基于岩石裂纹损伤效应的巷帮破坏机理研究
发布时间：2020-07-27 17:53
【摘要】：近年来我国煤炭开采进入地层深部,地下巷道在开挖扰动条件下,巷道两帮围岩往往发生脆性破坏,因此研究采动条件下的围岩脆性与强度性质对于掌握巷帮的破坏机理具有重要意义。本论文采用理论分析、室内试验以及数值模拟等相结合的研究方法,分别针对岩石脆性评价、岩石裂纹特征应力、采动影响下岩石裂纹损伤以及本构模型进行了研究,揭示了巷帮围岩破坏机理,得到的主要研究成果如下:(1)基于岩石全应力应变曲线,提出了考虑岩石峰前能量耗散、峰后应力降、残余强度、残余应变等主要因素的脆性指数BIN计算方法,并通过不同种类岩石的压缩试验数据分析验证了其正确性,表明该脆性指数可以同时适用于岩石Class II曲线、应变软化、理想塑性、应变硬化等峰后曲线。根据提出的脆性指数BIN将岩石的脆性分为5类:脆性指数BIN≤0时为超高脆性岩石;0BIN≤0.20时为高脆性岩石;0.2BIN≤0.75时为脆性岩石;0.75BIN≤1.50时为低脆性岩石;BIN1.50时为超低脆性岩石。(2)基于岩石能量耗散理论,提出了能量耗散指数测量岩石裂纹特征应力的方法,研究表明岩石裂纹闭合应力阈值、裂纹起裂应力阈值随着岩石强度增大而略微减小,变化趋势不明显,岩石的裂纹损伤应力阈值随着UCS逐渐增大表现为明显的增长趋势;岩石的闭合应力阈值随着围压增大逐渐减小,损伤应力阈值随着围压增大逐渐增大,然而对于不同岩石的起裂应力阈值变化趋势却没有统一的变化规律。围压越大则岩石内部微裂纹的提前闭合程度就会越大,同时围压增大使得岩石裂纹在横向方向的扩展受到了抑制作用,导致裂纹非稳定扩展所需要的剪应力数值增大。(3)考虑采动影响下岩石裂纹损伤破坏机制,对岩石进行了循环加卸载三轴压缩室内试验,试验结果发现其应力应变曲线的峰后阶段主要为岩石Class I与Class II的组合曲线,砂岩能量分析结果表明最大耗散能处在峰值应力点之后,峰前阶段围压对能量耗散指数的影响较小,而在峰后阶段能量耗散指数随围压增大而增大;利用累计耗散能与总耗散能的比值定义了岩石裂纹损伤变量D,进一步表征了岩石内部裂纹扩展造成的损伤行为,在峰后阶段,围压越大,损伤变量随轴向应变的增加其增长速率变慢,在岩石峰前阶段获得了裂纹损伤变量的函数表达式。(4)将岩石峰前裂纹损伤变量Dpre引入到CWFS模型,建立了考虑裂纹损伤效应的D-CWFS本构模型,预测了粘聚力与内摩擦角非同步达到临界值的变化规律,分别建立了岩石粘聚力、内摩擦角与塑性剪应变的函数表达式,更加真实地反映了岩石的变形破坏特征;基于FLAC3D二次开发程序端口,成功编译D-CWFS本构模型,实现其在FLAC3D软件中的封装调用,其三轴压缩数值模拟结果与试验数据结果相一致,表明了D-CWFS模型的合理性及二次开发的正确性。(5)通过分别针对煤巷和岩巷帮部围岩破坏特征进行现场调研,从工程角度发现了巷道帮部煤岩的渐进破坏模式及破坏过程,采用开发的D-CWFS本构模型对巷帮破坏的不同影响因素开展数值模拟研究,模拟结果表明巷道高宽比、侧压力系数、围岩内摩擦角及粘聚力对巷帮的变形破坏规律具有重要的影响作用,同时对大台煤矿岩石巷道进行了支护设计优化,开挖支护后巷帮围岩完整性较好,无明显破裂,巷帮围岩支护控制效果良好。
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD313
【图文】：
本论文在充分查阅国内外相关研究文献的基础上，采用现场调研、室内试验、逡逑理论分析及数值模拟等相结合的研宄方法，开展上述的主要研究内容，其技术路线逡逑如图１．２所示。逡逑Ｉ逦￣？岩石脆性指数计算方法逦！逡逑｜逦、逦理论＋试验逡逑｜岩石苎§评价逦？岩石全应力应变曲线特征逡逑１１逦方法逦＿逡逑＊邋Ｉ逦｜逦￣？岩石脆性分类标准逡逑岩｜逦￣？裂纹特征应力测量方法研究Ｉ逡逑Ｓ逦！岩石裂纹特征应理论＋试验逦丨丨逡逑｜逦｜力测量方法逦＾岩石强度对特征应力的影喊，逡逑损！逦｜逦Ｉ￣？围压对特征应力的影响逡逑伤逦%煎危慑义闲у窝芳有对厝嵫顾跏匝殄危慑义嫌﹀尾啥跋煜卵沂砺郏㈠斡省霭毓室啵危卞义系模杀湫纹苹担海唬哄五五危磕芰垦莼⑺鹕吮淞垮义舷铮慑危妫掊危
本文编号：2772167
【学位授予单位】：山东科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD313
【图文】：
本论文在充分查阅国内外相关研究文献的基础上，采用现场调研、室内试验、逡逑理论分析及数值模拟等相结合的研宄方法，开展上述的主要研究内容，其技术路线逡逑如图１．２所示。逡逑Ｉ逦￣？岩石脆性指数计算方法逦！逡逑｜逦、逦理论＋试验逡逑｜岩石苎§评价逦？岩石全应力应变曲线特征逡逑１１逦方法逦＿逡逑＊邋Ｉ逦｜逦￣？岩石脆性分类标准逡逑岩｜逦￣？裂纹特征应力测量方法研究Ｉ逡逑Ｓ逦！岩石裂纹特征应理论＋试验逦丨丨逡逑｜逦｜力测量方法逦＾岩石强度对特征应力的影喊，逡逑损！逦｜逦Ｉ￣？围压对特征应力的影响逡逑伤逦%煎危慑义闲у窝芳有对厝嵫顾跏匝殄危慑义嫌﹀尾啥跋煜卵沂砺郏㈠斡省霭毓室啵危卞义系模杀湫纹苹担海唬哄五五危磕芰垦莼⑺鹕吮淞垮义舷铮慑危妫掊危
本文编号：2772167
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