工程科学学报.第44卷，第X期：1-10.2021年X月 Chinese Journal of Engineering,Vol.44,No.X:1-10,X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.09.003;http://cje.ustb.edu.cn 深部地下硐室与应力场轴变关系及其围岩损伤破裂分析 刘力源，2)，张乐1,2)，纪洪广12)区 1)北京科技大学土木与资源工程学院，北京1000832)北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京100083 区通信作者，E-mail:jihongguang@ces.ustb.edu.cn 摘要针对深部地下酮室与地应力场之间的轴变关系及其对酮室围岩损伤破裂的影响，建立了非均质围岩统计损伤力学 模型：分析了不同断面形状、地层侧压系数、构造应力场对酮室围岩损伤破裂的作用机制和影响规律，定义了地层临界侧压 系数；开展了三山岛金矿西岭矿区埋深20O0m地层酮室损伤破裂数值模拟，得到了该矿区深部地下硐室设计与布置原则.，研 究结果表明，“等应力轴比”情况下酮室围岩应力集中程度最小，损伤破裂区面积最小：地应力场是围岩损伤破裂的根本原 因，侧压系数越大，酮室顶、底板处应力峰值越大，围岩以拉伸破裂为主，围岩损伤破裂区面积随侧压系数增大呈指数性增 大：随着地层深度的增加，酮室临界侧压系数不断减小并趋近于1，深部地下酮室对水平构造应力更加敏感：构造应力场诱使 围岩损伤破裂程度增大，损伤破裂区向构造应力场围岩应力集中区转移，使得酮室围岩发生冒顶和岩爆风险升高.因此，深 部地下酮室的设计与布置应结合实际地应力条件，酮室轴向、断面形状、轴比尽可能符合地应力条件.从而最大程度降低地 应力场对酮室围岩损伤破裂及稳定性的不利影响 关键词深部地下酮室；应力场：轴变：岩石损伤破裂：数值模拟 分类号TD315 Mechanism analysis of rock damage and failure based on the relation between deep chamber axial variation and in situ stress fields LIU Li-yuan2,ZHANG Le2)JI Hong-guang2 1)School of Civil and Resource Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:jihongguang @ces.ustb.edu.cn ABSTRACT The demands for deep underground mining and construction are increasing with the continuing development of society and the economy.Deep underground chambers function as primary elements in deep underground mining and other subsurface facilities. Therefore,rational designs of such chambers would play a pivotal role in construction safety and economic efficiency.The primary goal of this study is to reveal the relation between the in situ stress field and axes of an elliptical cross section of an underground chamber. Based on the rock deformation and damage,a numerical model is developed to define the heterogeneous damage evolution near the chamber.In this parametric study,we characterized the damage evolution in response to the chamber's cross-sectional shape,lateral stress coefficient,and tectonic stress azimuth,thus introducing the critical lateral stress coefficient to define the chamber stability. Furthermore,a case study of a-2000 m chamber in the Sanshandao gold mine was conducted using the proposed model to optimize the shape,design,and location analysis of the underground mining chamber.Simulation outcomes show that the damaged area and stress concentration near the chamber are minimized when the axis ratio is equal to the lateral stress coefficient.The damaged area is 收稿日期：2021-04-09 基金项目：博士后创新人才支持计划资助项目(BX2021033):国家重点研发计划资助项目(2016Y℉C0600801):国家自然科学基金资助项目 (52004015):北京市自然科学基金资助项目(2204084)：中央高校基本科研业务费资助项目(FRF-TP.19-027A1,FRF-DRY-20-003)深部地下硐室与应力场轴变关系及其围岩损伤破裂分析 刘力源1,2)，张    乐1,2)，纪洪广1,2) 苣 1) 北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083    2) 北京科技大学城市地下空间工程北京市重点实验室，北京 100083 苣通信作者， E-mail: jihongguang@ces.ustb.edu.cn 摘    要    针对深部地下硐室与地应力场之间的轴变关系及其对硐室围岩损伤破裂的影响，建立了非均质围岩统计损伤力学 模型；分析了不同断面形状、地层侧压系数、构造应力场对硐室围岩损伤破裂的作用机制和影响规律，定义了地层临界侧压 系数；开展了三山岛金矿西岭矿区埋深 2000 m 地层硐室损伤破裂数值模拟，得到了该矿区深部地下硐室设计与布置原则. 研 究结果表明，“等应力轴比”情况下硐室围岩应力集中程度最小，损伤破裂区面积最小；地应力场是围岩损伤破裂的根本原 因，侧压系数越大，硐室顶、底板处应力峰值越大，围岩以拉伸破裂为主，围岩损伤破裂区面积随侧压系数增大呈指数性增 大；随着地层深度的增加，硐室临界侧压系数不断减小并趋近于 1，深部地下硐室对水平构造应力更加敏感；构造应力场诱使 围岩损伤破裂程度增大，损伤破裂区向构造应力场围岩应力集中区转移，使得硐室围岩发生冒顶和岩爆风险升高. 因此，深 部地下硐室的设计与布置应结合实际地应力条件，硐室轴向、断面形状、轴比尽可能符合地应力条件，从而最大程度降低地 应力场对硐室围岩损伤破裂及稳定性的不利影响. 关键词    深部地下硐室；应力场；轴变；岩石损伤破裂；数值模拟 分类号    TD315 Mechanism  analysis  of  rock  damage  and  failure  based  on  the  relation  between  deep chamber axial variation and in situ stress fields LIU Li-yuan1,2) ，ZHANG Le1,2) ，JI Hong-guang1,2) 苣 1) School of Civil and Resource Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 2) Beijing Key Laboratory of Urban Underground Space Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: jihongguang@ces.ustb.edu.cn ABSTRACT    The demands for deep underground mining and construction are increasing with the continuing development of society and the economy. Deep underground chambers function as primary elements in deep underground mining and other subsurface facilities. Therefore, rational designs of such chambers would play a pivotal role in construction safety and economic efficiency. The primary goal of this study is to reveal the relation between the in situ stress field and axes of an elliptical cross section of an underground chamber. Based on the rock deformation and damage, a numerical model is developed to define the heterogeneous damage evolution near the chamber. In this parametric study, we characterized the damage evolution in response to the chamber ’s cross-sectional shape, lateral stress  coefficient,  and  tectonic  stress  azimuth,  thus  introducing  the  critical  lateral  stress  coefficient  to  define  the  chamber  stability. Furthermore, a case study of a −2000 m chamber in the Sanshandao gold mine was conducted using the proposed model to optimize the shape, design, and location analysis of the underground mining chamber. Simulation outcomes show that the damaged area and stress concentration  near  the  chamber  are  minimized  when  the  axis  ratio  is  equal  to  the  lateral  stress  coefficient.  The  damaged  area  is 收稿日期: 2021−04−09 基金项目: 博士后创新人才支持计划资助项目（BX2021033）；国家重点研发计划资助项目（2016YFC0600801）；国家自然科学基金资助项目 （52004015）；北京市自然科学基金资助项目（2204084）；中央高校基本科研业务费资助项目（FRF-TP-19-027A1，FRF-IDRY-20-003） 工程科学学报，第 44 卷，第 X 期：1−10，2021 年 X 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 44, No. X: 1−10, X 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2021.04.09.003; http://cje.ustb.edu.cn