浸水岩石损伤演化过程试验研究及在大水矿山中的应用

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随着经济的快速发展,国家对矿产资源的需求量日益增大,而易于开采的矿产资源已开采殆尽,为实现采矿业的可持续发展,对水文地质条件复杂的大水矿山的开采已陆续展开。大水矿山的岩体总赋存于一定的地下水环境中,并常处于饱水状态,水的存在对岩体的力学性质及其稳定性起到了弱化作用。同时,岩土工程在施工及运营期间,经常会遇到地下水和载荷的共同作用,岩体在地下水和载荷作用下的力学性能是影响岩土工程长期稳定的重要因素之一。因此,开展浸水岩石在不同应力路径下、不同受力阶段的损伤破坏情况,寻找岩石从稳定到不稳定直至破坏的前兆信息,对于实际工程中围岩的稳定性监测及灾害预警具有重要的理论意义与应用价值。本文围绕浸水条件下岩石损伤特性这一主题,采用试验研究与理论分析相结合的方法,就浸水作用下岩石在不同应力路径下展开了系统的力学试验和声发射试验,分析了浸水作用对岩石力学特性及声发射特征的影响规律,探讨了其作用机理;建立了基于声发射特征参数和耗散应变能表征的岩石损伤动态演化方程。本文的主要研究内容如下:1.开展了干燥状态、天然状态及不同浸水时间条件下闪长岩、灰岩的纵波波速测试试验、单轴压缩力学试验、剪切试验和抗拉强度试验,分析了含水状态及浸水时间对岩石物理力学性质的影响。2.开展了干燥状态、天然状态及不同浸水时间的饱水闪长岩、饱水灰岩的单轴压缩声发射试验,分析了含水状态及浸水时间对岩石声发射特征的影响,在此基础上,利用累积声发射数与损伤变量一致的观点,建立了基于时间效应的饱水岩石声发射的损伤演化方程。3.开展了干燥与饱水岩石单轴压缩及单轴循环加卸载条件下的力学试验及声发射试验,从能量和声发射的角度研究干燥、饱水状态下岩石损伤破坏过程中能量累积与耗散特征、能量与损伤之间的内在机制,建立了基于声发射能量累积数和耗散应变能为表征参数的干燥、饱水岩样的损伤变量,根据耗散应变能与声发射表征的损伤变量之间的互补性,综合分析二者在单轴压缩及单轴循环加卸载过程中的变化规律。4.基于加卸载响应比理论和能量加速释放理论,深入探讨了循环加卸载作用下干燥、饱水岩样失稳破坏的前兆规律,对干燥、饱水岩样Felicity比值随循环周期增加的变化规律进行了讨论,同时对干燥、饱水岩样卸载过程中的声发射特征进行了分析。5.应用声发射及其定位技术研究了单轴压缩条件下天然状态、干燥状态与饱水状态闪长岩、灰岩在损伤破坏过程中内部损伤的动态演化过程,并结合能量计数实现了对裂纹扩展过程的精确定位,通过对比分析得到不同含水状态岩石裂隙的扩展规律,并分析了饱水对岩石破坏模式和裂纹扩展规律的影响。6.基于广义Hoek-Brov /n强度准则,结合现场获取的岩体结构面几何参数信息,根据实验室获得的干燥、饱水及不同浸水时间的饱水岩石的物理力学参数,对岩体强度参数进行估算,获得不同含水状态及不同浸水时间的岩体静态强度参数值。7.以中关铁矿堵水帷幕及帷幕内围岩为研究对象,在矿区水文地质、工程地质资料分析的基础上,建立了堵水帷幕区域的三维力学计算模型,根据前述确定的不同含水状态及不同浸水时间的岩体物理力学参数,应用COMSOL Multiphysics多物理场分析软件,对堵水帷幕在地下水和开采扰动共同作用下的稳定性进行分析,根据分析结果,提出相应的疏干排水措施。
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