刘力源等：高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 ,719 120 ▲P=l0MPa 根据图10挖后有效应力场分析可知，当最大 100 =12 MPa 14 MPa 有效水平主应力与最小有效水平主应力的比值大 =16 MPa Po=17 MPa 于3时，井壁将会在最大水平主应力方向产生拉 Upper limit 60 Lower limit 应力.图10(a)给出了最大水平主应力45MPa,最 小水平主应力为13MPa,孔隙水压为17MPa时， 40 井壁围岩损伤云图，可以清楚看到在最大水平主 20 。 应力方向产生了拉伸损伤区.围岩弹性模量云图 10 12 14 16 18 20 也表明最大水平主应力方向产生了弹性模量损 Pore pressure/MPa 伤，如图10(b)所示 图4孔隙水压力对竖井围岩损伤破裂区面积的影响 Fig.4 Effect of pore pressure on the damage zone of the shaft 4纱岭金矿建井地层流固损伤耦合效应讨论 压为17MPa保持不变，改变最小水平主应力的数值， 孔隙水压对深部围岩损伤破裂具有重要的影 开展不同应力场作用下围岩渗流损伤破坏分析 响，特别是渗流场与地应力场之间的耦合效应将 如图8所示，最大水平主应力保持不变，随着 会主导围岩损伤破裂形式及损伤破裂区形态.地 最小水平主应力的不断增大，围岩损伤破坏区面 应力相同的条件下，孔隙水压越大，围岩越容易发 积不断增大.由图9中可知，当最大水平主应力与 生损伤破裂；与此同时，孔隙水压梯度越大发生失 最小水平主应力数值相等时，井壁损伤破裂区沿 稳破坏的风险越高.因此，通过控制围岩渗透性以 环向扩展.最大水平主应力与最小水平主应力数 及孔隙水压梯度可以在一定程度上保障围岩的稳 值不同时，损伤破裂区沿垂直于最大水平主应力 定性 的方向扩展，且以剪切损伤破裂为主导 图11给出了运用水压致裂原位地应力测量技 Elastic modulus/MPa D 17.0 1.0 0.8 16.5 0.6 16.0 0.4 55 0.2 0 15.0 -0.2 14.5 0.4 0.6 14.0 0.8 -1.0 图5竖井围岩渗流场(a)及主应力与损伤破裂区(b)(o=45MPa,om=33.1MPa,Po=17MPa,P=l3.6MPa) Fig.5 Seepage field (a),principal stress and damage zone(b)of shaft(ou=45 MPa,op=33.1 MPa,Po=17 MPa,Pp=13.6 MPa) Elastic modulus/MPa D 17.0 1.0 (a) (b) 16.5 0. .6 16.0 0. 15.5 0 0 15.0 -0.2 14.5 0.4 -0.6 14.0 -0.8 -1.0 图6竖井围岩渗流场(a)及主应力与损伤破裂区(b)(a=45MPa,a=33.1MPa,P。=17MPa,P=5.1MPa) Fig.6 Seepage field (a),principal stress and damage zone (b)of shaft (ou=45 MPa,o,=33.1 MPa,Po=17 MPa,P=5.1 MPa)压为 17 MPa 保持不变，改变最小水平主应力的数值， 开展不同应力场作用下围岩渗流损伤破坏分析. 如图 8 所示，最大水平主应力保持不变，随着 最小水平主应力的不断增大，围岩损伤破坏区面 积不断增大. 由图 9 中可知，当最大水平主应力与 最小水平主应力数值相等时，井壁损伤破裂区沿 环向扩展. 最大水平主应力与最小水平主应力数 值不同时，损伤破裂区沿垂直于最大水平主应力 的方向扩展，且以剪切损伤破裂为主导. 根据图 10 挖后有效应力场分析可知，当最大 有效水平主应力与最小有效水平主应力的比值大 于 3 时，井壁将会在最大水平主应力方向产生拉 应力. 图 10（a）给出了最大水平主应力 45 MPa，最 小水平主应力为 13 MPa，孔隙水压为 17 MPa 时 ， 井壁围岩损伤云图，可以清楚看到在最大水平主 应力方向产生了拉伸损伤区. 围岩弹性模量云图 也表明最大水平主应力方向产生了弹性模量损 伤，如图 10（b）所示. 4    纱岭金矿建井地层流固损伤耦合效应讨论 孔隙水压对深部围岩损伤破裂具有重要的影 响，特别是渗流场与地应力场之间的耦合效应将 会主导围岩损伤破裂形式及损伤破裂区形态. 地 应力相同的条件下，孔隙水压越大，围岩越容易发 生损伤破裂；与此同时，孔隙水压梯度越大发生失 稳破坏的风险越高. 因此，通过控制围岩渗透性以 及孔隙水压梯度可以在一定程度上保障围岩的稳 定性. 图 11 给出了运用水压致裂原位地应力测量技 120 P0=10 MPa P0=12 MPa P0=14 MPa P0=16 MPa P0=17 MPa Upper limit Lower limit 100 80 60 40 20 0 8 10 12 14 Pore pressure/MPa Pore pressure gradient increases Area of damage zone/m2 16 18 20 图 4    孔隙水压力对竖井围岩损伤破裂区面积的影响 Fig.4    Effect of pore pressure on the damage zone of the shaft (a) (b) Elastic modulus/MPa D 17.0 16.5 16.0 15.5 15.0 14.5 14.0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 −0.2 −0.4 −0.6 −0.8 −1.0 图 5    竖井围岩渗流场（a）及主应力与损伤破裂区（b）（σH=45 MPa, σh=33.1 MPa, P0=17 MPa, Pb=13.6 MPa） Fig.5    Seepage field (a), principal stress and damage zone (b) of shaft (σH=45 MPa, σh=33.1 MPa, P0=17 MPa, Pb=13.6 MPa) (a) (b) Elastic modulus/MPa D 17.0 16.5 16.0 15.5 15.0 14.5 14.0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 −0.2 −0.4 −0.6 −0.8 −1.0 图 6    竖井围岩渗流场（a）及主应力与损伤破裂区（b）（σH=45 MPa, σh=33.1 MPa, P0=17 MPa, Pb=5.1 MPa） Fig.6    Seepage field (a), principal stress and damage zone (b) of shaft (σH=45 MPa, σh=33.1 MPa, P0=17 MPa, Pb=5.1 MPa) 刘力源等： 高渗透压和不对称围压作用下深竖井围岩损伤破裂机理 · 719 ·