《易泥化矿岩力学特性劣化及破坏规律》主要介绍易泥化矿岩力学特性劣化及破坏规律。内容包括绪论、易泥化矿岩微细观结构特征、不同加载路径下易泥化矿岩力学特性和破坏特征、易泥化矿岩失稳破坏的尖点突变模型、破坏全过程的损伤本构模型及能量演化特征、能量效应下的破坏判据及脆性指标、破裂演化的数值模拟等。

目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 易泥化矿岩力学特性劣化及破坏规律研究意义 1
1.2 易泥化矿岩力学特性劣化研究进展 2
1.3 易泥化矿岩破坏规律研究进展及现状 9
参考文献 11
第2章 易泥化矿岩微细观结构特征 19
2.1 易泥化矿岩试验方案 20
2.1.1 试验材料及制备过程 20
2.1.2 试验设备及过程 20
2.2 易泥化矿岩的微细观结构 21
2.3 易泥化矿岩的孔隙结构特征 23
2.3.1 易泥化矿岩孔隙的核磁共振T2谱和孔径分布特征 23
2.3.2 易泥化矿岩核磁共振分形维数的计算 28
2.3.3 易泥化矿岩不同孔隙的分形特征 30
参考文献 32
第3章 易泥化矿岩力学特性及破坏特征分析 35
3.1 试验方案 35
3.1.1 岩样制取 35
3.1.2 试验加载设备 36
3.1.3 声发射系统 36
3.1.4 试验流程 36
3.2 易泥化矿岩力学特性与破坏特征 38
3.2.1 单轴压缩应力-应变及破坏特征 38
3.2.2 单轴压缩特征应力计算 40
3.2.3 巴西劈裂应力-应变及破坏特征 54
3.2.4 三轴压缩应力-应变*线分析 57
3.2.5 三轴压缩下易泥化矿岩的强度特性 58
3.2.6 三轴压缩易泥化矿岩的破坏特征 59
参考文献 61
第4章 易泥化矿岩失稳突变理论 63
4.1 突变理论基本原理 63
4.2 能量演化特征 65
4.2.1 计算原理 65
4.2.2 易泥化矿岩单轴压缩下的能量演化规律 67
4.3 基于能量演化特征的尖点突变模型 70
4.3.1 模型构建 70
4.3.2 易泥化矿岩的突变模型 72
4.4 尖点突变模型验证 74
4.4.1 声发射振铃计数率验证 74
4.4.2 声发射累计能率验证 75
参考文献 77
第5章 易泥化矿岩破坏声发射特征 78
5.1 易泥化矿岩声发射参数演化特征 78
5.1.1 单轴压缩声发射参数演化特征 78
5.1.2 三轴压缩声发射参数演化特征 81
5.1.3 巴西劈裂声发射参数演化特征 88
5.2 基于声发射的岩石裂纹分类 90
5.2.1 单轴压缩试验裂纹演化特征 91
5.2.2 三轴压缩试验裂纹演化特征 94
5.2.3 巴西劈裂试验裂纹演化特征 97
参考文献 100
第6章 易泥化矿岩失稳临界慢化理论 102
6.1 临界慢化理论 102
6.2 临界慢化特性分析 103
6.2.1 窗口长度与滞后步长的选取 103
6.2.2 临界慢化前兆特性分析 106
6.3 临界慢化理论的验证 107
6.3.1 声发射b值的计算及其意义 107
6.3.2 基于声发射b值的破坏前兆特性验证 108
参考文献 111
第7章 易泥化矿岩数值模拟研究 112
7.1 FLAC3D软件概述 112
7.1.1 基本原理 112
7.1.2 计算过程 113
7.1.3 本构模型选择 113
7.2 均质模型 118
7.3 考虑岩石微孔隙 123
7.4 考虑泥化层内力学参数的变化 130
7.5 联合考虑微孔隙和泥化层内力学参数的变化 136
参考文献 142

第1章 绪论
　　1.1 易泥化矿岩力学特性劣化及破坏规律研究意义
