718 工程科学学报，第42卷，第6期 0 F1<0,F2<0 层孔隙水压Po取值范围为10~17MPa.P。为竖井 1- E0 F1=0, dF1>0 井壁孔隙水压，P。的取值范围为P。≤P。.竖井开 D= 83 (6) 挖后，竖井壁面孔隙水压减小，从而与远场孔隙水 1- Sc0 F2=0, dF2>0 压形成压力梯度场.如图4所示，相同孔隙水压条 件下，随着竖井壁面水力压梯度的增大，竖井围岩 式中和图中，Eo为单元初始弹性模量，ε为单元应 损伤破裂区不断增大.此外，随着孔隙水压的增 变，o为单元应力，61为第一主应变，为第三主应 大，竖井围岩损伤破裂区也不断增大 变，co为最大弹性拉伸应变，6r为残余拉伸强度对 如图5和6所示，围岩损伤破裂区与渗流场一 应拉伸应变，e0为最大弹性压缩应变，er为残余 一对应，由此可见围岩变形损伤过程与渗流场变 压缩强度对应压缩应变，人为单元拉伸强度，为 化密切相关.由图5(b)和6(b)可知，竖井开挖后 单元残余拉伸强度，人为单元压缩强度，为单元 在垂直于最大水平主应力的方向上，井壁产生以 残余压缩强度，n为损伤演化指数 剪切损伤为主的损伤破裂区.然而，流固耦合效应 2孔隙水压对损伤破裂行为的影响及分析 诱发井壁主应力场偏转，孔隙水压梯度较大时，竖 井围岩局部将会产生拉伸损伤区，如图6所示.竖 首先，对纱岭金矿-1477m至-1602m地层二 井井壁孔隙水压为5.1MPa时，渗流场孔隙水压梯 长花岗岩进行完整岩块岩石力学测试，获取二长 度较大，井壁孔隙水压为初始孔隙水压的30%， 花岗岩单轴抗压强度、拉伸强度和弹性模量等基 随着围岩的损伤演化，渗流场也随之演变.值得关 本力学参数.而后，通过岩体波速量化地质强度指 注的是，高地应力和高孔隙水压环境下，孔隙水压 标GSL,基于Hoke-Brown强度准则对二长花岗岩 梯度越大，竖井围岩失稳破坏的风险越高.孔隙水 岩块力学参数进行折减计算0，获得了工程尺度 压超过16MPa竖井围岩均具有发生失稳破坏的 岩体力学参数.通过计算得到了纱岭金矿-1477m 风险，且随着孔隙水压的增大，发生失稳破坏的孔 至-1602m地层岩体的基本力学参数，单轴抗压强 隙水压梯度阈值越低，即围岩整体失稳破坏风险 度为75.5MPa,拉伸强度为5.03MPa,岩体弹性模 越高 量为27.6GPa.借助于Weibull分布函数生成非均 围岩渗透率对竖井损伤破裂区面积具有重要 质岩体力学参数，岩体弹性模量的空间分布及概 影响.围岩渗透率越大，竖井井壁周围孔隙水压力 率密度如图3所示，其中非均质系数m的取值根 越小，井壁围岩损伤区面积越小.如图7所示，井 据岩石单轴压缩实验应力-应变曲线与数值模拟 壁损伤破裂区面积随渗透率增大而减小.当渗透 应力-应变曲线对比验证确定 率小于1.8×108m2时，竖井围岩孔隙水压力场几 纱岭金矿-1477m至-1602m地层地应力测量 乎不变，即围岩损伤破裂区面积不再变化. 结果表明，该地层最大水平主应力为45MPa,平均 3 应力场对损伤破裂行为的影响及分析 最小水平主应力为33.1MPa.在此地应力条件下， 开展孔隙水压对深竖井损伤破裂行为的研究.地 假定地层最大水平主应力为45MPa和孔隙水 Elastic modulus/GPa 0.16 (a (b) 35 0.14 0.10 号0.08 25 20 0.02 15 0 10 20304050 60 Elastic modulus/MPa 图3非均质系数为10时岩体弹性模量的空间分布.()岩石弹性模量空间分布：(b)岩石弹性模量概率密度 Fig.3 Distributions of the rock elastic modulus with the inhomogeneity index specified as 10:(a)spatial distribution of rock elastic modulus,(b) probalility density of rock elastic modulusD =    0 F1 < 0 , F2 < 0 1− ( εt0 ε3 )n F1 = 0 , dF1 > 0 1− ( εc0 ε1 )n F2 = 0 , dF2 > 0 （6） 式中和图中，E0 为单元初始弹性模量，ε 为单元应 变，σ 为单元应力，ε1 为第一主应变，ε3 为第三主应 变，εt0 为最大弹性拉伸应变，εtr 为残余拉伸强度对 应拉伸应变，εc0 为最大弹性压缩应变，εcr 为残余 压缩强度对应压缩应变，f t 为单元拉伸强度，f tr 为 单元残余拉伸强度，fc 为单元压缩强度，fcr 为单元 残余压缩强度，n 为损伤演化指数. 