深部高应力环境下充填介质与岩体能量耗散匹配研究

为了控制地压，提高资源回收率，充填技术在深部金属矿山的应用日趋广泛。由于充填体是一种多相复合力学介质，其变形与破坏表现出随机性并伴随着能量耗散，充填体介质在高应力环境下的力学特性及与深部岩体的耦合作用机理并未被人们充分揭示。深部矿床充填过程中，围岩变形压缩充填体并释放能量，充填体介质被压缩而蓄积变形能，形成一能量交换的复杂系统，有必要研究充填体介质如何适应深部岩体力学性质即充填体与深部岩体的合理匹配。为此，该项目针对深部岩体特征，通过力学试验，用随机理论和唯象学方法建立充填体随机能量耗散力学模型，揭示充填体在高应力下的损伤耗能规律，探索深部开采岩体能量释放特征，用耗散结构理论研究充填体介质与深部岩体的最佳匹配，得出深部开采所要求的充填体强度与开采深度、岩体力学性质及采矿安全度等随机变量之间的关系，为深部安全低成本开采资源提供理论基础。

根据深部开采高应力复杂环境，项目以充填体与岩体能量耗散匹配为研究主题，综合运用室内实验、理论分析、数值模拟和现场试验等多种手段，开展了如下研究。.(a)通过测试大量矿山尾砂力学参数，得出了尾砂容重与其所受压力、初始容重和孔隙率的回归方程，研究了尾砂自然安息角与其含水率的关系，并用分形理论探索了尾砂分形级配，建立了充填体强度设计知识库模型。.(b)通过单轴静载和动载力学试验，探索了尾砂胶结充填体受压和受拉破坏特征，得出了不同加载速率下充填体动载破坏规律。.(c)对不同配比尾砂胶结充填体进行静载和动载三轴试验，得出了不同围压下胶结充填体强度特征，探索了不同加载速率下尾砂胶结充填体的破坏规律。.(d)建立了不同配比充填体损伤力学模型，得出了不同配比充填体损伤破坏耗能规律，并用Weibull分布构建尾砂胶结充填体随机损伤软-硬化模型，揭示了尾砂胶结充填体峰后应变软化和硬化特征；同时将单轴压缩损伤本构方程扩展到三维，得出了充填体损伤破坏的三维能量耗损规律。.(e)对深部开采岩层变形进行了监测，用重构相空间混沌理论揭示了深部开采岩层能量耗散规律，建立了金属矿开采岩层移动安全预警系统。.(f)用突变理论建立了充填体与岩体的损伤灾变匹配模型，得出了充填体与岩体匹配条件，并建立了充填体与岩体的一维能量匹配模型，而后扩展至三维，得出了充填体与岩体三维能量匹配模型，并将研究成果应用于安庆铜矿深部开采充填体强度设计。.(g)提出了基于极限状态超平面的充填体与岩体随机匹配模型，实现了复杂隐函数计算可靠度。.对照原计划任务书，项目无论在科学内容还是在预期成果指标上，都圆满完成。发表标注本基金号论文35篇，其中SCI收录4篇、EI收录14篇；获得国家专利技术5项(已授权4项)；获得国家科技进步二等奖1项，省部级科技进步特等奖1项、一等奖4项、二等奖2项、三等奖1项；依托项目指导培养研究生10人。