　　在金属矿山领域，矿山的地下开采工作经常受各种地质条件的影响，井下的岩体通常处于潮湿、含水量大且易风化的环境中[1-3]。特别是含黏土矿物的围岩，其在吸水后内部的黏土矿物会发生膨胀，使岩石胶结减弱并出现微裂隙，导致围岩更易遭受侵蚀。易泥化岩石作为一种稳定性较弱的围岩，对围岩巷道安全开采和稳定性有不可忽视的影响，并且在实际采矿工程中难以对其进行有效的支护。由于易泥化岩体在遭受水、力、风等耦合作用后的力学特性显著降低及岩体软化现象频繁发生，泥化作用对岩石力学特性的影响已经逐步引起重视。但是在矿山地下开采中，对易泥化岩体力学特性劣化、稳定性下降和破坏变形规律的研究尚不成熟。开展易泥化厚大钽铌矿体力学特性劣化及破坏规律的研究，能够帮助相关矿山企业提高生产效率，对解决矿山围岩稳定和安全开采问题意义重大。
　　尽管我国幅员辽阔，矿产资源丰富，但是大量稀有金属资源仍无法满足自身需求，为了缓解此类问题，大量金属矿山进入深部开采模式，而深部开采必定会引起一系列的问题。开采环境更加复杂，岩石条件也更加复杂，矿山地下开采受到地质条件的影响，井下环境潮湿，含水量大；对于含有黏土矿物的岩石，岩石吸水后黏土矿物膨胀，岩石胶结减弱并出现微裂隙，使岩体受到泥化作用，岩体泥化后力学性能降低，且遭受地下水作用后的岩体软化将带来一系列问题。泥化作用对岩石力学特性的影响已经逐步引起重视，但是在矿山地下开采中，对岩石泥化引起围岩力学性能劣化，导致岩体稳定性降低和变形增大的问题，还缺乏足够的了解。一般来说，钽铌矿岩是抗泥化能力较强的岩类，未泥化矿岩具有良好的工程特征；但有时因其含有黏土矿物，在地下水作用下，黏土矿物易吸水，会削弱矿物之间的黏结力，使其抗泥化能力减弱，或因其处于构造破碎带，而使其遭受强烈的泥化作用，当泥化达到一定程度时，其力学特性接近弱胶结软弱岩石。研究岩石泥化前后的力学特性及变形破坏机制，可以为岩体稳定性分析提供参考，目前此类钽铌矿岩受泥化作用的机理尚不明确，对于其泥化前后力学特性的差异和联系还不清楚。
　　易泥化厚大钽铌矿岩主要矿物有长石、石英和云母等，还含有部分黏土矿物。钽铌矿岩含有部分黏土矿物，导致其抗泥化能力降低，并且黏土矿物反复吸水和干燥，会削弱岩石内部胶结，增加孔隙率促进泥化。经过泥化作用后，钽铌矿岩中黏结力较强的长石等矿物会转化为黏土，结晶强度降低，微孔隙等软弱结构增多[4]。当黏土矿物含量和微孔隙增多以后，其更易遭受泥化以及遇水会明显软化。岩体在开挖卸荷、岩石被揭露，以及遭受地下水作用后，泥化进程将会加快，岩石力学特性显著下降。岩石力学特性的劣化将给矿山开采带来一系列的问题，如出现片帮、坑道垮塌、冒顶等不良工程地质现象，对矿山开采安全造成重大隐患。
　　综上所述，开展易泥化厚大钽铌矿体力学特性劣化及破坏规律研究，有助于确保类似条件下金属矿山围岩稳定性，保障矿山施工人员及其设备财产的安全性，为后续易泥化矿岩的支护技术实施和方案设计提供科学的参考依据。
　　1.2 易泥化矿岩力学特性劣化研究进展
　　易泥化软弱岩体的特点如下：一是岩体的物理和力学特性主要表现为低强度、强流变、易膨胀和高风化度等；二是岩体结构表现为软弱、破碎、松散等；三是围岩的工程特征表现为长期流变、大变形、矿压显现迅速等，给支护造成困难[5]。
　　根据成岩特性和矿物组分，弱胶结岩体一般由黏土矿物、碎屑矿物以及裂隙孔洞等构成，其力学性质与矿物成分以及不同矿物颗粒间胶结强度有关。黏土矿物在泥质软岩矿物组分中占比较高，且矿物颗粒间胶结以泥质胶结为主，而硅质、铁质以及碳酸盐等胶结物较少，因此岩石强度低，遇水极易发生泥化崩解。目前，国内外学者针对泥质软岩的基本物理性质、动静力学响应、本构关系及崩解特性进行了大量研究，并取得了优秀的成果。
