冲击载荷与渗透水压下裂隙岩体断裂机理研究

Most of the mines have entered into the deep mining in our country, the deep rock mass are under high geo-stress and high karst water pressure. Human mining activities such as blasting can easily cause crack extension or fault activation, and cause the karst water inrush accident. Tremendous economic loss and social harm were generated, because of water bursting form confined karst. Thereby, it is an important problem demanding prompt solution for the mining and underground engineering field. To reveal the water inrush mechanics behavior of underground rock mass subjected to dynamic disturbance such as blasting, the crack propagation mechanism of fractured rock under impact load and seepage water pressure will be analyzed through theoretical research, experimental study, acoustic emission monitoring and numerical simulation. The rock containing cracks will be compressed with the impact and seepage coupling test device platform, to conduct the mechanics compression comparison tests, including compression tests, impact tests and seepage - impact tests. The crack rock compression failure process will be monitored by acoustic emission test and analysis system to explore the inside fracture propagation regulation, failure mode, and establish the constitutive equation of the crack rock under impact load and water pressure, and summarize the propagation mechanism and failure criterion, seek water inrush prediction method.

我国大多数矿山进入深部开采,深部岩体受到高地应力、高岩溶水压的作用，爆破施工等人类的采掘活动极易造成裂隙扩展或断层活化，而引起承压溶洞突水事故，造成严重的经济损失和社会危害,是我国采矿和地下工程领域亟待解决的重大课题。为研究地下工程岩体受到爆破等动力扰动后突水的力学行为，开展冲击载荷与渗透水压作用下裂隙岩体破坏的理论研究、试验研究、声发射监测和数值模拟。以研制的渗流-冲击耦合试验装置为平台，进行含裂纹岩石的力学压缩对比试验（包括含裂纹岩石的力学压缩试验、冲击试验和渗流-冲击试验），并采用声发射测试分析系统对其整个过程进行监测，探求在冲击载荷及渗透水压共同作用下岩石内部裂隙扩展规律、破坏模式，建立岩石的本构方程，总结在渗透水压及冲击载荷作用下岩石裂隙的扩展机理和破坏准则，寻求深部岩体突水预测方法。

为研究地下深部工程岩体受到爆破等动力扰动后突水的力学行为，本文采用理论探讨与试验研究，分析了冲击载荷与渗透水压共同作用下压剪岩石裂纹起裂规律——裂纹尖端应力强度因子的演化规律。渗透压的存在加剧了分支裂纹的扩展，随着渗透水压的增大，分支裂纹扩展由稳定扩展变成不稳定扩展；与最大主应力方向一致的动载荷则增加了I型裂纹尖端强度因子，对II裂纹尖端强度因子的影响视裂纹倾角及材料属性而定；裂纹起裂角因动载荷的变化而改变。完成了冲击载荷对裂隙水压的增幅实验、裂隙水压下混凝土试样的抗压实验、水压载荷下不同内孔径的花岗岩冲击破坏试验,及水压载荷下含不同角度裂隙的砂岩冲击破坏试验，通过理论分析及数值模拟，建立了高应力和水压及动载荷共同作用下岩石裂隙的破坏准则，分析了在冲击载荷及水压共同作用下岩石内部裂隙扩展机理、破坏模式。运用RFPA计算软件对渗流与循环载荷作用下巷道围岩裂隙岩体的裂纹扩展进行了模拟，揭示深部裂隙岩体断裂突水机制。考虑裂隙位置及角度，确定冲击实验中应变片的粘贴位置，探讨了冲击压杆试验中应力波分离的方法。成功申请发明专利2项：一种层状岩石冲击压杆试验中应变片粘贴位置确定的方法（ZL20161 0640134.9），一种层状岩石冲击压杆试验中应力波分离的方法（ZL201610340117.5）。研制了渗流-冲击耦合试验装置，正在申请专利2项，冲击载荷下岩石封闭裂隙水压瞬态变化测试装置，及其测试方法（201811320014.6，201821829006.X）。