真三轴缷载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究.pdf

中图分类号至堕垒2 UDC6 2 4 博士学位论文 学校代码 Q 兰兰 密级公珏 真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆 机理研究 S T U D Y0 NT H EF A I L U R EC H A RA C T E R I S T I C S0 F D E E PR O C KA N DT H EM E C H A N I S M0 F S T R A n 临U R S TU N D E RT R U ET R I A X I A L U N L O A D I N GC O N D I T l 0 N 杜坤 岩土工程 深井采矿与岩石力学 资源与安全工程学院 李夕兵教授 论文答辩日期型』圭笪7 ，萝答辩委员会主席 中南大学 2 013 年6 月 名业向院师 姓专方 教 者科究 导 作学研学指 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。 作者签名业日期型年』月量日 学位论文使用授权书 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，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； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。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。 储虢红翩签舷嗍型年』月上日 博士学位论文 摘要 真三轴卸载下深部岩体破裂特性及诱发型岩爆机理研究 摘要矿山深井开采面临着众多难题，如何改善深部岩体所处的复杂 力学环境高地应力、高地温、高岩溶水压力及爆破、机械开挖等 引起的动力扰动 “三高一扰动” 就是其中之一。高应力意味着高 岩体储能。在工程开挖卸荷过程中，高应力岩体内的高储能被诱发释 放，从而导致围岩破裂并诱发岩爆等大规模工程灾害。本文从高地应 力受力环境出发，利用自行研制的岩石真三轴电液伺服诱变 扰动 试验系统，深入研究真三轴卸荷状态下高应力岩石的力学特性及动载 荷诱发岩爆的可能性，揭示深部岩爆灾害的扰动诱发机理。主要研究 内容及研究成果如下 1 深部工程岩体主要受到卸荷损伤和应力调整集中的作用，利 用自行设计的岩石真三轴电液伺服诱变 扰动 试验系统对不同应力 状态下花岗岩、红砂岩及水泥砂浆的立方试件进行了真三轴卸载压缩 破坏试验。研究结果表明卸载后二维受力下岩石的抗压强度随中间主 应力的增大而增大，但增大的幅度逐渐降低。当单轴压缩或中间主应 力较小时，岩石破坏模式为剪切破坏；随着中间主应力的增大，岩石 的破坏模式逐渐由剪切破坏转变为板裂破坏。 从本文的研究结果得出岩石发生板裂破坏不仅与岩性有关，还与 其应力状态有关。 2 基于莫尔．库伦强度准则分析了岩石破坏模式的转变。通过莫 尔．库伦定律计算的不同应力水平下岩石的计算强度与花岗岩和红砂 岩试件的测试强度的比较发现，测试强度值明显低于计算强度值，说 明岩石破坏时强度不再符合莫尔．库伦强度准则，破坏模式由剪切破 坏转变为板裂破坏。 3 利用声发射测试系统与红外热像仪对岩石板裂破坏时的声 发射数及温度变化进行了监测。通过声发射计数分析得出剪切裂纹的 产生伴随着整个加载过程，而板裂裂纹不同于剪切裂纹，是在岩石受 力达到一定程度时才产生。 单轴压缩条件下，岩石发生剪切破坏，压缩椎体表面温度变化显 著；当中间主应力较小时，岩石下半部分先发生破坏，然后再发生整 体破坏，岩石破坏形式为剪切破坏；当中间主应力较大时，整个试样 T T 博士学位论文摘要 表面温度均有明显的升高，说明岩石的破坏形式为板裂破坏。 4 根据地下工程开挖下岩体受力路径及板裂破坏发生条件，开 展了扰动诱发岩爆试验。对真三轴卸载下试件施加扰动载荷，研究证 明无论扰动载荷是垂直最大主应力方向还是沿着最大主应力方向施 加，只要载荷幅值达到一定程度均可诱发岩爆破坏。根据扰动诱发岩 爆试验，提出了扰动诱发岩爆结构演化模型。 5 运用离散元P F C 3 D 程序对扰动诱发岩爆进行了数值模拟，从 微观角度分析得到了与试验结果相一致的结论。当扰动载荷的幅值为 3 0 0 、4 0 0 、5 0 0k N 时，试件内部有微裂纹扩展，但趋于稳定，岩石 未发生破坏；但扰动载荷幅值为6 0 0k N 时，微裂纹扩展迅速，岩石 发生岩爆破坏。 关键词深部岩体；真三轴；卸载；板裂破坏；动静组合；岩爆 I I I S T U D YO NT H EF A I L U R EC H A R A C T E R I S ⅡC SO FD E E P R O C KA N DT H EM E | C 】m 心吣M0 FS T R A D i B I 瓜S TU N D E R TR UE T R IA XIALU NL0 A D IN G C 0 ND IT10N A B S T R A C T T h e r ea r em a n yd i f f i c u l t i e sf o rd e e pm i n i n g ．F o re x a m p l e ， h o wt oi m p r o v et h ec o m p l i c a t e ds t r e s se n v i r o n m e n to fd e e pr o c km a s s w h i c hc o n t a i n s h i g hi n - s i t us t r e s s ，h i g hg r o u n d t e m p e r a t u r e ，h i g h h y d r a u l i cp r e s s u r ea n dd y n a m i cd i s t u r b a n c e s e db yb l a s t i n g d i s t u r b a n c ec a u s e db yb l a s t i n g , a n d m e c h a n i c a le x c a v a t i o n ．