　　国内外学者针对泥质软岩的矿物组分、化学属性、多尺度结构特征等对其物理性质的影响进行了定性与定量研究。谌文武等[6]对灰绿色与红色泥岩的矿物组分以及岩石颗粒级配等物理性质进行了分析，研究发现灰绿色泥岩具有更好的级配，且二者强度均会受含水率影响。陈子全等[7]研究了北疆地区不同赋存深度泥岩的粒径级配、矿物成分、纵波波速等物理性质，结果表明岩体强度及稳定性受内部矿物颗粒间的胶结性质制约。李回贵等[8]通过单轴、三轴等试验手段，对弱胶结砂岩的密度、波速等物理力学参数进行总结分析，研究表明弱胶结砂岩内部胶结物少于其矿物成分的30%，宏观结构松散，沿颗粒物表面发生张拉破坏为该类岩石的主要破裂形式。孙利辉等[9]选取鄂尔多斯盆地典型矿区内弱胶结岩石，分析总结了其物理参数和崩解特征，研究发现西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要原因是弱胶结岩石的强崩解性。Delage[10]通过电子显微镜扫描及压汞试验对黏土矿物微观结构进行分析，研究表明骨料颗粒、粒间孔隙以及骨料内孔隙共同构成黏土矿物微结构。Yu等[11]针对弱胶结粉砂岩开展了电子显微镜扫描及力学试验，结果表明弱胶结粉砂岩成岩时间晚、胶结程度差、岩石力学强度低是使该类岩体工程稳定性降低的主要因素。宋朝阳等[12]通过现有研究总结了弱胶结类岩石微细观结构表征方法，发现其内部颗粒间接触在受载条件下会经历连续接触、连续向离散过渡接触、持续接触及散体颗粒流动四个阶段。Gautam等[13]研究了泥质软岩在自然环境下的崩解行为，发现其崩解率主要受黏土含量、孔隙度和塑性特征影响。He等[14]基于密度泛函理论对高岭石的原子和电子结构进行了研究，发现高岭石中阳离子和氧阴离子之间的化学键主要为离子键。李桂臣等[15]基于离散元理论研究了软弱泥岩水化损伤特性，发现黏土矿物含量的增加会使泥岩单轴抗压强度与弹性模量劣化，且二者间存在复合指数小于0的幂函数关系。
　　国内外学者在物理性质研究的基础上，针对泥质软岩的力学强度、变形破坏特征等对其动静力学响应进行了研究。许宏发[16]利用单轴压缩试验对泥质板岩的强度和弹性模量的时间效应进行了研究，根据岩石强度、弹性模量随时间变化的损伤劣化规律，构建软岩弹性模量与时间的函数关系。Charalampidou等[17]对泥质软岩三轴压缩过程中内部剪切带与压实带特征进行了研究，结果表明剪切带和压实带主要因压缩过程中岩石颗粒的破碎(损伤)和内部孔隙率的降低(压实)而形成。邓华锋等[18]通过一系列三轴加卸载试验，发现典型软岩三轴压缩应力-应变*线不存在明显的峰值点，岩样破裂后会通过剪切面间的摩擦来继续承载外部应力。郭富利等[19]通过在不同围压与饱水时间下试验，模拟软岩赋存环境，对其力学性质变化进行研究，发现软岩内部亲水矿物吸水膨胀导致岩石内部应力分布不均是软岩工程围岩强度降低的主要原因之一。赵永川等[20]对西部弱胶结岩石开展了三轴循环加卸载试验，研究表明应力路径与岩石颗粒粒径对弱胶结岩石塑性应变能与变形特征具有显著控制作用。曾鹏等[21]在软岩单轴压缩声发射(acoustic emission， AE)试验的基础上，分析了试验过程中不同声发射信号频段占比。研究表明，软岩破坏各阶段可用声发射信号频段占比分布来准确表征。刘新荣等[22]利用单轴、三轴加载试验并结合颗粒流模拟软件PFC对不同干湿循环次数下泥质砂岩力学性质进行研究，结果表明泥质砂岩细观结构会随干湿循环次数的增加经历整齐致密、多孔团絮和开裂紊流三个阶段。
　　随着地下隧道、矿产资源开采等越来越多，地下工程涉及泥质软岩控制问题，国内外学者纷纷针对复杂条件下泥质软岩本构关系展开研究。Wang等[23]展开了中国西部泥质软岩不同温度下的冲击试验，通过对Zhu-Wang- Tang(Z-W-T)本构模型进行改进，建立了考虑损伤效应、温度效应和应变率效应的泥质软岩动力本构模型。王宇等[24]和陈卫忠等[25]开展了现场泥岩三轴流变试验及加卸载试验，研究表明时间及泥岩所处应力水平对其蠕变速率存在耦合控制作用，并提出泥岩非线性经验幂函数型蠕变模型。