深部高应力硬岩板裂化破坏特性及应变型岩爆发生机制
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摘要
板裂化破坏和板裂化岩爆是深部高应力硬岩巷道或硐室常见的破坏形式,尤其是板裂化破坏,其诱发因素和诱发机制复杂,至今尚不明确。鉴于此,针对地下非煤矿山巷道围岩周边或采场硐壁处所产生的一系列板裂化破坏现象,采用理论分析、室内试验、数值模拟以及现场监测相结合的方式,探讨深部高应力硬岩板裂化破坏特性及岩爆诱发机制,为非煤矿山实现安全高效开采提供理论依据与技术指导。研究工作主要集中如下:(1)采用有限元/离散元耦合数值模拟(FEM/DEM)研究单轴压缩下长方体硬岩破坏特性,分析不同试样高宽比硬岩裂纹扩展规律,阐述硬脆性岩石由剪切破坏到板裂化破坏的转化机制,进一步验证硬岩在压缩状态下为张拉型破坏的本质。对于高试样而言,其宏观剪切带是由一系列微小的拉伸裂纹所组成,而矮试样发生板裂化破坏是由于有限的裂纹扩展路径所致。端面摩擦效应对硬岩单轴抗压强度具有较大的影响,而以Mohr-Coulomb应变软化为基础的本构模型在预测岩石发生板裂破坏时所对应的峰值强度时仍存在一些不足。数值模拟获得的硬岩破坏模式与板裂化强度与先前室内试验和现场监测结果具有较好的一致性。(2)通过真三轴卸载试验,以汨罗花岗岩为研究对象,分析不同试样高宽比与中间主应力σ_2作用下长方体硬岩破坏特性。研究结果表明:在真三轴卸载下,长方体硬岩的破坏特性是试样高宽比和σ_2共同作用的结果。对于高试样而言,发生板裂化破坏需要较大的σ_2,而对于较矮试样,较小的σ_2便可以产生板裂化破坏。当σ_2为一定值时,不同的σ_2/σ_3比值对于花岗岩破坏模式,峰值卸载强度以及岩爆程度影响很小(σ_3为最小主应力)。试样的岩爆剧烈程度随试样高宽比的降低呈现单调递增趋势,而随σ_2的增大呈现先增高后降低的趋势。当σ_2较大时,试样内部出现较大程度的损伤,促进了能量的进一步耗散。(3)通过真三轴加载实验,以汨罗花岗岩为例,根据不同最小主应力值σ_3分别设计5组试验。通过设定不同中间主应力值σ_2,研究真三轴加载下硬岩破坏模式与强度特性。率先在真三轴加载条件验证了板裂化破坏的存在,并认为硬岩板裂化破坏的发生条件应当满足3个条件,即:(1)大于或等于某一特定的σ_2/σ_3值;(2)处于较低的σ_3水平;(3)具有较低的试样高宽比。以真三轴强度数据为基础,根据实际工程可预测性、实验值与预测值偏差、强度准则在偏平面应力轨迹、强度准则在子午面和τ_(oct)-σ_(oct)平面上应力轨迹4个方面因素,对7种经典强度准则进行系统的评估与分析,认为Mogi-Coulomb准则,修正Wiebols-Cook准则以及修正Lade准则能够很好地体现硬岩真三轴状态下峰值强度特性。(4)为了分析深部高应力硬岩板裂屈曲岩爆的力学机制与控制对策,对板裂化岩体建立了正交各向异性薄板力学模型,推导出双向受力条件下板裂屈曲岩爆临界荷载值,依据能量法求得了薄板压曲状态下的挠度值。提出采用充填法的控制对策以防治板裂屈曲岩爆的发生,并推导出充填体所需的围压值。研究表明:(1)轴向应力的增加不仅促进了板裂化破坏的形成,还加剧了板裂屈曲岩爆发生的可能性;(2)在一定范围内,板裂体在压曲作用下的水平挠度值随板厚的减小而增大,且当长高比为■时(E_1,E _2分别为纵向和轴向方向弹性模量),有最大挠度值;(3)在对采空区进行充填时,较小的充填体围压值便可以有效抑制板裂屈曲岩爆的发生。(5)采用FEM/DEM耦合数值模拟对含结构面深埋高应力硬岩巷道破坏特性进行了系统地研究,模拟中同时考虑了开挖卸荷效应与岩体的非均质性。研究结果表明:结构面倾角、位置(揭露与非揭露)、摩擦系数以及初始地应力(侧压力系数)对于巷道围岩的破坏具有重要的影响。开挖卸荷导致的板裂化破坏以及结构面诱导的剪切滑移破坏在一定情况下会相互作用、相互影响。一方面,渐进的板裂化破坏过程促进了切向集中应力作用下结构面的扩展;另一方面,结构面在剪切错动过程中会释放剧烈的能量,进而又会诱发板裂化围岩结构的整体失稳破坏,该种情况下极易诱发高强度岩爆。
引文