矿岩接触带巷道顶板变形破坏规律及稳定性评价研究

发布时间：2020-06-04 09:07

【摘要】：当巷道穿过矿岩接触带时,岩体应力平衡状态受到扰动,造成应力场重新分布。由于不同岩体应力场分布特征的差异,接触带两侧岩体产生不协调变形,导致巷道顶板变形破坏甚至失稳。因此,研究矿岩接触带巷道顶板应力场分布特征,掌握其变形破坏规律,是保障巷道安全稳定的基础。依托国家自然科学基金项目“接触带巷道非协调变形破坏机理及控制原理研究(51574183)”,采用理论分析、数值模拟、实验室试验和现场试验,对矿岩接触带巷道顶板变形破坏规律及稳定性评价开展了系统研究。开展矿岩接触带复合岩体试件单轴压缩声发射试验研究,获取基本力学参数,分析了相似材料强度比值、体积占比对复合岩体试件变形破坏的影响;基于复合岩体试件破坏情况,定义了裂纹长度扩展因子,以声发射事件计数变化进行验证,表征出复合岩体试件变形破坏的三种形态。采用轴对称问题圆柱坐标平衡微分方程,构建了复合岩体试件径向和环向应力关系式,计算了复合岩体试件接触面应力变化与弹性模量比值和接触面角度的关系。研究表明复合岩体试件接触面径向应力和环向应力随弹性模量比值的增大而减小,随接触面角度的增大而减小,为接触带巷道顶板变形破坏主要影响因素选取提供了依据。利用数值模拟方法,分析了矿岩强度差异、接触面角度及埋深等主控因素对矿岩接触带巷道围岩应力分布、顶板沉降变形及围岩塑性区分布的影响,揭示出矿岩接触带巷道顶板沉降变形沿走向具有明显的区域性特征。运用相似理论,构建了大冶铁矿矿岩接触带巷道物理相似模拟试验模型,设计了沿巷道走向与矿岩接触面对称布置应变位移计的监测方案,揭示出邻近巷道开挖增大了接触带巷道两侧岩体的不协调沉降变形程度。对大冶铁矿矿岩接触带巷道进行现场监测,发现接触带巷道大理岩侧顶板沉降量和沉降速率大于铁矿侧顶板沉降量和沉降速率。相似模拟和现场监测试验结果的一致性,验证了矿岩接触带巷道顶板沉降变形规律的可信性。对大冶铁矿接触带巷道进行现场调查和统计分析,归纳出矿岩接触带巷道顶板变形破坏的基本类型与特征。结合巷道开挖后岩体应力集中和转移的现象,基于剪应力强度理论,阐述了矿岩接触带巷道顶板岩体发生剪切破坏的演化机理。构建矿岩接触带巷道顶板岩梁力学模型,对矿岩接触带巷道顶板结构进行力学分析,推导了接触带巷道顶板沉降量表达式。研究揭示矿岩接触带巷道顶板变形破坏是剪切应力和压应力共同作用的结果,为矿岩接触带巷道顶板变形破坏规律提供了理论解释。针对接触带巷道稳定性评价的不确定性,基于未确知测度理论,进行接触带巷道稳定性评价指标分级,建立单指标测度函数,构建了接触带巷道稳定性未确知测度评价模型。以大冶铁矿尖林山矿岩接触带巷道为样本,运用所构建模型开展了稳定性评价,评价结果与矿山实际吻合。未确知测度评价模型对矿岩接触带巷道稳定性评价具有较好的适用性,为矿岩接触带巷道稳定性评价提供了新的思路。矿岩接触带复合岩体力学特征、巷道顶板沉降变形规律和基于未确知测度理论的巷道稳定性评价模型等关键问题的系统研究,有效揭示了矿岩接触带巷道顶板变形破坏规律,提出了适用于矿岩接触带巷道的稳定性评价方法,为矿岩接触带巷道顶板稳定性控制与治理提供了理论支撑和工程实践指导。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD322.1

【参考文献】