摘要
随着我国矿山开采深度的增加，矿山岩石工程规模和难度也日益增大。岩体赋存条件及地质成因的差别导致岩石裂隙发育、扩展、贯通直至失稳破坏，造成重大灾害及事故。因此，从细观结构分形特征等角度对岩石损伤破坏演化规律进行研究，对于围岩稳定性控制具有重要的借鉴意义。本文选取均质性较好的典型红砂岩作为研究对象，首先对其进行单轴压缩试验，并对损伤破坏后的断口试件进行细观结构电镜扫描，利用MATLAB编程获取分维计算算法，并根据分维值与红砂岩力学参数的相关性研究红砂岩细宏观规律特性；其次，采用PFC2D软件建立数值模型进行数值模拟分析，深入研究红砂岩损伤演化规律；最后，利用灰关联分析法分析红砂岩抗压强度等参数与分形维数值、损伤临界值等因素之间的相关性，定量表征红砂岩细宏观参数之间的关联情况。论文研究成果如下： (1)红砂岩内部结构含有裂隙、孔隙结构，整体胶结性良好；红砂岩具有分形特征，其分维值稳定在数值2.0～2.2左右，说明红砂岩的整体结构比较稳定；岩样的分维值与电镜放大倍数整体上呈负相关；分维值与红砂岩单轴抗压强度、弹性模量之间呈负相关。 (2)不同裂隙倾角红砂岩的单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量的变化趋势具有相似性，随着裂隙倾角的增大，曲线呈先增大后减小的非线性分布，且PFC模型的破裂模式逐渐与完整红砂岩试件接近。不同岩桥倾角的红砂岩单轴抗压强度、峰值应变、弹性模量的变化趋势同一具有相似性，即随着角度的增大而呈先减小后增大的非线性分布。含裂隙红砂岩模型的分维值稳定在1.9～2.0左右，分维值与单轴抗压强度是反比关系，数值模拟得出的所得的结论与试验所得结论一致。 (3)声发射可以表征岩石内部裂纹的产生情况，揭示岩石内部断裂破坏方式的特征和规律，通过分析发现：声发射事件次数基本随着应力应变曲线的变化而变化，且声发射信号强度与声发射累计振铃计数都随倾角呈先增大后减小的变化趋势。分维值与红砂岩模型的强度、损伤临界值呈反比关系；基于声发射特征计算损伤变量，通过损伤演化规律分析说明岩石的损伤变量最终都会趋近于损伤临界值。 (4)通过灰关联度法，以分维值、损伤临界值两个影响因素，对红砂岩强度特性与这两个因素之间的关联度进行分析，发现二者对红砂岩强度特性都有较大的影响，其中损伤临界值对红砂岩强度特性的影响大于分维值对红砂岩强度特性的影响。研究表明，考虑围岩稳定性问题可以从岩石细观结构特征分析方面考虑，明确细观结构对宏观力学参数造成的影响，同时该研究结果还可应用在评价围岩稳定性、预防煤层突水、防治瓦斯问题等方面。
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