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《山东科技大学》 2009年 B论文
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深部岩石蠕变特性试验及锚固围岩变形机理研究

赵同彬  
【摘要】:随着煤炭开采逐步向深部发展,在复杂的应力环境下,深井围岩的流变特性将更加显著,矿山岩层支护控制难度大大增加。本文采用室内试验、理论分析、数值模拟研究为一体的方法,对加锚岩体的蠕变特性和锚固支护变形机理进行了研究。 应用RLJW-2000型流变试验机,对加锚前后的深井粉砂岩、红砂岩进行了室内长时蠕变试验。试验结果表明,加锚使岩石的蠕变应力阀值提高30%σc左右,且在各应力水平阶段蠕变量均得到明显控制;加锚后试件的长期强度增加了5%-10%σc破坏后仍具有一定的承载能力。 建立了加锚体的蠕变本构模型,推导出了加锚广义开尔文体(B-K)和加锚伯格斯体(B-B)的模型解答,从力学原理的角度说明了锚杆对岩体蠕变变形的控制机理。同时,进行了FLAC软件的二次开发,将2个新的锚固本构模型编译到可调用的动态链接库中,通过数值模型计算表明,锚固本构模型与FLAC锚杆单元作用效果比较相似,并且简化了计算工作量,大大提高了数值软件的运行效率。 自主设计了流变拉拔试验装置,在实验室内进行了大量的锚固系统拉拔流变试验,对锚杆与粘结材料界面、基体与粘结材料界面之间的剪应力分布情况进行了同步测试。试验结果表明,锚固界面剪应力分布不均匀,沿轴向呈先增后减的分布形式;两个界面之间的剪应力传递存在不同程度的衰减,但剪应力分布特征基本相近;在长期荷载作用下锚固界面应力的变化与时间相关,影响明显区域主要集中在锚固段的拉拔端和中部;界面失效是锚固系统破坏的主要类型。 提出了锚固界面剪应力传递时效性模式,将锚固系统的流变破坏分为粘弹、粘塑、粘脱三个特征阶段。通过试验监测发现,在长期受力状态下,锚杆端头位移经历了弱蠕变和强蠕变两个阶段,锚杆位移的强蠕变与锚固界面的粘脱阶段相对应。 较系统的进行了巷道长期稳定性预测研究,采用遗传算法开发了GA-FLAC反分析系统,实现了围岩流变参数的智能反演;采用遗传规划方法开发了GP模型分析系统,对锚固系统失稳破坏的非线性过程进行了模型识别。进化算法的应用提高了反演识别的准确性,从而使深井围岩流变失稳预测结果更加科学和客观。


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