深部软弱煤岩巷道松动变形随时间演化规律分析

发布时间：2017-09-27 03:00

  本文关键词：深部软弱煤岩巷道松动变形随时间演化规律分析

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【摘要】：随着煤矿开采强度的加大,浅部资源逐渐开采完毕,巷道开挖深度的不断增加,一大批煤矿已进入深部开采阶段,深部开采带来的难度及问题,已是我国煤炭行业不得不面对的问题,比如地温高、瓦斯量大、矿压大、支护困难等。煤岩作为一种岩性较弱的有机岩体,其对应力温度较为敏感,在深部条件下表现为强烈的流变变形特征。研究表明:深部岩石具有持续的强流变特性,表现为变形量大、持续时间长,即具有明显的时间效应。因此采用科学的研究方法对深部软弱煤岩的蠕变特性及其变化规律开展研究,确定松动圈范围随时间演化规律,对解决实际工程中与蠕变相关的问题具有理论和工程实际意义。本文在综合分析国内外岩石蠕变试验及蠕变数值模拟的基础上,开展了以下研究并得出一些结论:(1)采用SD-20岩石蠕变仪对煤岩进行单轴分级加卸载蠕变压缩试验,并通过非线性拟合获取煤岩的蠕变参数。通过对煤岩单轴压缩蠕变试验曲线的分析,可以看到:在较低应力水平下,煤岩试件蠕变由初始蠕变阶段很快进入稳定蠕变阶段,当应力水平超过其屈服极限时,蠕变进入等速蠕变阶段,随着时间的增加,应变值逐渐增大,若应变值超过其极限应变值时,试件将发生破坏。(2)采用有限差分软件FLAC3D选择应变软化/硬化模型结合Burger蠕变模型模拟了不同条件下(不同应力、不同断面形状)深部软弱煤岩巷道表面应力变形随蠕变时间变化规律。模拟结果表明:随着应力水平的提高,巷道顶板、底板及帮部的位移量逐渐增大,但增加幅度逐渐减小;在同一应力水平下巷道表面位移量总体表现出“帮部位移量大于顶板位移量大于底板位移量”的特点;埋深较深的巷道表面垂直应力在一定时间内逐渐增大,增长速度先增大再减小,并且出现垂直应力小幅减小的现象,即产生了应力松弛现象;断面形状对巷道变形影响较大,矩形巷道的顶底板及帮部位移量最大,直墙半圆拱次之,圆形巷道最小。(3)在巷道周边10个方向上布置监测点,以位移衰减快慢系数作为判断松动圈厚度的标准确定了不同应力下松动圈范围变化趋势。模拟结果表明:在较低应力水平下,巷道开挖初期,角部松动圈发展滞后于巷道帮部和顶底板,随着蠕变时间的增加,松动圈形状更加饱满,应力越大,松动圈形状越接近于圆形。
【关键词】：深部开采 单轴压缩蠕变试验 蠕变数值模拟 松动圈范围
【学位授予单位】：安徽建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD32
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-16
• 第一章 绪论16-23
• 1.1 研究背景及意义16-17
• 1.2 研究现状17-21
• 1.2.1 岩石蠕变试验力学特性研究现状17-19
• 1.2.2 巷道围岩蠕变模拟研究现状19-20
• 1.2.3 岩石蠕变力学模型研究现状20-21
• 1.3 研究内容21-22
• 1.4 技术路线图22-23
• 第二章 岩石蠕变理论研究23-37
• 2.1 岩石蠕变概述23-25
• 2.1.1 岩石蠕变的定义23-24
• 2.1.2 不同温度、应力条件下蠕变曲线24-25
• 2.2 岩石蠕变的类型25-26
• 2.3 岩石蠕变模型与本构方程26-34
• 2.3.1 线性粘弹塑性流变模型26-31
• 2.3.2 非线性粘弹塑性流变模型31-33
• 2.3.3 经验公式33-34
• 2.3.4 积分型本构方程34
• 2.4 岩石蠕变性质的影响因素34-36
• 2.5 本章小结36-37
• 第三章 深部煤岩物理力学参数测定与蠕变特性试验37-51
• 3.1 煤岩物理力学参数测定37-40
• 3.1.1 煤岩真密度测定38
• 3.1.2 煤岩弹性模量、泊松比测定38-40
• 3.2 煤岩单轴压缩蠕变特性试验40-50
• 3.2.1 试验装置40-41
• 3.2.2 试验方法与步骤41
• 3.2.3 蠕变试验数据的处理方法41-43
• 3.2.4 煤岩单轴蠕变试验43-49
• 3.2.5 煤岩蠕变模型参数的确定49-50
• 3.3 本章小结50-51
• 第四章 深部软弱煤岩巷道蠕变数值模拟51-69
• 4.1 FLAC3D软件简介51-55
• 4.1.1 FLAC3D软件特点51
• 4.1.2 FLAC3D计算基本原理51-53
• 4.1.3 FLAC3D内置模型53-54
• 4.1.4 FLAC3D软件分析流程54-55
• 4.2 数值建模55-56
• 4.2.1 数值模型建立的原则55
• 4.2.2 数值模型的建立55-56
• 4.3 数值模型计算与数据处理56-68
• 4.3.1 不同应力水平下巷道表面蠕变-时间曲线56-60
• 4.3.2 不同应力水平下巷道表面围岩应力分布—时间曲线60-66
• 4.3.3 不同断面形状巷道表面围岩位移—时间曲线66-68
• 4.4 本章小结68-69
• 第五章 深部软弱煤岩巷道松动圈分布随时间演化模拟分析69-91
• 5.1 松动圈理论69-71
• 5.1.1 围岩松动圈形成原因及物理状态69-70
• 5.1.2 围岩松动圈的性质70-71
• 5.2 数值计算模型的建立与监测点布置71-72
• 5.3 数值计算结果72-86
• 5.3.1 应力P=14MPa时，监测点位移衰减快慢系数及松动圈范围在不同蠕变时间下的变化分析72-77
• 5.3.2 应力P=18MPa时，，监测点位移衰减快慢系数期松动范围在不同蠕变时间下的变化分析77-81
• 5.3.3 应力P=20MPa时，监测点位移衰减快慢系数及松动圈范围在不同蠕变时间下的变化分析81-86
• 5.4 松动圈发展规律分析86-89
• 5.5 本章小结89-91
• 第六章 结论与展望91-93
• 6.1 结论91-92
• 6.2 展望92-93
• 致谢93-94
• 参考文献94-97
• 作者简介及读研期间主要科研成果97

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