矿山高围压土体卸载孔隙水压力激增致灾机制

以深部地下工程建设与资源开发过程中高围压土体卸载为背景，以土体卸载体缩及孔隙水压力增加现象为研究对象，以孔隙水压力的增加导致弱结构面劈裂致灾为探索目标，采取矿区厚松散层深部的原状土样及重塑土样进行不同应力路径、不同因素变化条件下的三轴高围压卸载试验，探讨各因素对卸载时孔隙水压力变化规律的影响，研究高围压下土体卸载孔隙水压力、土体变形和强度的相互关系，讨论高围压卸载条件下Skempton孔隙水压力方程是否适用，建立土体卸载孔隙水压力与土体变形和强度定量关系式；研究高围压土体卸载微观机理；对高围压土体卸载过程中孔隙水压力、变形和强度的变化进行模拟分析，与现场资料和试验结果进行对比，建立高围压卸载条件孔隙水压力变化致灾机制理论模型。探讨孔隙水压力变化导致矿山灾害发生的机制，为有效防治矿井深部土体重大安全事故和保障矿工生命安全提供理论支撑。

本项目致力于解决的关键科学问题：（1）高围压卸载条件下孔隙水压力与土的变形和强度变化机理及影响因素、高压卸载孔隙水压力方程的建立。（2）高围压下土体卸载体缩孔隙水压力激增导致深部土体工程地质灾害的发生机制。.经过四年的研究，通过调研、高压三轴卸载试验、微观分析方法，通过采取原状土样、选取典型级配的重塑土样，进行了高压环境下的原状土和重塑土的三轴试验，研究了卸载过程中孔隙水压力、应力应变等变化的特点，并对试验前后的土样进行电子扫描电镜、CT试验观察等微观分析，获得了微孔结构及分布特征。.主要成果有：.（1）获得了三种卸载方式（保持围压不变直接卸载轴压、保持围压不变等待孔隙水压力稳定后再卸载轴压、加载围压固结后保持轴压不变直接卸载围压）围压、卸载时间、卸载比、土样类型对孔隙水压力的影响。.（2）对重塑砂土进行了（a）不同围压下的等P压缩剪切试验、（b）不同围压下的等卸载比剪切试验、（c）相同围压不同卸载比剪切试验、（d）不同围压下的等加载比剪切试验、（e）循环加卸载剪切试验5种应力路径下的高压固结不排水剪切试验研究了不同应力路径下重塑砂土卸载条件下的孔压和变形特性。试验表明，存在临界固结压力（3MPa～4MPa）使孔压-应变及孔压-应力变化规律发生改变。.（3）对砂土卸载围压过程力学行为的数值模拟表明，孔压总体上是逐渐增加的，只是孔压随轴向位移增大而增大的幅度不同。.（4）研究了在高围压下，卸载速率、围压以及土样性质对饱和黏土的应力应变、孔隙水压力等力学特性的影响，试验获得了不同卸载速率对土样应力应变特性的影响特点，存在一个“转换卸载速率”；孔压随轴向应变的发展存在一个“拐点”，在“拐点”前孔压随轴向应变增长快，在“拐点”后增长速率变慢。.（5）分析了卸载孔隙水压力与土体变形和强度之间的关系，结果表明高围压卸载条件下Skempton孔隙水压力方程的适用性。.（6）利用环境扫描电镜、吸附解吸仪、CT等研究了卸载试验前后的微观结果变化，探讨了不同的卸载方式、不同的土样，呈现出的不同微观结构特征。.（7）研究了粗砂和细砂同一压差不同围压条件下、同一压差逐级加载围压下与直接加载条件下和同一围压不同压差条件下高围压下的渗透特征及其机理。.土样高压卸载条件下孔隙水压力变化以及其他力学行为，为深厚松散土层地质灾害产生机制研究、监测方法选择、预防措施采取等提供了科学基础。