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基于概率统计的裂隙岩体注浆液扩散效应研究

王凡  
【摘要】:我国对于注浆技术的研究和应用相对较晚,50年代初期才开始起步发展,但经过40多年的研究发展,已在注浆技术方面取得了较大进展,特别是在水泥注浆材料的研制方面己步入世界先进水平的行列,注浆技术的应用领域也逐渐扩大,已遍及矿业、建筑、铁路和水利等多个领域。本文依托西卓煤矿中央回风立井项目开展裂隙岩体立井井筒注浆浆液扩散机理研究。首先,根据野外量测数据进行统计分析,计算出岩体裂隙各个几何参数的分布函数。以分布函数为基准生成满足模拟需要的几何特征参数,进行裂隙网络模拟。岩体经过长时间多次的地质作用,而变形和破坏,存在大量随机分布的裂隙。裂隙对岩体的力学性质和稳定性起着关键的机制作用。随机结构面二维网络模拟的研究对象是结构面的空间几何特征,首先简化结构面的几何形态,根据野外现场测量得到的结构面产状、间距、迹长等数据,利用统计学和概率论以及空间解析几何等方法,获得结构面几何参量的特征值及概率分布形式,利用蒙特卡洛模拟方法,构筑结构面在二维空间的组合形态,形成结构面二维网络模型。然后以损伤力学、断裂力学为理论依据,描述了流—固作用下岩体裂隙的损伤效应及裂纹损伤演化本构方程。由于FLAC3D数值模拟软件内置的本构模型在研究岩体裂隙损伤中具有局限性,因此利用Visual studio2005编制动态链接库来建立自定义裂纹损伤演化本构模型并顺利导入FLAC3D软件中,为后续研究打下基础。其次,在假定均匀光滑裂隙宽度针对立井井筒壁后注浆进行数值模拟,分析岩体裂隙的起裂、扩张直至贯通乃至岩体逐渐失稳破坏的原因,并对比在不同注浆压力下所引起的屈服破坏区域及裂纹起裂扩张区域,由数值分析可知,当注浆压力在1~3MPa时,劈裂作用不显著,浆液注入量难以保证,注浆效果不明显;当注浆压力增大到4MPa时,由于围岩裂隙发生劈裂,浆液可扩散到围岩深处,进而可有效加固围岩;若注浆压力增大至6MPa,围岩位移突变明显,且有失稳趋势。因此对于此类注浆,注浆压力宜控制在5-6MPa,注浆效果较好。再次,结合具体工程,对立井井筒的工作面预注浆进行数值模拟分析,计算出不同时间点固定测点扩散半径,结果表明,注浆压力在3MPa以下时,浆液难以注入;而当注浆压力增至6MPa时,围岩有失稳破坏趋势;注浆压力控制在4-5MPa以内时加固效果良好。最后,对用数值模拟结果所提出的改进性建议参数结合现场实例进行设计验算,计算表明其强度和稳定性均满足设计要求,再次验证了数值模拟结果的合理性。


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