多场耦合作用下深部硬岩矿山采空区损伤演化机理及稳定性研究

To counter of lacking in basic theory research and research means of goaf stability in deep hard-rock mine, this topic takes the goaf formed during mining process using subsequent filling method in deep hard-rock mine for study object, to reveal the deep goaf damage evolving mechanism and stability characteristics under application of multi-field coupling(stress-field, seepage-field and temperature-field). Adopting the technique line of that study on deep hard-rock mechanical strength properties and joint structure research, numerical simulation based on micro-macro multi-field couple and physical simulation reconstructing instability process, this project implement basic theory research centering on three key scientific problems of that strength criterion on hard-rock of deep subsequent filling goaf, damage space-time process, micro-macro mechanic parameter and their quantitative relationship and stability mechanism of deep goaf. Using various technical means such as loading-unloading using true triaxial system, digital panoramic drill imaging system, discrete fracture grid and hybrid numerical simulation and so on, to study on the micro-macro stability mechanism of deep goaf, and put forward the FDM/DEM-DFN micro-macro multi-field coupling simulation technology to study the micro mechanical response and stability of deep hard-rock goaf under different load combinations. Using the result of similar material simulation as complement and verification and the research results is applied to practical engineering. These will provide theoretical guidance of goaf stability control for mine enterprise.

针对目前深部硬岩矿山采空区稳定性分析基础理论不足、研究手段单一，本课题以深部硬岩矿山嗣后充填法开采过程中形成的采空区为研究对象，以揭示深部多场耦合（应力场、渗流场和温度场）作用下采空区损伤演化机理和稳定性特征为目标，以深部硬岩力学强度特性及节理结构研究、基于细宏观多场耦合的数值模拟和物理模拟采空区稳定性为技术路线，围绕深部嗣后充填采空区硬岩破坏强度准则、深部硬岩细宏观力学参数确定及两者定量关系、深部采空区损伤时空过程及稳定机制三个关键科学问题开展基础理论研究。采用真三轴加卸载力学试验、数字式全景钻孔摄像、离散裂隙网格及混合数值模拟等技术手段，实现深部硬岩采空区稳定性的细宏观研究，提出FDM/DEM-DFN细宏观多场耦合模拟技术，研究深部硬岩采空区在不同加载组合下的细观力学响应及稳定性。采用相似材料物理模拟实验进行补充验证,并将研究成果应用于实际工程，为矿山企业采空区稳定性控制提供理论指导。

本研究课题以程潮铁矿、大尹格庄金矿、夏甸金矿及石人沟铁矿等矿山为工程背景，针对多场耦合作用下深部硬岩金属矿山采空区损伤演化机理及稳定性特征，进行了较系统的研究。综合采用室内力学实验、理论分析、数值模拟及现场测量等技术手段，围绕深部采空区硬岩破坏基本强度准则及细宏观参数研究、深部采空区硬岩多场耦合作用力学分析及计算模型研究进行了深入研究，最终进行了工程验证，取得以下成果：.(1)现场选取典型的硬岩，进行了复杂卸荷条件下力学实验，基于最小耗能原理建立了岩石的损伤演化模型及强度准则，针对预制裂隙岩体进行了相关的实验研究，研究了裂隙对岩石性质的影响，基于PFC软件对宏细观力学参数的相关性进行了研究；.(2)在采空区赋存环境分析的基础上，初步建立了温度场-渗流场，温度场-应力场耦合数学模型；采用ShapeMetrix 3D非接触扫描系统进行了现场节理裂隙的扫描工作，并基于蒙特卡洛法建立了节理裂隙的几何模型，在此基础上结合PFC软件，建立了PFC-DFN耦合模型；.(3)利用FLAC和PFC软件，通过构建数据通信系统，初步建立了FLAC/PFC二维耦合模型；以程潮铁矿为工程背景，建立了深部采空区卸荷失稳分析模型，引入局部能量释放率指标对采空区卸荷过程中能量演化规律进行了分析，并基于尖点突变理论建立了围岩能量失稳准则，揭示了采空区围岩卸荷失稳机制；基于UDEC对渗流-应力场耦合下采空区稳定性进行了研究，根据数值模拟的结果对采空区的安全性做出了判断，并对空场嗣后充填法对采空区稳定性影响的优劣进行了论证；采空区稳定性的相似材料试验研究。以石人沟铁矿为工程背景，对采空区形成过程中的稳定性进行了相似材料实验模拟，对采空区顶板及矿柱的应力应变进行了分析；.(4)在采空区精细探测数据的基础上，基于分形理论，对采空区多种分形特性进行了研究，建立了采空区复杂程度的定量表征指标体系。对狭长型和立方形采空区形成全过程围岩扰动规律进行了分析，采用弹性厚板理论及固支梁理论建立了两者的采空区顶板力学模型。