诱导条件下节理岩体流变断裂理论与应用研究

摘要

自然崩落法是一种低成本、高效率的采矿方法，特别适用于节理发育的厚矿体。该法主要通过在矿岩底部切割出一定面积和高度的岩体自由空间，人为应力诱导以引起岩体内应力分布状态发生改变，促使岩体破坏并在自重力作用下自然崩落。然而高应力软弱复杂岩体的破坏方式及机理与坚硬脆性岩体不同，在次生应力场作用下，软弱复杂岩体会产生大变形，进而导致岩体流变断裂直至破坏。目前国内外这方面的理论和工程实践尚处于初期探索阶段，因而此类矿山采用自然崩落法较其它法具有更大的经济风险和技术挑战性。本文结合金川有色金属(集团)公司重大科技攻关课题：“高应力破碎矿岩条件下自然崩落法矿岩崩落规律研究”和中南大学博士研究生创新工程项目“诱导条件下软弱复杂岩体自然崩落机理研究”(134375210)，对诱导条件下节理岩体流变断裂问题进行了深入研究。主要研究内容和结论如下： 应用断裂力学理论，基于裂纹空间形态的基本假定，建立了远场应力作用下单一裂纹的概化力学模型，通过引入梁网法，将单一裂纹概化力学模型拓展到了多组节理裂纹的概化力学模型，推导了分支裂纹尖端应力强度因子的计算公式。 采用双扭常位移松弛法在INSTRON 1342电液伺服材料试验机上对金川矿区三种典型岩石进行了亚临界裂纹扩展和断裂韧度测试，确定了I型应力强度因子与亚临界裂纹扩展速率间的关系，得到了所测岩石亚临界裂纹扩展门槛值与断裂韧度值，并探讨了裂纹萌生、扩展和贯通的力学机制。 采用RYL-600微机控制岩石剪切流变仪，对金川III矿区A2贫矿、混合岩和氧化矿三种岩样进行了蠕变试验，得出了所测岩样的蠕变变化规律，确定了相应的蠕变模型。并根据岩石粘弹塑性共存的试验结果，基于Mohr-Coulomb准则，对典型Burgers蠕变模型进行了改进，首次提出了一种本文称之为M-C的塑性元件，建立了适应于矿区岩石蠕变特性的流变模型。 引入流变断裂类应力强度因子概念，推导了以应力强度因子、分支裂纹长度和时间为内变量的相应势函数，建立了多种破坏机制时的统一流变断裂准则，最终形成了诱导条件下节理岩体持续大规模自然崩落判据。 基于FLAC 3D商用软件二次开发技术，本文将自然崩落判据转化为计算机程序，形成了功能较强的诱导条件下节理岩体持续大规模自然崩落模拟系统，并成功地将其应用于金川Ⅲ矿区高应力破碎矿岩条件下岩体自然崩落的数值模拟中，研究了无削帮时不同拉底面积条件对矿岩应力重分布的影响及岩体自然崩落效果，并对矿岩自然崩落速度进行了预测，解决了复杂条件下矿岩流变断裂、自然崩落规律和崩落速度预测的难题，为我国厚大贫矿矿体大规模开采开辟了新的途径，为工程实际提供了科学指导。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

第二章节理岩体概化力学模型

第三章岩石亚临界裂纹扩展速率与断裂韧度试验研究

第四章岩石粘弹塑应变特性试验研究

第五章节理岩体流变断裂模型

第六章诱导条件下节理岩体流变断裂自然崩落判据研究

第七章诱导条件下节理岩体流变断裂数值模拟分析

第八章结论与展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间主要研究成果