节理岩体采动损伤演化及破坏规律研究.pdf

分类号⋯⋯⋯⋯⋯．UDC密级⋯⋯⋯⋯⋯编号⋯⋯⋯⋯⋯十南大学C E N T R A LS O U T HU N I V E R S I T Y硕士学论文题目学科、专业研究生姓名导师姓名及专业技术职务文又蓝垄煮俺采动揍鱼．演化终破i Im l 坏l l l i l 规l l lm ．⋯⋯⋯⋯⋯i ⋯率砑宄⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。。。。’⋯⋯⋯⋯⋯。。⋯⋯⋯⋯矿⋯⋯些⋯．玉⋯程⋯⋯⋯。i⋯⋯⋯⋯⋯⋯n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。。。。。’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯尚⋯⋯⋯傻⋯⋯撼⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯胡建华⋯⋯副熬撬⋯⋯⋯ UDC硕士学位论文I l llIll l ll l lI llll lI I IY 2 4 2 3 9 2 0编号节理岩体采动损伤演化及破坏规律研究R e s e a r c ho nt h ed a m a g ee v o l u t i o na n df a i l u r el a wo ft h ejo i n t e dr o c km a s sd u r i n ge x c a v a t i o n作者姓名学科专业学院 系、所指导教师尚俊龙矿业工程资源与安全工程学院胡建华副教授论文答辩日期型 墨 丝7答辩委员会主席盘。堑三少中南大学2 0 1 2 年11 月 原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。作者签名越日期坦年丛月丝日学位论文版权使用授权书本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。日期涩年且月三拥 硕士学位论文摘要摘要节理岩体普遍存在于矿山、隧道、公路等实际工程中。节理的存在被普遍认为是岩体的初始损伤，遍布于岩体内部不同形状、大小的节理对岩石力学特性有这十分显著地影响。已有相关研究表明，在岩土类工程灾害中，包括滑坡、隧道坍塌、井下采场冒顶等，多数都是因为岩体内部存在节理等力学薄弱面而造成的。因此，研究节理特性对岩体破坏的影响至关重要。本文以广西华锡集团铜坑矿为研究背景，开展节理岩体采动损伤及破坏规律相关方面的研究工作。主要研究内容如下 1 在查阅现有相关文献的基础上，综述了目前国内外节理岩体相关领域研究现状，归纳了适用于研究节理类岩体的各种理论和数值分析方法。 2 介绍了损伤力学研究内容及主要研究方法，从不同角度归纳了描述岩体损伤变量的方法，包括面积损伤变量、弹性模量损伤变量和强度损伤变量。并分析了各种方法存在的优缺点，最终选取强度损伤变量作为本文衡量岩石损伤的标准。 3 利用核磁共振和电液伺服岩石单轴试验机研究了岩石在不同应力荷载下损伤演化规律和宏观强度损伤特性。主要得到了以下几点结论1 岩石内部普遍存在细小孔隙、孔洞等，当外力由小逐步变大过程中，其主要呈现出压合一新裂纹的生成和原始裂纹的缓慢扩展一裂纹的快速扩展和贯通一最终形成宏观破裂面；2 岩石内部孔隙度的变化与岩石宏观强度的变化不完全一致，当外荷载较小时，岩石孔隙度会变小，而岩石强度降低；3 以往的岩石强度的分析主要采用岩石加载破坏的形式 即有损检测 ，本文结合核磁共振分析结果与岩石单轴加载分析结果，建立了岩石微观孔隙变化与宏观力学强的变化的关系，进而可以达到岩石强度无损检测的目的。 4 利用R F P A 岩石真实破裂软件分析了含节理的点柱在不同应力状态下的损伤及破坏规律。主要得到了以下几点结论1 岩石非均值特性对岩石力学特性影响显著，岩石均质度越高，其脆性越强，声发射能量越大，对外部带来破坏的可能性也越大；并且低均质度岩石 O 聊 5 主要体现为剪切破坏模式，高均质度岩石 5 3 0 时，其力学特性基本稳定。2 随着节理倾角的增大，岩石宏观强度不断降低，最大声发射能量也 硕士学位论文摘要较小，体现为岩石节理面由压状态向拉和剪状态的转变。3 节理倾角相同时，节理数目越多，则强度也越低；节理数目相同时，倾角越大，宏观强度越低，并且岩石内部不同倾角节理共存时，大倾角节理的损伤演化对岩石最终破坏起主导作用。 5 以铜坑矿深部锌多金属矿体首采区某采场为研究对象，利用离散单元法 D Z M ，研究深部节理岩体采动作用下岩体损伤破坏规律。研究结果表明，不预留点柱采场开挖至第二步 2 0 m 左右 时，因大角度节理张开而失去稳定性。通过布置2 ．0 m 2 ．0 m 的点柱，十分有效地改善围岩应力分布状态，能够保证安全回采。同时，研究表明前期回采预留的点柱变形量明显大于后期预留的点柱尺寸，因此可以实际回采中，可以适当增大前期回采的点柱尺寸，降低后期回采的点柱尺寸，已达到相互协调的目的。关键词金属矿山，节理岩体，损伤演化，破坏规律，岩石磁共振，I 江P A ，D E MI I 硕士学位论文A B S l R A C TA BS T R A C TJ o i n t e dr o c km a s si su b i q u i t yi na c t u a lp r o je c t ss u c ha sM i n i n gE n z i n e e r i n g ．T u n n e l i n ga n dH i g h w a yE n g g ，e t c ．J o i n t sw i t h E n g i n e e r m gU n n e l l n gt i l g l a w a yl 三n g l n e e n n ge t cW l t l l，，，d i f f e r e n ts h a p e sa n ds i z e s ，w h i c ha r ed i v i d e di nr o c km a s s ，h a v eap r o f o u n di n f l u e n c eo nt h ec h a r a c t e ro fr o c km a s s ．T h e r e f o r e ，t h e ya r er e g a r d e da st h ei n i t i a ld a m a g eo fr o c km a s s ．