矿山区域性多尺度灾害耦合链式效应及度量研究

Engineering disasters induced by rock excavation and disturbance in mine are always the key factor to hinder the social and economic development in our country. So it is important for mine disaster prevention and reduction. Proceed from the systematization of mining engineering and evolution of disaster, the mechanism of mine disasters under reginoal multi-scale are considered by introducing disaster chain theory based on rock mass surrondings. It is also on innovative measurement and forecasting disasters by organic combination of extension theory. Through analyzing structural relation of interior chain effects on primary mine disasters of rock mechanics system, chain structual mathematical model of disaster induced by mining will be constructed in order to reveal the law of disaster evolution of mining engineering. The comprehensive judgment and prediction matter element model construction combining with Extenics and the mathematical model can be used to study the quantitative method of matter element of disaster evolutionary process in rock mechanics system. The study are also composed of further research on correlation relationship between distribution and development of fracture in rock and macroscopic damage of rock mass. The coupling effects of rock rupture under multiscale and mutations path of catastrophe will be analysed. Furthermore, criticality process and phase of macrography disaster chain effect can be divided. And consequently, methods of artifcial indution control of chain-cutting disaster mitigation will be came up with catastroph forecast matter-element model.

矿山岩体开挖与扰动诱发的工程灾害一直是制约我国社会经济发展的重要因素，矿山防灾减灾研究具有重要意义。本研究以矿山井下岩体环境为对象，从矿山工程系统性与灾害演化过程出发，引入灾害链理论研究矿山区域性灾害多尺度条件下耦合发生机制，并有机结合可拓学创新灾害度量及预测方法。通过分析矿山岩石力学系统内主要灾害事故内部链式关系结构，建立矿山采动致灾链式结构理论数学模型，揭示矿山工程灾变链式规律。采用可拓学并结合数学模型构建灾变链式过程的综合评判与预测物元模型，探讨岩石力学系统灾变演化过程的动态物元量化表达方法。进一步采用数值模拟及物理模型试验研究扰动状态下损伤岩体裂隙空间分布、裂隙演化与岩体宏观时效断裂的相关性。分析矿山区域性多尺度岩石破坏的耦合作用，灾变过程突变路径。获得宏观灾害链效应的临界过程与阶段划分，从而结合灾变预测的可拓物元模型提出灾害断链减灾的人工诱导控制方法。

我国矿山安全形势近年明显好转。但由于矿山工程环境的特殊性，以及粗放式、不合理开发所积累的不利因素和灾害隐患仍制约着生产安全和矿业的可持续发展。虽然从技术角度对矿山具体灾害事故的成灾机理和防治已取得了大量研究成果，但缺少从成灾共性和灾害的链式效应角度出发开展系统化的研究。.因此，本项目以矿山岩石力学系统范畴内的采动灾害、尾矿库安全事故和矿山水害等典型灾害为对象，引入灾害链理论、可拓学和多尺度分析方法，从灾害蕴生及诱发的多尺度特征及链式效应入手，开展矿山区域性灾害的耦合链式效应及度量研究。主要研究内容包括矿山采动致灾链式效应与数学模型研究；采动灾变链式效应预测物元模型构建与度量；多尺度下采动灾害耦合链式效应断链机制研究。研究成果包括：.1、研究了地下采动诱发工程灾害的共性问题，分析了灾害间相互作用的效应相关性，完善了矿山采动致灾（灾变）链式效应概念，初步构建了基本数学理论模型。.2、基于可拓学开展了区域矿山规划的理论依据及灾害控制的可拓思维模式分析，从矿山灾害源的可拓性出发，探讨了矿山建设中矛盾问题的解决思路；构建了采场顶板稳定性的非线性可拓评价物元模型，实施了稳定性的量化评价。.3、基于超前地质预报物探技术，以具体矿山为工程背景，研究了的岩体结构面跨尺度描述与灾变效应，创新了一种基于超前探测结构岩体多尺度分区精细模型的构建方法，及基于采空区探测的灾害源点云数据处理技术。.4、利用岩石三轴加、卸载实验研究了岩石介质破坏特征和力学参数弱化效应。基于核磁共振技术研究了岩石加卸载作用下内部损伤的多尺度变化过程，建立了孔隙度、轴压比与损伤度的函数关系；开展了基于上行式开采的上覆岩层稳定性相似模拟实验和数值模拟，获得了岩层移动变形规律。.5、以矿山地下采空区、尾矿坝溃坝灾害、干堆安全技术和矿山水害为对象，采用理论分析和实验研究的方法，获得了相应灾害的内部链式关系、灾变发育阶段及其灾害形态、特征，建立了形式化灾害链模型，提出了矿山区域性多源灾害断链控制措施。.6、研究和创新了人工干预的致灾环境再造与诱导控制技术。包括基于致灾环境人工再造的安全高效采矿技术和基于非炸药爆破诱导灾害控制与崩落采矿技术。.本项目研究丰富了矿山工程灾害的研究内容，拓展了灾害研究的思维方式。研究成果一定程度创新了矿山工程灾害跨尺度和多学科交叉研究方法，提出的多源灾害的断链减灾与防治技术具有良好的应用价值。