层状岩体深部巷道围岩稳定性监测预警物理模型实验

发布时间：2017-08-20 15:32

  本文关键词：层状岩体深部巷道围岩稳定性监测预警物理模型实验

  更多相关文章： 物理模型 巷道 恒阻锚杆 数值模拟 监测预警

【摘要】：本文针对深部巷道围岩稳定性监测预警科学问题,进行了室内物理模型实验与数值模拟研究。以恒阻大变形锚杆为原型,依据相似理论,研发了适用于室内物理模型实验的小型恒阻锚杆并应用于物理模型实验中,采用数字图像相关技术进行物理模型表面位移探测研究。进行了深部水平岩层与45°倾角岩层巷道加载条件下的变形破坏物理模型实验,分析巷道围岩变形破坏特征与位移与锚杆力学监测数据。在物理模型基础上,进行同条件下的多种岩层倾角深部巷道围岩稳定性数值模拟实验,得到深部层状岩体变形破坏规律和基于恒阻监测锚杆的深部层状岩体巷道变形破坏监测预警规律。首先以恒阻大变形锚杆为原型,参考工程现场锚杆支护参数,研发满足几何相似与力学相似的小型恒阻锚杆,并进行拉伸实验证明了设计的可行性。以大台矿为工程背景,利用因次分析法进行物理模型参数设计,确定了物理模型的几何参数、应变参数等,基于有限单元板法进行物理模型体的构建及应变片布置、巷道支护等,分别构建了水平岩层与45度岩层物理模型体,并预埋恒阻监测锚杆与普通监测锚杆,依据工程现场巷道地应力测量与计算结果、物理模型实验系统荷载集度及应力相似比,进行物理模型加载路径设计,探究深部巷道在支护条件下的超载变形破坏过程,在实验过程中,通过监测锚杆实时监测捕捉巷道变形破坏前兆信息。物理模型实验除采用预埋应变片与监测锚杆外,并采用非接触探测手段—数字图像技术进行大尺寸物理模型实验的表面位移探测,该技术可获取被测物理模型表面位移,并可获取预设监测点任意时刻的位移信息,在物理模型局部发生大变形时仍能持续探测,实现物理实验全过程位移数据的获取,较之常用的接触式位移与应变监测手段具有一定的优势。进行水平岩层物理模型实验结果分析,得到水平岩层物理模型巷道变形破坏特征,实验中水平加载应力方向与水平岩层层理面平行,层理间只有层间摩擦力抵抗水平应力的作用,因此在水平应力作用下水平岩层巷道极易产生滑动与挤压变形,当模型受较高水平应力作用时巷道顶板岩层沿节理面发生滑移与塑性变形,水平挤压作用导致顶板离层并造成顶板跨落。进行45度岩层物理模型实验结果分析,对其水平应变场、垂直应变场的演化特征分析得出物理模型的变形场演变特征,得到模型破坏阶段的应力加载情况,对巷道关键点进行位移、应变分析,得到巷道变形破坏特征。在45°岩层倾角物理模型实验中,模型巷道在逐级加载过程中其水平位移与竖向位移明显受岩层倾角影响,巷道顶板、两帮及底板岩层发生摩擦滑动损伤,巷道顶板靠近低帮及底板靠近高帮位置岩层摩擦损伤较明显,相应巷道变形破坏也主要发生在此区域。水平岩层与45°倾角岩层物理模型体中内置恒阻监测锚杆与普通监测锚杆,通过力学传感器对锚杆轴力进行实时监测,分析监测曲线发现普通锚杆在轴力达到其承载强度后随巷道变形破坏的进行迅速降低,锚杆体因不能随巷道岩体大变形而发生拉断破坏,恒阻锚杆达到其恒阻值后随实验的进行其轴力基本保持稳定直到巷道完全破坏,可见恒阻监测锚杆在巷道变形破坏过程中能够承受巷道大变形破坏,能够实现巷道变形破坏的全过程监测,而普通监测锚杆易发生拉断失效,难以实现巷道变形破坏全过程的监测预警。物理模型加载破坏全过程的恒阻监测锚杆监测曲线分析得到其监测曲线大致可划分为缓慢上升阶段—加速上升阶段,进行恒阻锚杆监测数据与相应位置位移监测数据对比分析,可得出巷道发生大变形与破坏前锚杆监测曲线处于加速上升阶段,锚杆受力上升到一定值后巷道发生变形破坏,可见锚杆监测曲线中加速上升阶段可作为巷道围岩失稳的监测预警阶段。