H i g hi n s i t us t r e s sm e a n sh i ．g hs t r a i n e n e r g y s t o r e di nd e e pr o c k ．T h eh i g hs t r a i ne n e r g ys t o r e di nd e e pr o c km a s sc a n b ei n d u c e dt or e l e a s e b y e x c a v a t i o n u n l o a d i n ge n g i n e e r i n g ．T h e p h e n o m e n ao fr o c kb u r s ta n dz o n a ld i s i n t e g r a t i o ni n d u c e db ye x c a v a t i o n u n l o a d i n gi nh i g hd e p t hb u r i e dr o c km a s sp r o v et h a tt h er e l e a s eo fe l a s t i c s t r a i ne n e r g yC a nc a u s er o c kf a i l u r ea n di n d u c es e v e r ed i s a s t e r s ． I nv i e wo ft h ea f o r e m e n t i o n e dp r o b l e m s ，t h em a i np u r p o s eo ft h i s s t u d y i s u s i n gs e l f - d e s i g n e d t r u et r i a x i a l e l e c t r o ．．h y d r a u l i c s e r v o ．． c o n t r o l l e dt e s t s y s t e m t o s t u d yt h ef a i l u r e c h a r a c t e r i s t i c so fh i g h l y s t r e s s e dr o c km a s sa n dt h em e c h a n i s mo fs t r a i nr o c kb u r s tu n d e rt r u e t r i a x i a lu n l o a d i n gc o n d i t i o n ．T h em a i nc o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea s f o l l o w s 1 T h et r u et r i a x i a le l e c t r o h y d r a u l i cs e r v o - c o n t r o l l e dt e s ts y s t e m c a n a p p l yl o a dt oh i g hs t r e s sl e v e li n d e p e n d e n t l yi nt h r e ed i r e c t i o n s 61 a 2 0 3 ≠0 ，w h e r e0 1 i st h em a x i m u mp r i n c i p a l s t r e s s ；0 2 i st h e i n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s ；0 3i st h em i n i m u mp r i n c i p a ls t r e s s ．I tC a n a l s oi m p o s ed y n a m i cl o a d ． T h es t u d i e so nt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fg r a n i t e ，r e d s a n d s t o n ea n dc e m e n tm o r t a rc u b i cs a m p l e su n d e rt r u et r i a x i a lu n l o a d i n g c o n d i t i o nw e r ec a r r i e do u t ．Ⅵm e ni n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s si sl o w , t h e f a i l u r em o d ew a ss h e a rf a i l u r e ．W h i l ei n t e r m e d i a t e p r i n c i p a l s t r e s s i n c r e a s e d ，t h ef a i l u r em o d ec h a n g e di n t os l a b b i n g ．T h eo c c u r r e n c eo f s l a b b i n gr e l a t e dw i t hl i t h o l o g ya n ds t r e s ss t a t eo fr o c k ． T V 博士学位论文 A B S T R A C T 2 帆e ni n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s si sl o w , t h ep e a ks t r e n g t ho f r o c ks a m p l e si Ss m a l l e rt h a nt h ec a l c u l a t e ds t r e n g t hb a s e do nM o h r ． C o u l o m bc r i t e r i o n ．