Xiong等[26]在传统弹塑性模型的基础上，引入线性热膨胀系数αt来描述温度效应，通过引入超荷载和次荷载来研究超固结和结构性对软岩力学行为的影响，建立了基于临界状态的软岩热弹塑性模型。Liu等[27]基于泥质软岩三轴蠕变力学特性，利用Abel阻尼建立了描述泥质软岩分阶段蠕变行为的四元分数蠕变模型，通过信赖域方法获取模型参数，模型能够准确反映泥质软岩的完整蠕变行为。Wang等[28]利用多元回归分析、人工神经网络等不同非线性模型对弱胶结岩石单轴抗压强度进行预测评价，研究表明自适应神经模糊推理系统可有效预测弱胶结岩石单轴抗压强度。刘开云等[29]通过将Bingham模型与非线性应变触发黏壶元件串联，并引入岩石力学参数的衰减规律，建立了软岩非线性黏弹塑流变本构模型，研究发现软岩流变指数越大，软岩的蠕变速度也越大。赵光明等[30，31]通过将Z-W-T本构模型中非弹性弹簧替换为损伤体来表征软岩材料本身的缺陷，利用两个Maxwell体描述软岩不同应变率下的塑性变形响应，构建了软岩黏弹性统计损伤模型。孟庆彬等[32]基于裂纹体积应变模型，通过对泥质软岩峰前损伤演化和峰后破裂特性随等效塑性应变的演化规律，构建了弱胶结岩石扩容大变形本构模型。
　　泥质软岩遇水易泥化崩解是影响该类岩体工程安全性的重要特性，国内外学者针对该特性开展了大量研究。刘长武等[33]采用X射线衍射等多种测试手段从微观结构及矿物组成等方面对泥岩力学特性开展研究，并结合泥岩遇水宏观力学特性的变化，揭示泥岩泥化崩解机理。周翠英等[34，35]针对红层砂岩等泥质软岩开展了一系列饱水试验，研究发现水岩作用过程中离子交换吸附机制、亲水黏土矿物膨胀崩解、水岩微观相互作用机制对该类岩石软化起主导作用。左清军等[36]对白垩系弱胶结砂岩开展了静态与动态耐崩解试验，结果表明弱胶结砂岩主要沿矿物颗粒胶结面、节理裂隙面与内部微损伤区域展开崩解，且其动态崩解指数整体高于静态崩解。苏永华等[37-39]基于软岩渐进崩解试验，研究发现软岩膨胀崩解会呈现多重分形特征，崩解碎屑粒径大小随崩解过程达到一定程度后不再变化。黄明等[40]根据不同水环境下泥质页岩循环崩解试验，建立了泥质页岩崩解碎屑粒径与崩解次数的函数关系，研究发现酸性水环境会增大岩石循环崩解过程中岩石颗粒累积的表面能，加速岩石崩解。
　　何满潮[41]将软弱岩体划分为工程软岩和地质软岩两类，并将工程软岩定义为在工程力作用下能产生显著塑性变形的工程岩体；进一步依据岩体的泥质含量、结构面特性、变形机理、强度特征和塑性变形力学特点，将其划分为膨胀性软岩、高应力软岩、节理化软岩和复合型软岩四大类。膨胀性软岩是指岩体物理组成中含有高膨胀性成分(如黏土等)，并在非高应力(不高于25MPa)条件下会出现明显塑性破坏和变形的工程岩体。在现场工程实践中，膨胀性软岩常为泥岩等低强度、高膨胀性的岩体。Grose等[42]、Jing等[43]、徐前卫等[44]对软弱岩体隧道开挖过程中围岩的渐进性破坏过程及岩体内部的应力变化规律进行了深入研究。
　　随着计算机技术的高速发展，数值模拟方法在软弱岩体力学方面的研究越来越多。例如，大型离散元数值模拟商业软件UDEC和3DEC、连续介质有限差分力学分析软件FLAC和FLAC3D等，采用力学特性等效的方法模拟工程中的软弱破碎岩体，取得了较好的效果。软弱岩体力学研究中，大多采用数值模拟商业软件内置的Mohr-Coulomb模型和应变软化模型来研究矿山开采引起的采场与巷道矿山压力特征。一些学者[45，46]对岩层采用应变软化的力学模型时，通过定义黏聚力、内摩擦角与塑性变形的负相关关系，较好地模拟了岩石、岩体在达到强度极限后的力学性能弱化，以及呈现残余强度的力学行为。在软弱、破裂岩体中岩石完整性、裂隙产状和发育程度会直接影响岩体的力学性能，一些研究人员提出了岩体力学参数(尤其是弹性模量)与裂隙发育程度的关系[47-49]。Hoek等[50]提出了