深部岩体分区破裂化机理研究

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随着全球经济的飞速发展,世界各国对各种矿产资源的需求量均日益增加,埋藏于浅层的矿产资源已经远远不能满足人类的需要,各国对资源的开采活动不断向地层深部延伸。虽然目前人类对浅层的地下工程有了一系列完整的研究成果,但是由于深部岩体在高地应力作用下,其变形破坏机理与浅部岩体有很大的不同,出现了许多浅部岩体中从未见过的破坏形态,引起了世界各国学者的广泛关注。在南非金矿、俄罗斯矿山、中国淮南煤矿等深部岩体工程中,人类采用多种物理手段探测发现,深部巷道(洞室)围岩的破坏会出现破裂区与非破裂区交替出现的分区破裂化现象。这种在深部岩体中才会出现的力学现象,仅仅依靠传统的经典岩石力学理论已经不能对其进行圆满的解释。鉴于深部岩体表现出的非连续和非协调的变形特征,本文采用非欧几何理论对深部岩体分区破裂化机理进行了研究。本文所做的主要工作如下:①建立了适用于深埋圆形巷道围岩较为完整条件下的非欧几里德几何模型,包括非静水压力下的平面应变问题和考虑轴向应力作用两种不同情况。在研究非静水压力作用下的平面应变问题时,为了便于推导,将其分解为两种相对简单的小问题进行分析,最后对其进行叠加而得到了巷道围岩中的应力场分布。另外,考虑到轴向应力对深部岩体分区破裂化现象的影响是不容忽视的,还得出了轴向应力影响下的围岩中应力场的解析解形式。通过具体的算例,与已有的室内模型试验进行对比,验证了模型的正确性。②建立了非静水压力作用下裂隙围岩的非欧几何模型。该模型考虑了原生裂隙的存在对深埋圆形洞室围岩分区破裂化现象的影响,分析了在均布裂纹条件下深部洞室围岩的破坏模式以及判定方法。另外,通过具体算例,讨论了各种岩体力学参数和非欧几何参数对深部岩体分区破裂化现象的影响,并对其规律进行了总结。③建立了深埋圆形巷道围岩中含有均布三维裂隙条件下的非欧几何模型。在这个模型中,计入了沿洞室轴线方向地应力的影响因素,分别分析了裂隙的受拉破坏与受压破坏,最后提出了围岩破坏的判定标准。通过具体算例分析总结了深部岩体的分区破裂化现象的规律。本文在已有研究成果的基础上,将非欧几何理论引入深部岩体分区破裂化现象机理的研究中,比较系统的建立了不同情况下深埋圆形巷道围岩的非欧几何模型,进一步验证了非欧几何在深部岩体中的适用性。研究成果不仅进一步深化了深部岩体分区破裂化机理的研究工作,还对各种岩体力学参数及非欧几何参数对深埋圆形洞室围岩破坏的影响及规律进行了分析总结,对深部岩体工程的开挖及支护具有一定的理论参考价值。
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