I th a sb e e np r o v e dt h a tal a r g em a jo r i t yo fd i s a s t e r s ，s u c ha sl a n d s l i d e ，c o l l a p s eo ft u n n e la n dg o a ge t c ，a r et h er e s u l t so ft h ef a i l u r eo f j o i n t si nt h er o c km a s s ．S o ，i ti sv i t a lt os t u d yo nt h ei n f l u e n c eo ft h ej o i n t so nt h ed a m a g eo fr o c km a s s ．T a k i n gt h ez i n cc o p p e ro r eb o d yo fT o n g k e n gM i n e ，H u a x iG r o u pf o rr e s e a r c hb a c k g r o u n d ，t h i sp a p e rh a v es t u d i e dt h ed a m a g ee v o l u t i o na n df a i l u r el a wo ft 1 1 ej o i n t e dr o c km a s se x c a v a t i o ni nd e e pm i n e ．T l l em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w i n g 1 O nt h eb a s i so ft h ec u r r e n tr e l a t e dd o c u m e n t s ，t h ea u t h o rh a ss u m m a r i z e dt h er e s e a r c hs t a t u so fc o n t e n t s ，w h i c ha r er e l a t e dt ot h eio i n t e dr o c km a s s ．A tt h es a m et i m e ，n u m e r o u st h e o r i e sa n dn u m e r i c a la n a l y s i sm e t h o d s ，w h i c hC a nb eu s e di nt h es t u d yo njo i n t e dr o c km a s s ，a r ec o n c l u d e d ． 2 T h em a i nc o n t e n t sa n dm e t h o d si nd a m a g em e c h a n i c sa r ei n t r o d u c e d ．A f t e rt h a t ，t h ea u t h o rh a ss u m m a r i z e dt h em e t h 。o d st h a ta r eu s e dt od e p i c tt h er o c km a s sd a m a g ep a r a m e t e r s ，i n c l u d i n ga r e ad a m a g ep a r a m e t e r ，e l a s t i cm o d u l u sd a m a g ep a r a m e t e ra n ds t r e n g t hd a m a g ep a r a m e t e r ．M e a n w h i l e ，s t r e n g t hd a m a g ep a r a m e t e ri sc h o s e nt om e a s u r et h ed a m a g eo fjo i n t e dr o c km a s sa f t e ra n a l y z i n gt h em e r i t sa n dd e m e r i t st h em e t h o d s 3 D a m a g er e v o l u t i o na n dd a m a g ec h a r a c t e r i s t i c sa b o u tr o c km a s s ，w h i c ha r eu n d e rd i f f e r e n t1 0 a d s ，a r es t u d i e db yu s i n gt h en u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c et e c h n i q u ea n dE l e c t r o ．h y d r a u l i cs e r v or o c ku n i a x i a lt e s t e r ．m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g 1 T i n yp o r e sa n dh o l e sa r ec o m m o ns e e ni nt h er o c km a s s ，a n dw h e nt h el o a d sg r a d u a l l yb e c o m el a r g e r ，t h e ye x p e r i e n c et h es t a g e so fs t i t c h i n g ，g e n e r a t i o no fn e wf i s s u r e s ，e x p a n s i o nI I I 硕士学位论文 A B S T R A C T a n dt h r o u g ho ff i s s u r e sa n df o r m a t i o no fm a c r o s c o p i c 如c t u r es u r f a c e ．2 t h e r ei sn oc l o s ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a n g e so fr o c kp o r o s i t ya n d r o c km a c r o s c o p i cs t r e n g t h ．