考虑初始损伤效应的软岩巷道围岩时效变形损伤机理及控制对策研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 13次 | 上传用户:chinadyh
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随着煤炭资源开采逐步向深部发展,所面临的地质环境也变的更为复杂,巷道围岩体往往表现出大变形、持续流变等特征。特别地,对于开挖后围岩内具有一定初始损伤的岩体,在长期荷载作用下更易发生时效变形和破坏,给巷道支护和维护带来极大困难,给煤矿安全生产带来严峻的挑战。鉴于此,本文首先开展了考虑岩石初始损伤效应的蠕变试验,构建相应的蠕变损伤模型;然后,基于构建的蠕变损伤模型采用数值模拟的方法,分析了不同支护条件下考虑围岩初始损伤效应的软岩巷道时效变形规律及损伤演化特征;最后,设计新型具有柔性承载板的钻孔弹模仪用以现场测定围岩损伤区范围,并最终提出基于围岩损伤区定量测定的巷道动态支护设计方法。本文主要研究工作与成果如下:(1)对砂岩开展不同围压下,考虑初始损伤效应的蠕变试验,研究初始损伤以及围压对砂岩蠕变变形、蠕变速率和蠕变破坏应力的影响。结合扫描电镜SEM试验,获得不同条件下砂岩蠕变破坏时的断口形貌,从宏观和细观两个方面对砂岩蠕变损伤破裂机理进行了分析。(2)根据不同初始损伤状态下砂岩的蠕变试验结果,基于岩石蠕变理论对基本力学元件进行改进,基于损伤理论建立受初始损伤影响的蠕变损伤演化方程,最后提出了考虑初始损伤效应的非线性蠕变损伤力学模型,这一模型能够很好的反映出蠕变三阶段的特征,并且能够表示初始损伤对蠕变破坏应力阈值的影响。利用L-M非线性最小二乘法对模型参数进行辨识,验证了模型合理性。推导了蠕变损伤模型的差分形式,并将其嵌入FLAC3D中。(3)利用建立的非线性蠕变损伤模型,采用数值模拟对不同支护条件下考虑围岩初始损伤效应的软岩巷道时效变形特征及损伤演化规律进行分析,得到了不同支护结构对巷道长期稳定性的影响。针对高应力软岩巷道支护方法中的注浆加固技术,基于围岩时效变形损伤演化规律,对最佳注浆滞后时机和合理注浆范围进行了分析,并提出相应的建议。(4)为了定量评价开挖后围岩的损伤状态及损伤区范围,基于钻孔弹模测试技术,设计了具有柔性承载板的新型钻孔弹模仪,并对其测试原理进行理论分析,对其可靠性进行试验验证,结果表明所研发的新型钻孔弹模仪测试结果不需要修正,适应性强。结合钻孔弹模测试技术,提出以现场岩体弹性模量为基础的围岩损伤区定量评价方法,用以评价区域地质条件,在现场取得了较好的应用效果。(5)利用设计的新型钻孔弹模仪,并结合围岩损伤区定量评价方法,提出了基于围岩损伤区定量评价的动态支护设计方法,并在海孜煤矿开展了工程实践。现场支护效果表明,本文所提出的动态支护设计方法,能依据地质条件动态调控支护结构,有效控制软岩巷道围岩的稳定性。
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