2    孔隙水压对损伤破裂行为的影响及分析 首先，对纱岭金矿−1477 m 至−1602 m 地层二 长花岗岩进行完整岩块岩石力学测试，获取二长 花岗岩单轴抗压强度、拉伸强度和弹性模量等基 本力学参数. 而后，通过岩体波速量化地质强度指 标 GSI，基于 Hoke-Brown 强度准则对二长花岗岩 岩块力学参数进行折减计算[30] ，获得了工程尺度 岩体力学参数. 通过计算得到了纱岭金矿−1477 m 至−1602 m 地层岩体的基本力学参数，单轴抗压强 度为 75.5 MPa，拉伸强度为 5.03 MPa，岩体弹性模 量为 27.6 GPa. 借助于 Weibull 分布函数生成非均 质岩体力学参数，岩体弹性模量的空间分布及概 率密度如图 3 所示，其中非均质系数 m 的取值根 据岩石单轴压缩实验应力‒应变曲线与数值模拟 应力‒应变曲线对比验证确定. 纱岭金矿−1477 m 至−1602 m 地层地应力测量 结果表明，该地层最大水平主应力为 45 MPa，平均 最小水平主应力为 33.1 MPa. 在此地应力条件下， 开展孔隙水压对深竖井损伤破裂行为的研究. 地 层孔隙水压 P0 取值范围为 10～17 MPa. Pb 为竖井 井壁孔隙水压，Pb 的取值范围为 Pb ≤ P0 . 竖井开 挖后，竖井壁面孔隙水压减小，从而与远场孔隙水 压形成压力梯度场. 如图 4 所示，相同孔隙水压条 件下，随着竖井壁面水力压梯度的增大，竖井围岩 损伤破裂区不断增大. 此外，随着孔隙水压的增 大，竖井围岩损伤破裂区也不断增大. 如图 5 和 6 所示，围岩损伤破裂区与渗流场一 一对应，由此可见围岩变形损伤过程与渗流场变 化密切相关. 由图 5（b）和 6（b）可知，竖井开挖后 在垂直于最大水平主应力的方向上，井壁产生以 剪切损伤为主的损伤破裂区. 然而，流固耦合效应 诱发井壁主应力场偏转，孔隙水压梯度较大时，竖 井围岩局部将会产生拉伸损伤区，如图 6 所示. 竖 井井壁孔隙水压为 5.1 MPa 时，渗流场孔隙水压梯 度较大，井壁孔隙水压为初始孔隙水压的 30%， 随着围岩的损伤演化，渗流场也随之演变. 值得关 注的是，高地应力和高孔隙水压环境下，孔隙水压 梯度越大，竖井围岩失稳破坏的风险越高. 孔隙水 压超过 16 MPa 竖井围岩均具有发生失稳破坏的 风险，且随着孔隙水压的增大，发生失稳破坏的孔 隙水压梯度阈值越低，即围岩整体失稳破坏风险 越高. 围岩渗透率对竖井损伤破裂区面积具有重要 影响. 围岩渗透率越大，竖井井壁周围孔隙水压力 越小，井壁围岩损伤区面积越小. 如图 7 所示，井 壁损伤破裂区面积随渗透率增大而减小. 当渗透 率小于 1.8×10−18 m 2 时，竖井围岩孔隙水压力场几 乎不变，即围岩损伤破裂区面积不再变化. 3    应力场对损伤破裂行为的影响及分析 假定地层最大水平主应力为 45 MPa 和孔隙水 (a) Elastic modulus/GPa 35 30 25 20 15 (b) 0.16 0.14 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0 10 20 30 Elastic modulus/MPa Probability density/MPa−1 40 50 60 图 3    非均质系数为 10 时岩体弹性模量的空间分布. （a）岩石弹性模量空间分布；（b）岩石弹性模量概率密度 Fig.3     Distributions  of  the  rock  elastic  modulus  with  the  inhomogeneity  index  specified  as  10:  (a)  spatial  distribution  of  rock  elastic  modulus;  (b) probalility density of rock elastic modulus · 718 · 工程科学学报，第 42 卷，第 6 期