深部软弱煤岩围岩变形及松动圈随时间演化规律研究

发布时间：2019-10-21 12:46

【摘要】：随着煤矿开采规模的增大,全国大部分矿区开采深度均超过800m,而深部巷道70%布置在软弱煤层中。与一般软岩巷道不同,由于埋置深、两帮煤体软弱松散破碎以及构造应力存在使帮部煤岩呈现大变形及强流变性,深部开采带来的难度及问题,已是我国煤炭行业不得不面对的问题,研究表明:深部岩石具有持续的强流变特性,表现为变形量大、持续时间长,即具有明显的时间效应。因此采用科学的研究方法对深部软弱煤岩的蠕变特性及其变化规律开展研究,对解决实际工程中与蠕变相关问题具有理论和工程双重价值。本文在综合分析国内外岩石蠕变试验及蠕变数值模拟的基础上,开展了以下研究并得出一些结论:(1)采用SD-20岩石蠕变仪对煤岩进行单轴分级加卸载蠕变压缩试验,并通过非线性拟合获取煤岩的蠕变参数。通过对煤岩单轴压缩蠕变试验曲线的分析,可以看到:在较低应力水平下,煤岩试件蠕变由初始蠕变阶段很快进入稳定蠕变阶段,当应力水平超过其屈服极限时,蠕变进入等速蠕变阶段,随着时间的增加,位移变形逐渐增大,若应变值超过其极限应变值时,试件将发生破坏。(2)采用有限差分软件FLAC3D选择摩尔-库伦扩展模型的CVISC蠕变模型模拟了不同条件下(不同应力、不同岩性、不同断面尺寸)深部软弱煤岩巷道表面蠕变变化规律。模拟结果表明:随着应力水平的提高,巷道顶板、底板及帮部的位移量逐渐增大,埋深较深的巷道表面垂直应力在一定时间内逐渐增大,增长速度先增大再减小,岩性越差的工况下,其变形量越大。蠕变变形是深部高应力巷道破坏的主要形式。(3)在巷道帮部水平某一方向上布置监测点,以位移梯度作为判断围岩蠕变阶段变化规律。研究结果表明:不同应力水平、不同断面尺寸、不同岩性条件下,巷道帮部水平方向围岩的位移梯度与松动圈大小是一一对应的,对于高应力、大断面及岩性差的巷道围岩达到蠕变稳定所需的时间较长,在不同的蠕变时间,当位移梯度为0.002时,此时巷道围岩的位移变化是处于等速蠕变阶段,通过位移梯度可以反映出巷道松动圈大小,当松动圈大小增加速度小于0.003m/d时,可以判别巷道松动圈发展基本处于稳定阶段。
【图文】：

数值模拟模型,网格划分,岩石蠕变,蠕变曲线

安徽建筑大学硕士学位论文插图清单图 1- 1 技术路线图................................................................................................ 6图 2- 1 岩石蠕变曲线............................................................................................ 7图 2- 2 不同颗粒直径岩石蠕变曲线.................................................................... 8图 2- 3 黏土质不同含水率下的蠕变曲线............................................................ 9图 2- 4 盐岩的单轴蠕变曲线.....................................................................................9图 2- 5 石灰岩在不同轴向压应力蠕变曲线..............................................................10图 2- 6 岩石蠕变类型曲线..................................................................................... 10

曲线,位移梯度,方向,曲线

安徽建筑大学硕士学位论文图 4-15 应力为 20MPa 时，黏聚力为 1.0MPa 时围岩位移分布图............................ 44图 4-16 不同岩性下巷道表面水平位移随蠕变时间变化曲线.....................................45图 4-17 不同岩性下巷道表面竖直位移随蠕变时间变化曲线.....................................45图 5- 1 巷道围岩受力示意图...................................................................................48图 5- 2 巷道围岩破碎区分析示意图........................................................................ 49图 5- 3 围岩松动圈示意图图 ............................................................................... 49图 5- 4 非均质围岩松动圈示意图............................................................................49图 5- 5 监测点布置示意图......................................................................................50图 5- 6 不同时刻 Aa 方向位移梯度随距离变化曲线（P=14MPa）............................51图 5- 7 Aa 方向松动圈范围及巷道表面位移随时间变化曲线（P=14MPa）...............51图 5- 8 不同时刻 Aa 方向位移梯度随距离变化曲线（P=16MPa）............................53
【学位授予单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD322

【参考文献】