F o re x a m p l e ，w h e nt h el o a di sl o w ，t h er o c k p o r o s i t yw i l lb e c o m ed i s m i s s ，w h i l er o c km a c r o s c o p i cs t r e n g t hi sl o w e r ．3 t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm i c r o s c o p i cp o r ec h a n g eo fr o c km a s sa n d m a c r o s c o p i cm e c h a n i c a ls t r e n g t h e ni s e s t a b l i s h e do nt h eb a s i so ft h e c o m b i n a t i o no ft h em a g n e t i cr e s o n a n c ea n a l y s i sr e s u l t sa n du n i a x i a l l o a d i n ga n a l y s i sr e s u l t s ．A n dt h e n ，r o c km a s ss t r e n g t hn o n d e s t r u c t i v e t e s t i n gi sr e a l i z e d ． 4 T h r o u g hu s i n g t h eR F P As o f t w a r ea n dm u l t i s t a g es t r e s s i n g ，t h e a u t h o rh a ss t u d i e dt h ed a m a g ea n df a i l u r el a w so fp i l l a r s ，w h i c hc o n t a i n n u m e r o u sj o i n t s ．m a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w i n g 1 r o c kh e t e r o g e n e i t y h a sr e m a r k a b l ei n f l u e n c eo ni t sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ．A st h er o c k h e t e r o g e n e i t yi n c r e a s e ，t h ed a m a g ee v o l u t i o nm o d eo fr o c kc h a n g e sf r o m d u c t i l ef a i l u r e i n t ob r i t t l ef a i l u r e ，a n dt h ed i s p e r s i v i t yo fm a c r o s c o p i c u n s t a b l ef a i l u r ed e c r e a s e ．A tt h es a m et i m e ，p e a ks t r e n g t ho fr o c k s i n c r e a s e sc e a s e l e s s l y , a n df i n a l l yr e a c h e st oas t a b l ev a l u e ．I ti sa l s of o u n d t h a tw h e nt h er o c kh e t e r o g e n e i t yi sl o w , a c o u s t i ce m i s s i o no fr o c k su n d e r u n i a x i a ll o a d i n gr e f l e c t sap r o p e r t yo fl o wi n t e n s i t ya n dh i g hf r e q u e n c y ． A c o u s t i c e m i s s i o ns t r e n g t ha n dm u t a g e n i c i t yo fr o c k si n c r e a s ew i t h h i g h e rr o c kh e t e r o g e n e i t y ．2 W i t ht h ei n c r e a s eo ft h ejo i n tA n g l e ，r o c k m a c r o s c o p i cs t r e n g t hw i l lb er e d u c e da n dt h em a x i m a la c o u s t i ce m i s s i o n e n e r g yi sl o w e r ．J o i n t si nr o c km a s st r a n s f o r mf r o mp r e s s u r es t a t et oP u l l a n ds h e a rs t a t e s ．3 w h e nt h e r ee x i s t st h es a m ea n g l eo f j o i n t s ，t h em o r e t h en u m b e r , t h el o w e rt h er o c km a s ss t r e n g t h ．A n dw h e nt h e r ee x i s t st h e s a m en u m b e ro fjo i n t s ，t h el a r g e rt h ea n g l e s ，t h el o w e rt h er o c km a s s s t r e n g t h ．T h a ti st os a y , t h eb i ga n g l ej o i n tO c c u p i e sd o m i n a n tf a c t o r so n t h ef a i l u r eo fr o c km a s s ． 