不同岩层倾角的物理模型实验巷道围岩变形破坏特征不同,经水平岩层与45度岩层物理模型不同位置恒阻监测锚杆监测曲线分析发现监测效果受岩层倾角的影响很大,水平岩层巷道顶板部位恒阻监测锚杆监测效果良好,两帮监测数据效果较差；45°岩层巷道顶板靠近低帮部位锚杆与低帮部位锚杆监测效果良好,高帮部位及顶板靠近高帮部位监测效果较差。深部层状岩体的变形破坏受岩层倾角影响很大,相应的不同部位恒阻监测锚杆的监测效果也不尽相同,因此有必要进行多种岩层倾角的恒阻监测锚杆监测效果研究。以物理模型实验为基础,进行与物理模型相同模型几何尺寸、岩土体力学参数、加载路径等条件下的离散元数值模拟研究,数值模拟中通过改变岩层倾角用以研究不同岩层倾角模型在模型加载变形破坏过程中监测锚杆的力学变化,探究不同岩层倾角巷道围岩变形破坏下恒阻锚杆受力监测的特点。采用数值软件内置Global Reinforcement锚杆单元进行恒阻监测锚杆的模拟,建立与物理模型实验同条件的数值模型并进行计算,基于物理模拟结果进行数值模拟参数优化,在此基础上进行多种岩层角度的巷道加载破坏力学监测数值模拟研究。进行0°、15°、30°、45°、60°、75。、90°倾角岩层数值模拟实验,在数值模型中布置监测锚杆,经锚杆监测数据分析可得：水平岩层巷道在水平应力作用下巷道两帮发生向巷道内侧滑移,最终形成底鼓与顶板跨落,顶板锚杆力监测效果优于两帮锚杆。15°岩层倾角巷道巷道最先在顶板靠近低帮处与底板靠近高帮处发生过大变形及岩层沿层面滑移突出破坏,其顶板靠近低帮部位锚杆力监测效果较好。30°岩层倾角巷道在顶板靠近低帮部位及巷道低帮部位最先发生大变形与滑移破坏,顶板靠近低帮部位及低帮部位锚杆力监测效果较好。45°岩层倾角巷道在顶板靠近低帮部位及巷道高帮部位最先发生大变形破坏,顶板靠近低帮部位与高帮部位锚杆力监测效果较好。60°岩层倾角巷道在顶板靠近低帮部位及巷道高帮靠近底板部位最先发生大变形与破坏,顶板靠近低帮部位与高帮部位锚杆力监测效果较好。75。岩层巷道在顶板靠近低帮部位最先发生大变形与破坏,顶板靠近低帮部位锚杆力监测效果较好。基于恒阻大变形锚杆,设计出适用于室内物理模型实验的恒阻监测锚杆,并成功应用于深部层状巷道围岩稳定性监测预警物理模型实验,得到基于小型恒阻锚杆的轴力时间监测曲线。将数字图像位移技术应用于大尺度物理模型在加载下的大变形与破坏实验,得到物理模型变形破坏全过程的位移、应变场。通过深部巷道围岩加载下变形破坏物理模型实验,证明恒阻锚杆较普通锚杆更适用于深部巷道围岩稳定性的力学监测,总结出基于恒阻锚杆力学监测的监测预警前兆信息即监测曲线的持续加速上升。通过不同倾角岩层巷道数值模拟实验,进一步揭示深部层状巷道变形破坏特征,得到深部层状巷道在不同倾角条件下锚杆力学监测布置的合理部位。通过物理模型实验与数值模拟实验,利用研发的小型监测锚杆进行深部层状巷道围岩稳定性监测预警科学问题的研究,得到的结论为基于恒阻监测锚杆的巷道围岩稳定性监测预警系统的研发及工程应用提供了一定的参考与依据。
【关键词】：物理模型 巷道 恒阻锚杆 数值模拟 监测预警
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD326
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstrac:t7-14
• 第一章 引言14-26
• 1.1 研究背景与研究意义14-15
• 1.1.1 研究背景14-15
