深部巷道围岩应力壳时空演化特征与支护机理研究

发布时间：2020-09-17 16:28

　　本文基于矿山工程力学、岩石力学、井巷工程、软岩巷道支护等相关理论成果,综合运用现场调研、实验室试验、理论分析、数值模拟以及现场实测等研究方法,对深部巷道围岩应力壳时空演化特征及围岩控制机理进行了系统研究。开展了深部巷道围岩应力场、位移场、破坏场的实测研究,揭示了巷道围岩变形破坏受应力场演化特征的影响规律,构建了深部巷道弹塑性力学模型,获取了巷道围岩不同分区的应力分布规律,揭示了巷道围岩应力壳形成力学机制。基于巷道围岩应力壳力学形态和时空演化规律,以巷道围岩三维应力场、位移场及破坏场等特征参数为对象,研究了巷道掘进期间围岩应力壳力学特征及与位移场及破坏场的相互作用关系,揭示了深部巷道三维应力场时空演化特征;以理论分析及数值模拟为基础,揭示了巷道围岩应力壳与控制巷道围岩变形的内在联系,进而丰富了控制巷道围岩最小变形理论,分析了其力学机理,并进行了工程应用,旨在为科学合理进行深部巷道支护,实现围岩稳定控制提供理论支撑和参考。论文得出以下主要研究成果:1.研究了深部巷道掘进后围岩应力场分布特征,揭示了应力场演化是巷道围岩变形破坏的根源针对深部巷道围岩变形破坏严重的现状进行了围岩应力、位移及破坏的现场实测及室内岩石物理力学性能测试,揭示了深部巷道围岩应力场、位移场、破坏场的演化规律,并分析了应力场对位移场及破坏场的相互影响规律,主要结论如下:(1)深部巷道围岩主应力时间效应表现为:随时间增加,距巷道表面1m范围内巷道围岩最大主应力逐渐降低,2~7m范围围岩最大主应力呈现先增加至峰值再逐渐降低的变化规律,7m范围以外围岩最大主应力逐渐增加;空间效应表现为:近巷道表面围岩一定距离存在由最大主应力组成的高应力区,且随掘进距离的增大,巷道围岩主应力峰值点逐渐向巷道深部转移,近巷道表面围岩主应力逐渐降低。(2)在巷道围岩主应力逐渐向深部转移过程中,巷道围岩表面位移出现急剧变形、缓慢变形及流变变形三个阶段。受掘进施工影响,巷道围岩由三向应力状态转为二向应力状态,急剧变形阶段受围岩应力转移及释放影响最大,因此该阶段围岩变形最剧烈、变形速率最大;缓慢变形阶段围岩变形及速率相对减小;流变变形阶段围岩变形量及变形速率最小。(3)深部巷道围岩破坏形式以严重破碎、环向裂隙为主,距巷道掘进工作面越近,围岩发生塑性破坏范围越小,发生初始破坏的位置相对较深,围岩塑性破坏主要发生在高应力区以内,且深部破坏整体呈现向巷道后方范围逐渐增大的趋势。(4)基于室内力学试验测试,分析了深部巷道围岩物理力学特性,发现了深部巷道围岩岩性整体偏软,单轴抗压强度低于25MPa,为地质软岩范畴;三轴压缩试验表明,不同围压条件下,试件的应力-应变曲线发展趋势基本一致,随围压的增大,试件强度有所提高。2.揭示了巷道围岩应力壳形成力学机制采用理论分析的方法获取了巷道围岩不同变形破坏阶段围岩应力表达式,并基于开挖面空间效应分析了巷道围岩不同掘进距离及不同支护强度下围岩应力场的变化规律,进而揭示了巷道围岩应力壳形成力学机制。(1)建立了非均匀应力场下深部巷道变形破坏力学模型,基于岩石损伤理论构建了围岩应力-应变本构方程,将深部巷道围岩变形破坏划分为破裂区、塑性软化区、塑性硬化区及弹性区,并在考虑扩容机制的基础上获取了四个分区围岩应力解析解。(2)定义了巷道围岩应力壳成壳系数Q,其表达式如下:(?)当Q(27)0时,围岩切向应力小于1.2倍的原岩应力,表明围岩体处于应力壳之外;当Q(29)0时,表明围岩体处于应力升高区,即在应力壳范围。当Q(28)0时,表明巷道围岩应力为应力降低区和应力升高区的分界点,或应力升高区和原岩应力的分界点,即围岩应力壳的内边界和外边界。围岩应力壳存在于巷道围岩切向应力超出原岩应力20%的应力集中区域,该区域主要位于塑性硬化区,是巷道围岩的主要承载体,围岩应力壳外边界为弹性应力区,接近原岩应力,内边界为塑性软化区。应力壳承载了外侧大部分覆岩的重量,应力壳的存在是巷道围岩实现自稳的关键。(?)3.揭示了巷道围岩应力壳三维空间展布形态和时空演化特征基于巷道围岩应力壳力学形态和时空演化规律,以巷道围岩三维应力场、位移场及破坏场等特征参数为对象,对深部巷道围岩应力壳力学特征及其相互作用关系进行了研究,进一步揭示了深部巷道围岩应力壳的时空演化特征。(1)揭示了深部巷道围岩应力壳时空效应,即由高应力束组成的巷道围岩应力壳随推进距离增大逐渐呈现向巷道深部转移的规律,应力壳内、外边界向深部转移的同时,壳体厚度逐渐增大,受控于应力壳向围岩深部转移规律的影响,巷道围岩表面低应力区增大,围岩变形破坏增加。(2)发现深部巷道在变形过程中,围岩变形速率存在突变点,揭示了该突变点与巷道围岩应力壳的相关性,指出控制围岩变形的关键即为控制巷道围岩应力壳内边界不向巷道深部转移,保持巷道围岩应力壳的相对稳定,能减小被应力壳保护的低应力区发生变形破坏的趋势。(3)随埋深增加,巷道围岩应力壳向巷道深部转移的程度逐渐增大,一方面围岩主应力集中的范围逐渐扩大,另一方面最大主应力峰值逐渐在巷道顶板两肩角及底板位置出现。(4)受非均匀应力场作用,尤其是水平应力的不断增加,巷道围岩应力壳逐渐由水平椭圆形向垂直椭圆形转变,同时对巷道顶底板变形破坏产生较大影响。4.基于深部巷道围岩应力壳演化特征及位移变化规律,揭示了围岩变形速率突变是巷道围岩应力壳向深部转移进而造成深部巷道失稳破坏的关键力学参数,进一步完善了控制最小变形理念,指出其力学本质为控制巷道围岩变形速率的突变,并进行了现场应用(1)丰富了控制巷道围岩最小变形理念,即在巷道围岩应力壳保护范围内允许巷道围岩发生适量变形,并在巷道围岩变形速率发生突变之前,及时对巷道易先破坏部位进行加强支护,抑制变形破坏的扩展,适时对巷道顶帮围岩进行强化支护,同时对巷道底板进行支护加固,保证围岩应力壳不向巷道深部扩展,进而实现巷道长久安全稳定支护。(2)揭示了不同支护方案下巷道围岩应力壳演化特征及其与围岩位移场、破坏场的相互作用关系,对巷道表面围岩体提供适量的支护强度,可使巷道围岩主应力峰值向巷道表面转移,从而使巷道围岩体处于应力壳内边界保护范围内,并对该区域进行及时有效支护,可实现深部巷道围岩安全稳定支护。
【学位单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TD353;TD322
【部分图文】：

