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富水条件下泥岩巷道长时变形失稳机理研究

卫英豪  
【摘要】:富水条件下泥岩巷道长时变形失稳破坏已成为煤矿井巷安全控制亟需解决的问题之一。论文以芦岭煤矿﹣590西轨大巷变形破坏工程案例为背景,针对富水条件下泥质裂隙岩体长时变形问题,综合运用现场测试、理论分析、实验研究等方法,分析了不同矿物组分岩样水化过程中微观结构演变特征及泥质裂隙岩体中水化作用与渗流-应力耦合的相互影响机制,从微观层面揭示了富水条件下泥质裂隙岩体长时变形的力学机理;通过引入带应变触发的非线性粘性元件,改进已有流变模型,得到了适用于富水条件下泥质裂隙岩体长时变形的增量式本构方程。取得了如下创新成果:(1)岩石微观结构受其矿物组分、胶结状况、粒径分布、孔隙分布及细观非均匀性等因素综合影响。(2)水化作用对泥质裂隙岩体微观结构的改变主要表现为粘土矿物吸水发生膨胀、溶蚀和泥化效应,改变程度与其孔隙结构密切相关。(3)水化作用对泥质裂隙岩体复杂孔隙结构的改变趋势因其矿物组分不同而异;浸水导致泥质裂隙岩体某一孔径范围孔隙体积比例发生改变;泥质裂隙岩体渗透率K值同时受孔隙率n及孔径分布状况影响。(4)富水条件下,泥质裂隙岩体的长时变形是由于泥质裂隙岩体的流变特性受到渗流-应力耦合、水化作用以及二者相互影响的综合作用所致。泥质裂隙岩体的流变性是其长时变形的基础;水化作用与渗流-应力耦合相互关联、促进,水化作用依靠于泥质裂隙岩体的孔隙结构,又借助渗流-应力耦合导致孔隙结构产生新的改变,进而促进泥质裂隙岩体进一步水化;膨胀、溶蚀、泥化效应致使泥质裂隙岩体微观结构发生改变,宏观上表征为力学性能弱化(力学参数改变),致使相应的本构关系为一随水化程度而不断变化的方程;膨胀应力以及泥质裂隙岩体固体骨架结构形态的改变均会导致其有效应力发生改变。


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