T h i si St h ef u r t h e re v i d e n c ef o rs l a b b i n gf a i l u r e ． 3 T h ec h a r a c t e r i s t i c so fs l a b b i n gf a i l u r ew e r em o n i t o r e db yA Et e s t s y s t e ma n di n f r a r e dc a m e r a s ．W i t ht h ei n c r e a s eo f0 2 ，t h es h e a rc r a c k i n i t i a l e da n dp r o p a g a t e dd u r i n gt h ew h o l ec o m p r e s s i v e p r o g r e s s ．B u tA E c o u n tr a t eo fr o c ks p e c i m e nw i t hs l a b b i n gf a i l u r eh a da c a t a s t r o p h ep o i n t 1●●●‘ a n as l a b b i n gc r a c kb e g a nt o r m i n g ． U n d e rc o m p r e s s i v et e s tt h et e m p e r a t u r eo fc o m p r e s s e dv e r t e b r a l s u r f a c es i g n i f i c a n t l yc h a n g e da n dt h er o c kf a i l u r em o d ei Ss h e a rf a i l u r e ． 帆e n6 2i sl o w , t h el o w e rp a r to fs p e c i m e nf i r s t l yd a m a g e da n do v e r a l l d e s t r u c t i o no c c u r r e ds u b s e q u e n t l y , t h ef a i l u r em o d ei Ss h e a rf a i l u r e ．Ⅵm e n 0 2r e a c h e dah i g h e rl e v e l ，t h ef a i l u r es u r f a c ei Sp l a n a ra n df a i l u r em o d e t u r n e di n t os l a b b i n g ． 4 A c c o r d i n gt ot h es t r e s sp a t ha f t e re n g i n e e r i n ge x c a v a t i o na n dt h e o c c u r r e n c ec o n d i t i o no fs l a b b i n gf a i l u r e ，t h e e x p e r i m e n t a ls t u d i e so n s t r a i nr o c kb u r s ti n d u c e db yd y n a m i cI o a dw e r ec a r r i e do u t ．R e g a r d l e s so f d y n a m i cl o a dp a r a l l e lo rp e r p e n d i c u l a rt ot h ed i r e c t i o no ft h em a x i m u m p r i n c i p a ls t r e s s ，r o c kb u r s tc o u l db ei n d u c e da sl o n ga st h e1 0 a da m p l i t u d e r e a c h e sac e r t a i nl e v e l ． 5 R o c kb u r s ti n d u c e db yp e r t u r b a t i o nw a ss i m u l a t e db yP F C 3 D p a r t i c l e f l o w c o d e ，t h ec o n c l u s i o n sw e r ec o n s i s t e n tw i t ht h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ．Ⅵm e nt h ed i s t u r b a n c el o a da m p l i t u d er e s e a r c h e dt o 3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 l 烈，p r o p a g a t i o no fm i c r o ．c r a c ke x p a n d e ds t a b l yb u tt h e r o c ks a m p l e sd i dn o td a m a g e d ；w h i l ed i s t u r b a n c el o a da m p l i t u d ee q u a l t o6 0 0 l 洲，m i c r o r a c k sr a p i de x p a n d e d r a p i da n dr o c ks a m p l e sf a i l e d ． K E YW O R D S D e e pr o c km a s s ；t r u e t r i a x i a l ；u n l o a d i n g ；s l a b b i n g ； c o u p l e ds t a t i c - d y n a m i c1 0 a d s ；r o c kb u r s t V 博士学位论文目录 目录 原创性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．