5 T a k i n gt h eas t o p ei ni n i t i a lm i n e r ya tT o n g k e n gM i n ef o rs t u d y o b je c t ，t h ea u t h o rh a ss t u d i e dt h ed a m a g el a wo fjo i n t e dr o c km a s si n d e e pm i n ea f t e re x c a v a t i n gt h r o u g ht h eU D E Cs o f t w a r e ．T h er e s u l t s i n d i c a t e st h a ti fw ed on o td e s i g nt h ep i l l a r s ，t h eg o a ft e n d st oc o l l a p s e d f o r t h ef a i l u r eo f b i ga n g l ejo i n t sw h e ne x c a v a t e sa tt h es e c o n ds t e p a b o u t 2 0 m ．H o w e v e r , p i l l a r s 2 ．0 mX2 ．0 m ，w h i c ha r ea r r a n g e di nt h eg o a l , c a n i v 硕士学位论文A B S T R A C T o b v i o u s l ye n h a n c et h es a f e t yo fg o a fa n dg u a r a n t e eS a f e t ym i n i n g ． B e s i d e s ，t h ed e f o r m a t i o no fp i l l a rl o c a t e di nt h em i d - g o a fi sb i g g e rt h a n t h a tl o c a t e di nt h er i m ．S Ow ec a n a p p r o p r i a t e l yi n c r e a s et h es i z eo fc e n t r a l p i l l a r , w h i l s tr e d u c et h es i z eo fp i l l a rl o c a t e di nt h ee d g e ． K E YW O R D S m e t a lm i n e ，jo i n t e dr o c km a s s ，d a m a g ee v a l u a t i o n ，f a i l u r e l a w , n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c et e c h n i q u e ，R F P A ，D E M V 硕士学位论文目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 节理裂隙岩体损伤力学研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 ．1 损伤力学研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 ．2 损伤力学研究方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．3 节理裂隙岩体损伤变量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．4 节理裂隙岩体损伤本构关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．5 节理裂隙岩体损伤演化方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 国内外相关研究现状及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 ．3 ．1 节理岩体研究意义与现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 采动引起岩体损伤研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 ．4 本文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 1 ．4 ．1 岩石分级加载损伤演化试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 1 ．4 ．2 考虑节理分布的岩石损伤演化及破坏规律研究⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 1 ．4 ．3 深部节理岩体采动损伤及破坏规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 1 ．5 研究的技术路线和手段⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 第二章岩石单轴分级加载损伤及破坏规律试验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 概j 盎⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．2 岩石核磁共振基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．2 ．1 原子核磁性与自旋⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．2 ．2 核磁共振现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 ．3 岩石孔隙度测量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 2 ．2 ．4 核磁共振成像技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯16 2 ．3 岩石单轴分级加载损伤核磁共振试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 2 ．