动力扰动下峰后破裂岩石力学特性及破坏机理研究

According to the surrounding rock mass in deep engineering are always in the post-peak state and suffer the influence of dynamic disturbance. Regarding the preparation of post-peak cracked rock specimens under static preloading as the research object, the combined research method of experimental study, theoretical analysis, numerical simulation and field monitoring is used to systematic study on the mechanical response of post-peak cracked rock mass under dynamic disturbance. The law of strength change and deformation in the successive failure process when loading and unloading in the post-peak under different impact loading conditions (e. g. uniaxial impact, triaxial impact, cyclical impact) are to be recognized through SHPB texts. By means of numerical simulation, SEM and industrial CT scanner, the meso-damage, failure mode and crack propagation law of post-peak cracked rock are to be studied. Then considering the characteristics of parameters deterioration, a new dynamic strength failure criterion and constitutive model of post-peak cracked rock will be establish. All of these can provide the theoretical support of roadway support and dynamic disaster prevention for the deep mining and other deep rock engineering.

针对深部工程围岩常处于峰后状态且遭受动力扰动影响的特点，以静态预加载制备的峰后裂隙岩样为研究对象，采用实验研究、理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法，系统深入地研究峰后裂隙岩石在动力扰动作用下的力学响应。通过不同冲击加载条件下（单轴、三轴、循环冲击等）峰后裂隙岩石SHPB试验，揭示峰后裂隙岩石继续受载过程中强度变化和继续变形规律；借助于数值模拟和扫描电子显微镜、工业CT等设备，分析确定峰后裂隙岩石的细观损伤、破坏模式以及岩石受静载破裂后形成的裂纹扩展规律；建立考虑参数劣化特征的峰后裂隙岩石动态强度破坏准则和本构模型，为深部矿产资源开采以及其他深部岩石工程巷道支护和动力灾害防治提供相关理论支持。

深部巷道和工作面围岩体在“三高一扰动”的作用下不可避免地发生变形破坏，成为断续破裂岩体。在爆破、采动应力、顶板大面积破断、矿震以及其他动荷载的作用和影响下，巷道或工作面周围暂时处于相对稳定状态的断续破裂岩体进一步破坏，仍存在失稳的安全隐患。因此，项目以静态预加载制备的峰后破裂砂岩试样为研究对象，采用实验研究、理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法，系统深入地研究峰后破裂岩石在动力扰动作用下的力学响应，取得了以下几方面的主要研究成果：（1）利用MTS岩石力学测试系统，在天然砂岩试样的单轴压缩过程中，通过不同阶段加载方式的调控与转变，制造宏观裂隙随机分布的峰后破裂砂岩试样，为研究峰后破裂岩石力学特性奠定基础。（2）采用SHPB实验装置开展峰后破裂砂岩单轴冲击、三轴冲击、动静组合冲击和动静组合循环冲击压缩试验，得到了单轴冲击下峰后破裂砂岩和完整砂岩的力学参数变化规律及动力学响应的差异；分析了围压、轴压和循环冲击对峰后破裂砂岩动力学特性的影响；（3）基于SHPB试验能量理论，研究了不同冲击荷载作用下峰后破裂砂岩能量耗散特征，对比分析了峰后破裂砂岩与完整砂岩能量耗散特性的差异，得到了围压、轴压和循环冲击对峰后破裂砂岩单位体积吸收能的影响规律。（4）以岩石破坏发展演化系列图片为基础，结合考虑参数劣化特征本构模型的破裂试样冲击破坏过程PFC模拟，对峰后破裂砂岩的破坏模式进行了分类，揭示了动力扰动下峰后破裂砂岩的裂纹扩展规律和破坏机理。单轴冲击下破坏模式为劈裂破坏，动静组合加载下为剪切破坏，峰后破裂砂岩原始宏观裂纹影响破裂面的扩展方向，破裂面总是沿着原始宏观裂纹面。三轴冲击下，峰后破裂砂岩破坏模式与冲击荷载大小有关，冲击荷载较小时，破裂面沿着原始宏观裂纹面；冲击荷载较大时，则破裂面垂直轴向方向且处于试样中间部位。研究成果可以为深部矿产资源开采以及其他深部岩石工程巷道支护和动力灾害防治提供相关理论支持。