• 1.1.2 研究意义15
• 1.2 国内外研究现状15-22
• 1.2.1 巷道围岩失稳监测预警研究现状15-17
• 1.2.2 巷道围岩失稳物理模拟研究现状17-20
• 1.2.3 巷道围岩失稳数值模拟研究现状20-21
• 1.2.4 存在问题21-22
• 1.3 研究内容与技术路线22-24
• 1.3.1 研究内容22-23
• 1.3.2 技术路线23-24
• 1.4 本章小结24-26
• 第二章 巷道失稳监测预警物理模型实验26-40
• 2.1 工程概况26-27
• 2.2 实验系统27-29
• 2.3 实验参数29-33
• 2.3.1 相似理论29
• 2.3.2 因次分析29-31
• 2.3.3 相似系数31-33
• 2.4 物理模型33-36
• 2.4.1 模型体构建33-34
• 2.4.2 应变片布置34-36
• 2.5 加载设计36-38
• 2.6 本章小结38-40
• 第三章 模型实验监测技术40-54
• 3.1 恒阻大变形锚杆40-42
• 3.1.1 恒大变形锚杆简介40-41
• 3.1.2 恒阻大变形锚杆组成与力学特性41-42
• 3.2 实验监测锚杆42-47
• 3.2.1 实验监测锚杆设计与试验42-46
• 3.2.2 实验加固与监测锚杆布置46-47
• 3.3 维数字图像相关方法47-52
• 3.3.1 数字图像相关理论简介47-50
• 3.3.2 测量系统与流程50-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第四章 物理模型实验结果分析54-88
• 4.1 模型实验过程54-56
• 4.2 水平岩层实验结果56-71
• 4.2.1 模型加载进程56
• 4.2.2 模型变形场演化分析56-62
• 4.2.3 巷道关键点变形特征分析62-68
• 4.2.4 锚杆受力监测分析68-70
• 4.2.5 锚杆受力监测与巷道变形破坏对比分析70-71
• 4.3 45 度倾角岩层实验结果71-86
• 4.3.1 模型加载进程71-72
• 4.3.2 模型变形场演化分析72-77
• 4.3.3 巷道关键点变形特征分析77-83
• 4.3.4 锚杆受力监测分析83-85
• 4.3.5 锚杆受力监测与巷道变形破坏对比分析85-86
• 4.4 本章小结86-88
• 第五章 锚杆受力监测随岩层变化演化特征88-110
• 5.1 深部层状岩体模型构建88-94
• 5.1.1 模型条件89
• 5.1.2 恒阻大变形锚杆模拟89-94
• 5.2 不同岩层倾角数值模拟94-107
• 5.2.1 0度岩层数值模拟94-95
• 5.2.2 15度岩层数值模拟95-97
• 5.2.3 30度岩层数值模拟97-99
• 5.2.4 45度岩层数值模拟99-101
• 5.2.5 60度岩层数值模拟101-103
• 5.2.6 75度岩层数值模拟103-105
• 5.2.7 90度岩层数值模拟105-107
• 5.3 岩层倾角变化对监测预警结果影响107-109
• 5.4 本章小结109-110
• 第六章 结论与展望110-114
• 6.1 主要结论110-111
• 6.2 主要创新点111
• 6.3 研究展望111-114
• 参考文献114-124
• 致谢124-126
• 作者简介及攻读期成果126

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本文编号：707467