能源消费结构

1 引言1 引言意义生产结构中占 76%，石油占 9%，天然气多油少的特点，且能源消费结构中煤炭资源构如图 1.1 所示。国家关于《能源中中明确指出，我国仍将坚持以煤炭为主体能源战略。中国工程院关于《中国能源提出煤炭资源在相当长的时期内，仍将是此可以预测，在未来较长时间内煤炭作为的，具有不可代替性。

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图 1.3 煤炭资源储量与采深示意图Fig.1.3 Coal resources reserves and depth深部开采后，随埋深增加，巷道围岩所处地质条件劣化，受渗透压以及强烈开采扰动影响，逐渐呈现与浅部不同的变形形、长时蠕变、粘性流动等复杂力学特性。正是由于上述深性导致现有的巷道支护理论与技术方案如砌碹、金属支架等深部巷道的稳定控制[4, 5]，深部巷道仍存在众多失稳破坏、难影响到煤矿安全高效生产以及工人的生命安全。目前我国煤巷道已达上百万米，虽然众多专家学者在深部巷道围岩稳定成果[6-9]，但深部巷道支护机理仍需进一步研究，提出适用于理论和支护技术是实现深部煤炭资源安全高效采掘必须解决巷道力学特性复杂的根源为采深增加造成的绝对应力增大，深部巷道围岩一系列失稳问题，例如剧烈变形、严重破坏等丰富深部巷道围岩控制理论，本文从深部巷道围岩应力演化

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2 巷道围岩力学特性试验研究实测分析案布置大巷围岩变形破坏严重的特征，采用矿围岩体内部破裂进行观测分析，在巷道 32mm、长度 8m 的钻孔，通过钻孔成深部破坏实测方案如图 2.12 所示。成孔于后期钻孔呈现观测。具体方法是，用高屑为止。清洗过后，将钻孔电视探头慢岩破裂情况。

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