V I 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．1 真三轴岩石试验机的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 。2 ，2 深部岩体力学特性研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 1 ．2 ．3 动静组合加载研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 1 ．2 ．4 深埋工程诱发型灾害研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 1 ．3 本文研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 4 第二章岩石真三轴电液伺服诱变 扰动 试验系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 6 2 ．1 ．1 真三轴动静组合加载设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 2 ．1 ．2 试验观测设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 2 ．2 真三轴诱变测试系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 9 2 ．2 ．1系统概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 2 ．2 ．2 载荷施加⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 2 3其他设备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 第三章真三轴卸载下高应力岩石破坏力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 3 3 ．2 试验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 3 ．2 ．1 标准试件力学性质测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 3 ．2 ．2 立方体试件制备⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 3 ．2 ．3 真三轴卸载下岩石压缩破坏试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 3 ．3 试验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 l 3 ．3 ．1 立方试件单轴压缩⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 3 ．3 ．2 真三轴卸载下立方试件抗压强度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 3 ．3 ．3 真三轴卸载下岩石破坏模式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 V T 博士学位论文 目录 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 3 第四章岩石板裂裂纹时空分布特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 5 4 ．2 板裂强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 6 4 ．3 声发射特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 1 4 ．4 红外热像测试⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 8 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2 第五章诱发型岩爆试验及理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 4 5 ．2 试验设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 6 5 ．2 ．1 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 6 5 ．2 ．2 试验流程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 8 5 ．3 试验结果及结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 5 ．3 ．1岩性及扰动载荷幅值对诱发型岩爆影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 5 ．3 ．2 扰动方向对诱发型岩爆影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 5 5 ．3 ．3 诱发型岩爆声发射特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 9 第六章诱发型岩爆微观特性的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 6 ．1 P F C 3 D 模拟简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 6 ．