深部洞室分区破裂机理与数值模拟分析研究

发布时间：2019-08-15 19:32

【摘要】：随着浅部资源的日益减少以及人类生活空间的逐渐拓展,许多在建和规划中的地下工程不断走向深部；目前国内外矿产资源开采的地下巷道、交通建设的地下隧道以及水电开发的地下洞室等都已达到了千米以上的深度。随着地下工程开挖深度的不断增加,深部岩体工程中出现了一系列新的特征科学现象,其中分区破裂是与浅部洞室破坏模式迥异的非线性破坏现象,并且依靠传统的连续介质力学理论无法给出圆满的解释。深部洞室分区破裂已成为当今岩土工程研究领域的热点和难点,因此深入研究分区破裂现象的产生条件、影响因素及形成机制,可为我国深部矿产资源的开发以及深部水电和交通工程的建设提供重要的科学依据,具有重要的理论意义和工程应用价值。本文以埋深达千米的淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,开展了多种工况下的高地应力真三维地质力学模型试验,系统研究了分区破裂现象的产生条件与影响因素；在地质力学模型试验研究的基础上,通过应变梯度理论和连续损伤力学建立了分区破裂弹性损伤软化模型和分区破裂能量损伤破坏准则,提出了依托ABAQUS平台的分区破裂数值分析方法,开展了多种工况下深部洞室分区破裂的数值模拟研究,有效揭示出分区破裂的形成机制与破坏机理。论文主要研究内容如下：(1)开展了高地应力条件下深部洞室多种工况的真三维地质力学模型试验,研究了洞室形状、应力条件和软弱夹层对深部洞室分区破裂形成过程的影响,揭示出分区破裂的产生条件与影响因素,观察到了围岩内间隔分布相对完整区和破裂区,测得了洞周径向位移、径向应变和应力波峰与波谷交替出现的振荡型变化规律。(2)分析了岩石应变局部化及峰后应变软化和分区破裂现象之间的关系,认为在分区破裂现象的研究中应该考虑应变梯度的影响；基于应变梯度理论和连续损伤力学建立了分区破裂弹性损伤软化模型：分析了岩石破坏与能量耗散之间的相关关系,根据应变能密度理论建立了分区破裂能量损伤破坏准则。(3)应用Hermite插值函数构建了可考虑应变梯度效应的8节点六面体高阶单元,推导了高阶单元的形函数及刚度矩阵,建立了依托ABAQUS平台的分区破裂数值分析方法,开发了相应的分区破裂程序并对分区破裂模型试验进行了数值模拟,数值模拟结果与模型试验基本吻合,有效证实了分区破裂弹性损伤软化模型和数值分析方法的可靠性。(4)通过模型试验、理论研究及数值分析,揭示出分区破裂的产生机理：最大主应力平行于洞轴方向且量值超过围岩抗压强度是产生分区破裂的基本条件;轴向高地应力作用下,洞周位移和应力呈现波峰与波谷交替的振荡型变化规律是产生分区破裂的力学成因。
【图文】：

（０）埋深邋９５７ｍ邋的邋Ｏｋ巧ａｂｒｓｋｉｌ邋矿井逦（６）埋深邋１０５０ｍ邋的邋Ｔａｌｍｙｒｓｋｉｉ邋矿井逡逑图１．２俄罗斯深部矿井中的分区破裂现象ｉｓｉ逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｚｏｎａｌ邋ｄｉｓｉｎ化ｇｒａｔｉｏｎ邋ｐｈｅｎｏｍｅｎａ邋ｏｆ邋ｄｅｅｐ邋ｍｉｎｅ邋ｉｎ邋Ｒｕｓｓｉａ邋霞逡逑１９７９年我国学者李世平Ｗ测试了徐州权台煤矿上万根铺杆的受力情况，发逡逑现有部分错杆内出现了拉压交替的现象。１９８７年鹿守敏和董芳庭［７１通过超声波逡逑观测到围岩内部的破裂区。刘高、王小春等Ｗ在地应力较高的金川矿区对围岩逡逑内的应力场做了监测，发现由洞壁至围岩深部的应力分布并不是单调变化的，逡逑出现了多处相对的应力增高区和降低区。方祖烈Ｗ也在金川矿区观测到了围岩逡逑内存在的拉应力区和压应力区交替分布的现象。上述这些监测现象在当时并没逡逑有与分区破裂现象联系起来，还不能作为分区破裂现象的直接证据。逡逑２００８年李术才、王汉鹏等在淮南矿区了集煤矿近千米深的不同断面尺寸逡逑的巷道中，通过钻孔电视系统监测了巷道围岩深处的破裂区分布情况，给出了逡逑巷道周围的分区破裂分布图，见图１．３。２００９年许宏发ｔｉｌｌ应用电阻率测定仪测逡逑试了Ｔ集煤矿深部巷道围岩内的电阻率变化曲线，并且与钻孔电视直接观测到逡逑的破裂区分布做了对比，，证实了分区破裂现象的存在。逡逑３逡逑

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【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU452

【参考文献】

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2 李春睿;康立军;齐庆新;毛德兵;刘全明;李宏艳;彭永伟;;深部巷道围岩分区破裂与冲击地压关系初探[J];煤炭学报;2010年02期

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本文编号：2527181