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软岩问题从20世纪60年代就作为世界性的难题被提了出来,一直是困扰生产和建设的重大难题之一,而研究的重点就是软岩的流变性。应力松弛作为软岩流变性的一个重要方面,故而越来越受到国内外学者的关注。但由于应力松弛实验的难度很大,目前国内外对应力松弛现象的研究大多仍然停留在理论方面。同时岩石流变学的研究尚不充分,以及软岩支护理论也不成熟,要形成一套完整成熟的硐室稳定性控制理论,尚需做大量的基础性工作。
利用SAW-2000微机控制电液伺服岩石实验机等仪器设备,对由华宁集团鑫安矿所取岩样制成的圆柱体试件进行一般力学性质实验,得到巷道围岩弹性模量、泊松比、内摩擦角等物理力学性质指标及岩石破坏的全应力-应变曲线。
对两组试件分别采用分级加载与分别加载的方式,进行单轴应力松弛实验。以西原模型为基础,研究单轴受力情况下,应变水平的变化对软岩应力松弛特性的影响。研究发现应变水平的提高能够降低软岩的应力松弛特性;松弛应力与初始应力的比值关于应变水平的关系式为:△σ/σ0=0.028×ε-0.8712;软岩力学性能参数随着应变水平不同发生变化,且塑性变形的发生对其变化影响显著。
采用一般力学性质实验所获得的一般力学性能参数,用ANSYS有限元软件,建立数值模型,进行单轴与三轴的应力松弛模拟,探讨了应变与围压变化对试件松弛特性的影响。发现随着应变的提高,应力松弛量与初始应力比值下降,但是下降趋势逐渐变缓;该比值与应变水平的关系可以用幂函数来表示:△σ/σ=0.446×ε-0.875;在低围压水平下(低于9MPa),随着围压的增大,应力松弛量会逐步增大,两者接近为线性关系,斜率平均0.0791,同时松弛应力与初始应力的比值关于围压呈线性关系,斜率水平很低,为-0.7×10-4,说明围压的增大能够增大材料应力松弛量,但对材料应力松弛特性的减弱不明显。
对华宁集团鑫安煤矿地下硐室进行布点观测,获得地下硐室的应力松弛数据,分析现场围岩应力松弛特性。研究发现巷道内存在明显的应力松弛现象,且应力松弛可划分为3个阶段:快速松弛阶段(平均为8.3天),减速松弛阶段(平均为48天),稳定松弛阶段。
结合实验室内的单轴应力松弛特性,应力松弛的数值模拟特性,以及地下硐室应力松弛特性,分析应力松弛作用对地下硐室稳定性破坏的机理,探讨以固定围岩变形为主的硐室围岩稳定性控制方法,为地下硐室的支护理论的发展提供基础性工作,促进硐室支护技术的发展。