2P F C 3 D 模拟过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 5 6 ．3 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 7 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 3 第七章全文结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯117 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 0 攻读学位期间主要的研究成果及获奖情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 1 V I I 博士学位论文第一章绪论 1 ．1引言 第一章绪论 国际岩石力学学会成立至今已有5 1 年，在此期间岩石力学作为矿业工程、 土木工程及建筑工程等学科的理论基础得到了长足的发展并取得了丰硕的成果， 相关成果已被广泛应用于矿山开采、油气开发、工程爆破、隧道开挖及军事防护 工程实施等方面HJ 。 人类地下空间活动工程采矿工程、深部储存核废料工程、水电工程、高 埋深防护工程及地质钻探工程等正在不断的往深部延伸1 2 6 J 。以地下金属矿山为 例据文献[ 6 ] 统计，国外已经有8 0 余座地下金属矿山开采深度超过千米【6 J 。 目前世界上开采深度最深的矿山是南非T a u T o n a 金矿，此矿山在2 0 0 9 年开采深 度已达到39 1 0m 【7 1 。此外南非还有很多深井开采的矿山南非最深的铂钯矿开 采深度已达22 0 0m 【8 】；T a u T o n a 金矿的开采深度已经达到39 0 0m ；E a s tR a n d 金矿开采深度已延深至35 8 5m 【9 Jo J ；与T a u T o n a 金矿在同一地区的M p o n e n g 金矿在未来将拓展到45 0 0m 【8 】。加拿大的A g n i c o ．E a g l e ’sL a R o n d e 金矿是北美 最深的硬岩矿山，其3 号矿井延伸至30 0 0m 后己成为了西半球最深的矿井【i 。 澳大利亚的硬岩矿山开采深度最深达18 0 0m 【l2 I 。瑞典K r i s t i n e b e r g 矿开采深度 已达11 0 0m [ 1 l 】。印度K o l a r 金矿开采至地下32 0 0m f l 3 J 。于此同时，中国也有 大量地下矿山加入到深部开采的行列。例如吉林的夹皮沟金矿一级盲竖井已从 2 4 0m 延深至6 9 0m ，二级盲竖井已从6 9 0m 延深至13 2 0m ，二级盲竖井未来 还要开拓至16 3 5m ；辽宁省的红透山铜矿开拓系统已经延深至13 5 7m ，采矿 深度达11 9 7m 【1 2 ] ；安徽的冬瓜山铜矿主井井深、副井井深和辅助井深分别达到 11 2 0m 、10 2 3m 和11 0 1 ．5m 【1 4 1 。此外壹鑫金矿、玲珑金矿、凡口铅锌矿、程 潮铁矿山、弓长岭铁矿、湘西金矿、会泽铅锌矿、寿王坟铜矿、金川镍矿和乳山 金矿等矿山都将进入深井开采阶段【l 3 ，1 4 j 。 B r o w n 和B r a d v 结合垂直和水平地应力情况，得出各国随深度增加地应力 的变化规律[ 1 5 】，如图1 ．1 所示。从图中可以看出随着埋深的不断增加，地应力 水平不断增大垂直地应力随着埋深的增大而成近似线性增加，埋深每增加1 k m ，垂直地应力大概增加2 7M P a ；而水平地应力的变化范围较大且不具有明显 的规律性，其变化规律难以用准确数学公式表达，主要是因为受到地质构造的影 博士学位论文 第一章绪论 响。 1 】垂直地应力帕】水平地应力 图1 ．1 各国地应力测量8 5 9 - ．1 1 q 高应力岩体发生的分区破裂、岩体脆- 延转化、深部岩体大变形、岩爆等现 象利用传统的岩石力学理论难以解释，深部岩体的这些新的特性给地下深部工程 建设造成了巨大的损失【I ”。面对深部岩石力学特性不明了且高埋深条件下多种 灾害机理不明确的现状，西德、美国、南非、波兰、加拿大、澳大利亚等一些国 家紧密结合深部采矿相关问题开展了深入的研究口创】。如1 9 8 3 年，原苏联学者 就率先进行了深井开采 - 16 0 0 n l 矿井 相关的专题研究；随后西德、美国、加拿 大、澳太利亚等国家也开展了关于深井安全采矿、微震信号监测与识别等方面的 研究工作；1 9 9 8 年，南非政府启动了“D e e p M m ”计划，花费上亿美元来科研 攻关以期解决．30 0 0 ～50 0 0l i t 的深井安全开采问题。 近年来在大量深井开采的矿山、复杂地质条件下的深长隧道等重大工程项目 的推动下，我国一些科研院所如中南大学、重庆大学、中国矿业大学、长沙矿山 研究院、中科院武汉岩土所等开展了大量关于深部工程围岩支护、灾害防治等方 面的研究和实践，取得了丰硕的研究成果【2 6 , 2 5 。2 8 】。我国政府也启动了大批项目开 展深部灾害与机理方面的研究2 0 0 2 年和2 0 0 4 年，我国分别启动了国家9 7 3 项目“灾害环境下重大工程安全性的基础研究” 2 0 0 2 C B 4 1 2 7 0 0 及国家自然科学 基金重大项目“深部岩体力学基础研究与应用” 5 0 4 9 0 2 7 0 8 q ；2 0 0 9 年叉启动了 两项国家9 7 3 项目，分别是“煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究” 2 0 1 0 C B 2 2 6 8 0 0 - G 及“深部重大工程灾害的孕育演化机制与动态调控理论” 2 0 1 0 C B 7 3 2 0 0 0 - G 。在这些重大科研项目的资助下获得了一大批研究成果，极大 地推动了深部岩石力学与工程的发展口w 。 如图1 - 2 a 所示的深部采矿过程中，A 、B 两点岩石分别受到较高的地应力 霞 r Ⅲ㈣㈣ 博士学位论文第一章绪论 静载荷P 。