【摘 要】
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硬岩中的裂隙会对其强度和破坏机制产生重要影响,深部地下工程建设时,开挖活动引起应力集中会使裂隙发育的坚硬围岩变得更加碎裂从而发生挤压大变形等工程问题,给矿石回采和巷道支护工作带来诸多不便,因此充分研究含裂隙岩石在真三向应力状态下的力学性质和破坏机理具有重要的理论和工程意义。本文针对金川镍矿深部裂隙围岩和应力水平开展真三轴压缩条件下含天然裂隙大理岩的力学试验研究,分析天然裂隙对岩石强度、变形和破坏模
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硬岩中的裂隙会对其强度和破坏机制产生重要影响,深部地下工程建设时,开挖活动引起应力集中会使裂隙发育的坚硬围岩变得更加碎裂从而发生挤压大变形等工程问题,给矿石回采和巷道支护工作带来诸多不便,因此充分研究含裂隙岩石在真三向应力状态下的力学性质和破坏机理具有重要的理论和工程意义。本文针对金川镍矿深部裂隙围岩和应力水平开展真三轴压缩条件下含天然裂隙大理岩的力学试验研究,分析天然裂隙对岩石强度、变形和破坏模式的影响,并采用数值模拟手段进一步探究裂隙开裂、延伸和联通过程的演化机制,基于上述试验和机理认识,对裂隙化围岩巷道的稳定性进行分析,为深部矿体安全开采提供有力的理论依据。本文的主要内容有以下几个方面:(1)开展完整大理岩真三轴压缩试验,研究中间主应力对大理岩强度、变形和破坏模式的影响。研究发现,金川大理岩的强度随σ2的增加先增加再减小,且随着σ3增大,中间主应力对强度的影响程度减小。完整大理岩破坏模式主要为两种:剪切破坏和拉伸-剪切混合破坏,随σ2增加,最终破坏角非线性增大。(2)提出了一种定量评价岩石裂隙发育情况方法,定义两个参数:裂隙综合优势角(θp)和裂隙发育程度系数(K),用此方法定量分析金川大理岩试样的裂隙优势发育方向和发育程度,并基于此制定试验方案。(3)开展θp不同的含单一和多条天然裂隙大理岩的真三轴试验,研究综合优势角对岩石强度和破坏模式的影响。K相同时,岩石强度均随θp的增加先减小后增大,综合优势角约为65°时,大理岩峰值强度最小。在含天然裂隙的岩样中,破坏模式主要有三种:受压造成的剪切破坏、沿天然裂隙剪切或张拉破坏以及拉剪混合破坏。(4)开展K不同θp相同的含天然裂隙大理岩真三轴试验,研究K对岩石强度和破坏模式的影响。强度随K增加而减小,函数关系为:σ1=a ln(K)+b。K值的增加,裂隙对岩石的宏观破坏模式影响增大,试样中多条裂隙开裂、延伸、扩展和联合,多处出现天然裂隙与新生宏观裂纹相交。(5)采用CASRock软件进一步研究裂隙对岩石力学性质的影响,探究裂隙的起裂、扩展和连通的演化机制。模拟得到的岩石强度随θp和K的变化规律与试验结果一致。对于多条非平行裂隙岩样,达到其峰值强度时,通常是一条裂隙发生开裂,其他裂隙在峰后不断延伸扩展相互贯通,而多条平行裂隙岩样则在峰值时有多条裂隙开裂。(6)建立巷道模型,研究裂隙优势发育方向和发育程度对围岩的稳定性的影响。模拟结果发现,裂隙优势发育方向与最大主应力夹角对围岩位移有重要影响。两者夹角为30°,裂隙促进Z方向位移的发展,两者夹角为60°,裂隙促进了 X方向位移的发展,但对于存在两组裂隙的围岩,其两个方向位移均受到促进作用。巷道右侧围岩裂隙发育,右侧边墙的位移量较左侧大,破坏区域的范围明显大于左侧,这与现场实际观察到的现象一致。根据以上结论,分析高应力下金川裂隙岩体产生大变形的原因主要有三个:(a)天然裂隙使岩石的峰值强度和损伤应力均下降,应力集中区内,裂隙岩体快速发生塑性屈服;(b)裂隙的存在使岩体沿裂隙面快速发生剪切滑动并诱发宏细观裂隙产生,使围岩更加破碎,逐渐向巷道自由面移动;(c)岩石中的非贯通不连续裂隙之间存在“岩桥”,使岩石具有一定的抗剪切能力,岩石受力破坏能形成暂时的自稳,且多条裂隙开裂增加了能量消耗,减缓了岩石内部能量释放,使围岩不会瞬间崩落,而是在高地应力作用下产生持续变形。
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