考虑弹脆性损伤的深部巷道钻孔卸压控制围岩变形研究

发布时间：2020-09-08 07:45

　　由于我国煤炭开采技术的飞速进步,矿井开采规模日益增大,导致了煤层开采深度越来越深。我国的地质条件十分复杂,这就使得巷道的支护问题越来越严重,此类问题在深部巷道中尤为突出。受高地应力的影响,仅仅通过加强支护强度的支护手段是不能有效的控制巷道围岩的变形。钻孔卸压技术可以有效减少巷道周围岩体弹性能的积聚,控制巷道围岩变形。本论文以8204工作面下顺槽为研究原型,通过对巷道的地质条件、围岩破坏特征以及观测数据的分析,在现有的支护方法基础之上,提出采用钻孔卸压的方式来控制巷道围岩的变形。研究内容及结果如下:(1)考虑弹脆性损伤的双向不等压钻孔力学模型的建立考虑岩石的脆性特性,提出了一种非线性的岩石弹性损伤本构模型,并考虑双向不等压对钻孔围岩的影响,建立了卸压钻孔力学模型。基于岩石的非线性弹性损伤本构模型以及双向不等压的影响,得到了考虑岩石损伤与脆性特性的围岩应力和损伤区半径的解析表达式。并通过算例,分析了不同参数对钻孔围岩损伤区应力以及半径的影响。(2)提出钻孔合理间距的确定方法考虑巷道开挖形成的松动圈影响,将巷道围岩应力做为钻孔所受应力,代入式中求解得到钻孔围岩损伤区半径最大值,将其2倍值做为钻孔间距,使得孔与孔之间损伤区能够相连接,达到良好的卸压效果。改变了以往未考虑巷道开挖影响的钻孔间距确定方式。(3)不同参数钻孔对巷道围岩卸压效果的影响应用FLAC3D5.0数值模拟软件,针对不同参数钻孔对巷道围岩卸压效果的影响进行模拟。研究钻孔孔径、长度对卸压效果的影响,分析不同钻孔参数变化时岩体的应力应变场、塑性区分布,以及巷道围岩应力的转移效果,并研究不同侧压力系数对钻孔卸压效果的影响。为工程实践中选取合理的钻孔参数提供依据。
【学位单位】：山东科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD353;TD322
【部分图文】：

技术路线图,技术路线

图１．１技术路线逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ邋ｒｏｕｔｅ逡逑

力学模型,垂直应力

逡逑图２．１世界部分国家平均水平应力与垂直应力的比值随深度的变化规律逡逑Ｆｉｇ．邋２．１邋Ｔｈｅ邋ｃｈａｎｇｅ邋ｌａｗ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｒａｔｉｏ邋ｏｆ邋ａｖｅｒａｇｅ邋ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ａｎｄ邋ｖｅｒｔｉｃａｌ邋ｓｔｒｅｓｓ邋ｉｎ逡逑ｓｏｍｅ邋ｃｏｕｎｔｒｉｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗｏｒｌｄ邋ｗｉｔｈ邋ｄｅｐｔｈ逡逑考虑到实际中围岩应力场为双向不等压应力场，钻孔所处围岩双向应力的逡逑比值一般不等于１，建立双向不等压钻孔力学模型。逡逑Ｐｏ逡逑ＩＩ邋ｍｕ邋ｉｎ逡逑W 0国逡逑ＸＰｏ逦逦二逡逑ｉｔｉｔｔｍｉｔ逡逑Ｐｏ逡逑图２．２双向不等压钻孔力学模型逡逑Ｆｉｇ．邋２．２邋Ｔｈｅ邋ｄｒｉｌｌｉｎｇ邋ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ邋ｍｏｄｅｌ邋ｕｎｄｅｒ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｓｔｒｅｓｓｅｓ逡逑图中“表示钻孔半径，巧为原岩垂直应力，Ａ为侧压力系数。逡逑８邋１逡逑

曲线,应变关系,应力,基元

（ａ）直线拉伸应力－应变曲线逦（ｂ）压缩张拉应力应变曲线逡逑图２．３损伤基元应力－应变曲线［５＜）＿５１］逡逑Ｆｉｇ．邋２．３邋Ｓｔｒｅｓｓ邋ａｎｄ邋ｓｔｒａｉｎ邋ｃｕｒｖｅ邋ｏｆ邋ｄａｍａｇｅ邋ｅｌｅｍｅｎｔ＾５０＂５１１逡逑其中损伤变量定义如下：逡逑０逦（＾７邋＜邋）逡逑Ｄ＝＼＿＾逦（￡／＞￡７ｃ）逦（２３）逡逑￡／逡逑式中，＆为基元主拉应变，Ａ为强度残余系数，与损伤基元的断裂初性逡逑有关。逡逑４）邋一维弹脆性损伤模型逡逑周维垣［３３】等基于连续介质损伤力学理论，由岩体内部的微裂纹产生和扩展逡逑机理出发，提出了岩体的弹脆性损伤本构模型，给出了相应的损伤变量演化方逡逑程。下图所示为其在单轴压缩条件下的应力应变曲线。逡逑ａ逡逑＾逦８ｃ逦￡ｓ逦￡逡逑图２．４损伤模型应力？应变关系ｆ３３】逡逑Ｆｉｇ．邋２．４邋Ｓｔｒｅｓｓ－ｓｔｒａｉｎ邋ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ邋ｏｆ邋ｄａｍａｇｅ邋ｍｏｄｅｌ［３３］逡逑单轴压缩条件下的岩石一维损伤演化方程为：逡逑１０逡逑

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