3 ．1 试验目的与设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．2 岩石试样制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．3 ．3 试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．4 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．4 ．1 岩石初始损伤核磁共振分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l V I 硕士学位论文目录2 ．4 ．2 岩石单轴分级加载损伤核磁共振分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 22 ．4 ．3 岩石单轴分级加载损伤因子的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 32 ．4 ．4 岩石损伤因子与孔隙度增量的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 52 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7第三章考虑节理分布的岩体应力损伤及破坏规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 83 ．1 概j 苤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 83 ．2 岩石损伤破坏非均质效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 83 ．2 ．1 岩石非均质特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 83 ．2 ．2 非均质度对其损伤演化的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 93 ．2 ．3 岩石非均质性对其声发射模式的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 33 ．3 考虑节理分布的岩体采动损伤破坏规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 43 ．3 ．1 工程概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 43 ．3 ．2 考虑节理分布岩体数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 43 ．3 ．3 数值模拟结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 63 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2第四章节理岩体采动损伤破坏规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 44 ．1 离散单元法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 44 ．2 ．1 离散单元法基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 44 ．2 ．2 二维通用离散元软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 54 ．2 ．3 静态分析基本流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 54 ．2 节理岩体不预留点柱采动损伤破坏研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 64 ．2 ．1 建模区域⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 64 ．2 ．2 节理岩体不预留点柱采动模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 74 ．3 ．3 不预留点柱节理岩体采动结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 94 ．3 节理岩体预留点柱采动损伤破坏规律研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 24 ．3 ．1 预留2 ．O r e 2 ．O m 点柱采动数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 24 ．3 ．2 预留2 ．O m 2 ．O m 点柱节理岩体采动结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 24 ．3 ．3 预留不同尺寸点柱理岩体采动分析模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 64 ．3 ．4 预留不同尺寸点柱节理岩体采动结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 64 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 8第五章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 05 ．1 主要研究结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 05 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3V I I 硕士学位论文目录致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 9攻读学位期间主要的研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0V I I I 硕士学位论文第一章绪论1 ．