多场耦合作用下深部矿山突水孕灾机理多尺度分析与预判模型

Rock mass structures and geological environment in deep underground mines are largely influenced under mining inducing actions. Water inrush induced by water flowing fractured zone and fault activation zone is one of the key problems in water inrush identification and prediction. Considering the stress-seepage-temperature distribution in deep fractured rock mass and anisotropic properties, roughness and aperture of discontinuity are firstly characterized and seepage properties are discussed. Then, experimental and numerical tests are conducted for studying the water inrush process in metal mine based on multi-field coupling techniques and macro-micro scale simulations. After that, relationship between microseismic events activities and water inrush is discussed using the microseismic monitoring technique. Finnaly, a model for assessing the water inrush progress and harzad is promoted, which will provide a reliable method for analyzing and predicting the underground water hazards.

金属矿山采动下岩体结构及所处地质环境均发生极大改变，由岩体内导水裂隙带、断层活化带及陷落柱形成而导致的突水问题是进行矿井突水危险辨识和预测等须解决的关键问题。针对采动裂隙岩体所处的应力、渗流、温度等多物理场，考虑到其尺寸效应和各向异性力学特性，首先进行三维结构面粗糙度及张开度表征，分析不同节理张开度情况下的渗流特性；基于多场耦合理论及宏-细观多尺度仿真分析方法，提出适于金属矿突水孕灾全过程的物理模拟与数值计算方法；进一步采用微震监测手段开展采动岩体导水裂隙带勘测，探索微震活动性与矿山突水孕育、致灾间的联系；最终建立基于采动空间演化及关键危险源的突水评价模型，为矿井突水孕灾机制提供可靠的模型和方法。

项目主要针对矿山开挖扰动情况下裂隙岩体处于复杂物理场耦合作用下这一特点，以保障矿山开采活动安全进行为目标，以裂隙岩体突水成灾机理研究为主线，提出宏观上采用微震监测探测突水路径、细观上采用室内试验揭示渗流机理的思路，突破多场耦合理论、宏细观多尺度渗流模型、金属矿突水孕灾全过程的模拟等采动裂隙岩体突水技术难点，从宏细观多尺度角度揭示基于多场耦合理论的金属矿开采扰动作用下的突水孕灾机理与预判模型。在（1）裂隙岩体三维结构面粗糙度及张开度表征,（2）基于多场耦合理论及宏-细观多尺度仿真分析方法，提出适于金属矿突水孕灾全过程的物理模拟与数值方法,（3）采用微震监测手段开展岩体开挖扰动突水路径监测，探索微震活动与矿山突水孕育、致灾间的联系，三个方面开展相关研究。项目主要完成成果如下：完成了项目依托背景工程山东黄金三山岛金矿多个水平高度岩体结构面的测量和信息分析工作，开展了地应力测试工作，得到了典型矿区深部地应力的总体分布特征，探明了矿区主应力大小及方向；建立了基于粗糙离散节理网络模型的节理岩体各向异性力学模型，基于颗粒流离散元PFC、有限元RFPA和有限差分FLAC等方法，先后开展了节理岩体的多轴加载、应力-渗流耦合下的力学特性研究，提出了适用于矿山突水孕灾的数值计算模型和分析方法；以三山岛金矿工程背景，结合地应力测量和微震监测技术，针对扰动条件下裂隙带活化诱导导水带问题，对三山岛金矿浅部F3d断层附近采区的开采扰动微震监测岩体开挖扰动突水路径，探索了微震活动性与矿山突水孕育、致灾间的联系；对断层诱导裂隙带内裂隙岩体和滑动破碎带内土石混合体充填物的断（开）裂破坏特征以及渗透性演化规律进行室内和数值试验研究，讨论了不同充填物、不同裂隙几何情况下的应力-渗流耦合下裂隙岩石渗流力学特征，研究了扰动下岩体裂隙演化与渗流突变规律，揭示了金属矿开采扰动作用下突水致灾模拟预判的原理，构建了金属矿突水孕灾预判模型。