } } 竖井开采深度为37 7 7 m ，M p o n e n g 金矿的平均开采深度为28 0 0 ～34 0 0m ，未来将会拓展到45 0 0m 。 另外，印度K o l a r 金矿已延伸至地下32 0 0m ；加拿大魁北克省R o u y n - N o r a n d a 东部的A