1 课题来源第一章绪论矿山资源开采过程中引起的灾害主要包括岩爆、岩层移动和地表塌陷、冒顶片帮、大面积采空区塌陷等。本论文依托校企合作项目一‘锌铜矿体深部缓倾斜薄矿体集中化高效开采关键技术与装备研究”，铜坑矿锌铜矿体处于高地应力的深部，矿体缓倾斜且较薄，节理发育。因此，在采动过程中必然会发生顶板塌陷、冒顶片帮等灾害，严重威胁着人员安全同时制约着新开采工艺的顺利实施。本论文以此为契机，针对开采过程中节理岩体采动劣化效应，研究具有初始损伤体的再次损伤演化规律，及时对灾害加以控制。论文产生的研究成果辐射面广，为此类矿体的高效、规模化开采提供一套可靠的预测保障体系。1 ．2 节理裂隙岩体损伤力学研究内容1 ．2 ．1 损伤力学研究内容材料物质内部普遍存在大量的缺陷 如微裂纹、孔洞等 ，在外力以及环境作用下，这些缺陷对材料和结构的劣化效应即被称为损伤【1 。2 1 。为研究材料内部不同损伤特点 如弹性、脆性、塑性、延性、蠕变、静动力特性等 及其损伤演化导致宏观失效等特性，损伤力学应运而生，损伤力学研究内容见图1 ．1 。弹性l } 塑性l | 蠕性l | 疲劳全ll 半| | 全解| l 解1 1 耦耦| | 耦l l 合法| l 法| | 法季员伤类别三翟餐嫠卜一损伤类别损伤分析| L 掣变分提法下舞理论损伤变量损伤准则试验董测本构方程与演化方程图1 - 1 损伤力学研究内容连续介质力学细观方法一雨兰； 硕士学位论文第一章绪论1 ．2 ．2 损伤力学研究方法损伤力学是专门研究具有初始损伤材料的力学特性，及其在外部荷载作用下损伤的进一步演化直至发生宏观破裂的- l - J 学科。目前，损伤力学研究的主要方法大致分为以下几种唯象学宏观法、金属学细观法、统计法学法及宏细观综合法【3 圳。 1 唯象学宏观法唯象学宏观法【5 】以不可逆热力学和连续介质力学为基础，从材料物质的宏观特性出发，将损伤变量引入本构模型以研究其宏观力学特性，较细观方法更易用于工程实际。但由于损伤变量的定义方法各异，目前，还没有有种定义损伤变量的方法被公众所认可，这就出现了损伤演化方程不统一的现象。同时唯象学宏观方法通常是首先对宏观特性模拟，在此基础之上来确定力学参数，所以得到的方程往往具有一定不确定性和半经验性。不能从物质材料深层的角度去分析其力学特性，因此就很难深入。 2 金属学细观法金属学细观法【6 】从细观角度，研究材料物质内微裂痕、细小空洞等损伤及其演化机制，其研究也为宏观唯象学力学模型的建立提供指导。随着近代科学技术的发展，人们可以从原子或分子的微观尺度去分析物质内部损伤特性。但是目前如何将微观的损伤变异与宏观破坏特性联系起来仍是一个难以解释的问题，因此仅使用细微观方法难以全面的阐述损伤演化过程。 3 统计法学方法因材料物质普遍存在不均匀性，在外荷载作用下，其内部基元损伤同样存在一定的不确定性。然而，这种看似杂乱不确定性现象背后也存在着一定的规律性。利用统计学方法可以得到具有随机性特征的损伤变量，可以用来描述材料内部基元总体损伤态势，因此损伤体的统计学分析法被认为是一种比较有效的损伤力学分析方法l7 | 。 4 宏细观综合法材料损伤及其演化均是在细观层面上发生的，并最终以宏观表象来体现。因此为了更加全面的研究材料损伤过程及损伤后期特点，就必须将宏观和细观想结合。可以通过开展兼顾宏、细观的实验研究工作，在实验基础上进一步将细观损伤与宏观力学响应联系起来，最终建立宏、细观结合的损伤理论【8 J 。1 ．2 ．3 节理裂隙岩体损伤变量损伤变量是用于描述物质在外部作用下损伤的程度的量，因物质纷繁复杂，损伤形式多样，因此描述物质损伤的损伤变量也有着不同的表达形式。然而尽管 硕士学位论文第一章绪论 损伤变量形式多样，但它们都有一个共同的特性都是体现了事物变化的不可逆 过程。 对于节理裂隙岩体而言，其内部含有众多不同大小规模的节理裂隙，即损伤 初始损伤。这些节理裂隙在外力作用下，通常会发生闭合、张开、滑动及扩展等 现象。这些现象的产生也伴随着能量的传递，属于不可逆过程。为了将这些岩体 外在的形态表现与其力学特性联系起来，就必须建立能够反映这种不可逆过程的 损伤变量，从而定量的描述节理裂隙对岩体产生的宏观力学作用。 至于如何定义节理裂隙岩体损伤变量，目前主要存在三种说法1 按照损伤 面积定义，2 按照变形模量定义，3 按照岩体损伤强度定义。 1 节理裂隙岩体面积损伤变量 如果用岩体损伤面积来衡量其损伤程度的话，即可运用损伤面积来定义损伤 变量。比较有代表性的是M u r a k a m i 和0 h n o 通过利用微观视角而定义的损伤变 量【9 】 肚南荟工v k v k d s g k I - 1 式中v ‘为岩体介质中所有微小颗粒总面积；S 为垂直于颗粒变量的法向矢量 值；西为第k 个节理所占颗粒边界的面积。 损伤面积定义节理裂隙岩体损伤比较直观简单，但是它无法考虑节理裂隙之 间的相互作用和节理裂隙在外力作用下尖角应力的奇异现象。尤其是当节理裂隙 密度较大时，有可能会出现损伤变量大于1 的不合理现象。 2 节理裂隙岩体弹性模量损伤变量 按照变形模量定义的损伤变量通常是假设岩体宏观特性的变化可以用岩体 弹性模量的变化来体现。比较有代表的是L e m a i t r e [ 1 0 1 和C h a b o c h e 【1 1 】从损伤物质 应力．应变特性引入损伤变量，他们认为有效损伤变量可以理解为未损伤部分获 得与损伤部分在盯作用下一样的变变量，图1 ．2 为有效应力概念。 未损伤部分和损伤部分本构方程可以表示为 仃 D 乞，盯 仃乞 则根据有效应力定义，有效应力张量为 ● ● 盯 D C e D D 一1 盯 按照K a c h a n o v 和R a b o t n o v 理论，可以引入四阶张量M 1 - 2 1 3 硕士学位论文 第一章绪论 M D D 一1 图1 ．2 有效应力概念示意 因此可以得到有效损伤张量 ； ，一Q 一盯 固 匝团 1 - 4 1 - 5 式中Q 为对称的四阶损伤张量，可以通过非损伤状态和当前损伤状态的弹性模 量来表示。 第二类损伤变量的定义可以弥补第一种损伤变量的不足，同时可以考虑节理 裂隙随外界应力状态的动态变化过程。其不足之处在于四阶有效应力张量难以确 定，给实际运用带来了比较大的困难。 3 节理裂隙岩体强度损伤变量 岩体强度损伤‘1 2 1 指的是岩体在外界作用下 包括物理作用和化学作用等 ，其 力学强度损失量与