随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭,深部开采已经成为常态。深部岩体在开采扰动下变形破坏行为极其复杂,同时不同开采方式对岩石的力学行为影响十分显著。掌握深部采动应力路径下岩石变形破坏机理是深部开采亟待解决的科学问题。基于此,本文以红砂岩为研究对象,利用TAW-2000电液伺服试验机进行了常规单轴、三轴压缩试验以及无煤柱、放顶煤、保护层三种采动应力路径下岩石的力学试验。分析了常规加载和不同开采方式下平均整旋角随应力、应变的演化规律;运用分形维数和分形块度研究了分形与岩石破裂面以及破坏强度的关系;结合弹性力学、岩石力学、连续介质力学、损伤力学建立了基于平均整旋角的本构关系。主要进展如下:(1)围压对红砂岩的变形、强度都有很大的影响。在围压比较低的情况下,红砂岩试样应变软化模量较小,脆性较强,随着围压的增大,红砂岩试样延性增强;轴向峰值应变、抗压强度、峰后残余强度与围压正相关;单轴压缩条件下试样破坏后以张拉裂纹为主,并且伴随着多条裂纹,随着围压增大,红砂岩逐渐呈现单一宏观剪切裂纹。(2)无煤柱开采方式下的应变软化模量最大,延性最强,放顶煤开采方式下的应变软化模量最小,脆性最强;放顶煤、保护层、无煤柱开采方式下的横向和体积变形依次增加,而轴向变形为保护层开采方式下最大,放顶煤开采方式下最小,放顶煤开采方式下的抗压强度最大,保护层次之,无煤柱最小;红砂岩试样裂纹与轴向应力方向夹角在无煤柱开采方式下最大,保护层开采方式下最小,不同开采方式下红砂岩试样的裂纹数量相较于常规压缩试验少。(3)红砂岩试样脆性破坏越强烈,其破裂面分形维数越小,最大横向变形和体积变形越小;无煤柱开采方式下的红砂岩试样破裂面分形维数最大,此时试样裂纹与轴向应力方向夹角最大;峰值强度越大,块度分形维数越高,破坏程度越大,更加剧烈,碎片更多,在相同初始围压下,无煤柱开采方式下的块度分形维数最大,保护层次之,放顶煤最小,块度分形维数越大,应变软化模量、横向和体积峰值变形也越大。(4)基于有限变形力学理论和平均整旋角,研究了采动应力路径下红砂岩的非线性变形特征。平均整旋角与应力、应变之间的斜率在第一加卸载阶段很大,进入弹性阶段前增速放缓,在第二加卸载阶段由于突然卸围压导致矿物颗粒之间的间隙迅速变大,使原有变形快速恢复,平均整旋角会急速回落,在之后的第二阶段和第三加卸载阶段,若弹性、屈服阶段的局部变形小于由于围压卸载恢复的局部变形,平均整旋角会增大,反之减小,直到试样开始出现裂纹并扩展,局部转动和变形快速增大,平均整旋角随之急速增大。进而建立了基于平均整旋角的本构方程,通过试验数据对比可知,本文建立的本构方程可以较好的描述采动应力路径下红砂岩的变形行为。