及工程扰动、地震等动载荷P d 作用。A 、B 两点岩石的受力可分别简 化为如图1 ．2 b 、1 - 2 c 所示的受力模型，中南大学李夕兵教授称之为岩石组台 加载作用问题。这两种受力模式下岩石的力学特性与单一静载荷或动态载荷作用 下岩石的力学特性是不同的吐 ～一一t 一。，． 1 {1 辛 声弋声弋 ■一l 。 图一图乍 j ■i i 忑il {l 鲁 a O 0 P 厂昔我荷P 厂一缸收荷 圈1 ．2 深部岩体受力示意囤㈣ 综上所述，深部采矿工程的稳定性主要受以下两个方面影响 f 1 1 开挖卸载地下工程开挖使岩石从三维受力状态变为二维或一维受力状 态，对岩石的力学性质影响巨大。工程开挖产生的卸载损伤效应致使岩石内部裂 纹扩展及岩石强度弱化、变形增大叫开挖卸载为岩石的破坏提供自由面，比三 维受力状态下更容易发生破坏；开挖卸荷还会导致地应力重新调整，造成工程岩 体局部应力集中．导致其失稳破坏； 图1 - 3 多中段回采矿 示意图 博士学位论文 第一章绪论 2 深部岩石复杂的受力环境“三高一扰动”。以金属矿山开采为例， 除了爆破、机械运行等产生的扰动，地下矿山作业本身也是动态变化的，特别是 金属矿山的多中段、多采场开采，如图1 ．3 所示，任何一个采场的落矿及其工程 开挖扰动都会导致整个采矿系统的应力重分布，这一动态过程也会引起岩体贮存 能量的变化并有可能引发灾害，如岩石片帮、冒落，甚至岩爆等。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 三轴岩石试验机的发展现状 岩石的力学性质如抗压强度 包括单轴抗压强度、围压条件下抗压强度 抗 拉强度、抗剪强度、破裂角及脆／延性等与岩石的应力状态、温度及加载速率等 因素有关，但应力状态对岩石力学性质的影响比重最大。 地下工程开挖前岩石处于三维应力状态下，假设受到的三个主应力分别为 o l 、G 2 和∞，其中0 1 是最大主应力 t h em a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s s ；0 2 是中间主 应力 t h ei n t e r m e d i a t ep r i n c i p a ls t r e s s ； 3 3 是最小主应力 t h em i n i m u mp r i n c i p a l s t r e s s 。原岩三维应力状态存在着各向异性 o l 3 2 芝 3 3 ≠0 i 工程岩体的受力 状态为由三维变为二维 o l 3 2 ≠0 ，G 3 0 或一维 0 1 0 ， 3 2 3 3 0 。为 了研究三维或三维卸载应力状态下岩石的力学性质，三轴加 卸 载试验设备应 运而生，实现三轴加载的方式主要有固体活塞加载和液压加载，如图1 ．4 所示。 审每 _ _ - S o l i dp i s t o n b l } F l u | dp r e s s u r e c d 图1 - 4 三维加载的方式 a 常规三轴加载方式 0 2 毋≠0 ； b ．d 真三轴加载方式 a 2 吼≠0 自1 9 0 1 年A d a m s 和N i c o l s o n 自行研制了岩石的三轴加载设备以来圈，陆 续有很多学者和科研单位开发设计了相关的三轴加载设备研究岩石多维受力条 件下的变形和应力特性。随着制造业的发展，力学试验机得到长足的发展。目前 先进的三轴岩石试验机都具有以下两个特点高刚性试验机框架和电液伺服控制 系统【3 3 , 3 4 ] 。高刚度框架结合电液伺服控制系统可实现精确测量岩石类材料的应 4 博士学位论文 第一章绪论 变、应力等力学参数及得到材料的全应力．应变曲线【3 4 1 。国内外主要的三轴岩石 试验机具体发展过程如表1 ．1 所示。 表1 ．1 主要的三轴设备[ 3 2 , 3 4 ] 时间研发者 应力设计备注 A d a m s N i c o l s o n K 缸r n k n B 6 k c r G r i g g s H a n d i ne ta 1 ． H o j e m C o o k M o g i M o g i G o i d e H o s i n o K i n oS i d a 顾金才 清华大学 赵锡宏 许东俊 吉林大学 河海大学 C h a n g ，C H a i m s o n ，B 何满潮 白世伟 何满潮 朱维申 刘长武 上海交大 中南大学 o l ≥G 2 0 3 自行研帛0 0 1 ≥0 2 a 3 0 1 2 0 2 ≥0 3 6 1 0 2 2 嘞 0 1 ≥o 空0 3 0 1 芝。盆唧 0 1 ≥砼0 3 0 1 ≥畦0 3 0 1 ≥o 立0 3 0 1 芝。空0 3 a 1 兰。立6 3 0 1 o 宜0 3 0 1 之。立0 3 o l 兰砼啦 a i 2 6 宜码 o l ≥a 立G 3 o l a z 一 0 3 0 1 兰a 2 ≥0 3 G 1 ≥o 空G 3 o 】≥畦奶 6 1 _ o z 一 6 3 0 1 兰。定0 3 o l ≥a 立0 3 自行研锘0 自行研制 自行研制 自行研制 自行研锘0 自行研制 自行研制 自行研制 自行研制 自行研制，型号P Y D ．5 0 自行研制 自行研制 自行研制，型号R T 3 型 自行研制 自行研制 自行研制 自行研制，型号D U R A T M 大型岩土工程模型试验机 自行研制，型号M S ．5 0 0 S 可施加扰动载荷 三维地质力学模型试验 三维采矿物理模拟试验装置 自行研制 0 1 ≥o 定口3 自行研制，并可扰动载荷 除了自行研制三轴试验设备外，国内大批科研院所，如四川大学、重庆大学、 长江科学院、西安科技大学、山东科技大学、成都理工大学、中国矿业大学、长 沙矿山研究院、水利部黄河水利委员会水科所、中国科学院武汉岩土力学研究所 等还引进了国外厂家生产的先进三轴设备。目前国际上最著名的两家生产电液伺 服三轴岩石试验机的公司是M T S 公司和I N S T R O N 公司。2 0 1 2 年，中南大学现 代分析测试中心引进了M T S 公司的M T S8 1 5 型三轴岩石试验机，如图1 ．