收藏本站
《中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

深部巷道破裂岩体块系介质模型及工程应用研究

卢兴利  
【摘要】: 当前,随着我国国民经济的迅速发展,水利、交通、冶金、煤炭等各行业地下工程的规模和深度均呈增大趋势,特别是煤炭行业,矿井开采深度正在逐年增加。深部岩体处于复杂的地质环境中,高地应力、高地温、高渗透压以及强时间效应,使得深部岩体的组织结构、基本行为特征和工程响应与浅部岩体相比均发生了根本性变化。在这些因素共同作用下,即使是在浅部表现为坚硬稳定的岩体,在深部一般也会表现出显著的软岩特征,且由于存在着高赋存地应力和围岩体低强度之间的突出矛盾,深部地下工程开挖后造成的应力集中和应力重分布将导致很大范围内的岩体进入峰后破裂状态,而且这个过程中也往往伴随着破裂围岩的非线性大变形。 本文针对煤矿深部巷道围岩普遍处于破裂状态,且表现出强烈非线性大变形的特点,采用能够表征破裂岩体几何非连续性特征以及模拟巷道围岩大变形的非连续介质方法,提出一种深部巷道破裂岩体块系介质模型,并以此为出发点,在系统科学思想指导下,采用试验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,分别进行了岩石块体力学特性研究、岩块间胶结界面力学特性研究以及硐室周边破裂岩体结构特征模拟方法研究。最后,综合集成上述研究成果,将所提出的深部巷道破裂岩体块系介质模型应用于淮南矿区顾北煤矿-648m水平南翼回风大巷的围岩稳定性分析中。概括来讲,本论文的主要研究内容如下: 1)基于淮南矿区顾北煤矿深埋段砂岩常规三轴压缩以及峰前卸围压试验的结果,从变形、强度、破坏等不同角度对砂岩在不同应力路径下的变形和强度特征进行了较为系统的分析,获得了岩石基本力学特性,并揭示了岩石扩容—碎胀变形破坏机理,明确了岩石峰后碎胀变形是导致破裂围岩非线性大变形的主要原因。 2)在前述试验基础上,研究了各特征应力值(裂纹闭合应力σcc、初始扩容应力σci、损伤扩容应力σcd、以及峰值应力σf)随围压变化的演化特征,提出了经验的砂岩进入峰前损伤扩容与峰后碎胀变形的临界条件准则,并考虑岩石峰前非弹性变形特点及卸荷过程中力学参数(粘聚力、内摩擦角、膨胀角)的损伤劣化过程,建立了反映深部岩石峰前损伤扩容与峰后破裂碎胀变形的渐近破坏本构模型,进而推导了本构模型的增量迭代格式,并在离散元数值分析软件UDEC中进行了数值实现以及模型验证,证明了该模型的有效性。 3)基于经典的弹塑性理论,以块体接触界面抗拉、抗剪屈服函数为屈服准则,且考虑块体接触界面屈服破坏后粘聚力、抗拉强度的渐近软化,建立了块体胶结界面弹塑性本构模型,并推导了上述本构模型的增量迭代格式,进而采用VC++语言编制了相应的自定义本构模型,将其嵌入到离散元软件UDEC中,最后通过数值直剪试验,证明了此嵌入的数值本构模型与UDEC中内置的含残余强度的Coulomb滑移模型模拟结果的优越性。 4)针对深部巷道地下硐室周边破裂岩体结构特征及动态力学行为,结合Voronoi图的多样性,提出Voronoi离散块体模型,指出了该模型的特点,并借鉴PFC2D软件中微观力学参数的获取方法,研究了其微观力学参数的校准方法,同时对各微观力学参数变化对材料宏观特性(主要指弹性模量及抗压强度)的影响进行了敏感性分析,进而得到了各微观力学参数的取值原则。 5)以淮南矿区顾北煤矿-648m水平南翼回风大巷为工程实例,在前述对岩石变形破坏机理认识以及提出的岩石扩容—碎胀渐近本构模型、块体胶结界面本构模型以及Voronoi离散块体模型基础上,主要集中于开展深部巷道围岩破裂演化规律及开挖支护对策的研究工作。首先根据巷道所处工程区的地质条件建立相应的计算模型,并根据室内岩石物理试验结果,通过双轴数值试验校准确定相应的微观力学参数取值,进而从工程应用的角度系统地从位移矢量场、主应力矢量场、塑性屈服区以及破裂损伤区分布及其深度和大小等不同角度分析和总结了围岩体破裂演化规律和特征,并据此提出“分步联合支护”的设计方案,最后通过数值仿真分析和现场支护试验研究,从理论和实践上验证研究了该支护方案的有效性,这些问题的研究为深部破裂岩体中巷道工程的科学设计和安全施工提供了科学依据。
【学位授予单位】:中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所)
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TD32

【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 乔正;千米深井巷道群稳定性研究[D];山东科技大学;2011年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 方德平;汪浩;;考虑岩石脆—塑性过渡特性的地下洞室受力分析[J];地下空间;1991年01期
2 刘维国;单钰铭;傅荣华;;岩石扩容过程中的体积应变与超声横波速度[J];成都理工大学学报(自然科学版);2006年04期
3 徐林生,王兰生;岩爆形成机理研究[J];重庆大学学报(自然科学版);2001年02期
4 沈满德;余圣甫;王宁;;蒙特卡罗法模拟晶粒生长过程中的Voronoi模型[J];机械工程材料;2006年03期
5 黄勇,周志芳;岩体渗流模拟的二维随机裂隙网络模型[J];河海大学学报(自然科学版);2004年01期
6 邓钦;李建林;张志刚;;卸荷岩体力学的研究与发展[J];黑龙江水专学报;2006年02期
7 方德平;;岩石应变软化的有限元计算[J];华侨大学学报(自然科学版);1991年02期
8 石根华;岩体稳定分析的赤平投影方法[J];中国科学;1977年03期
9 陈顒,姚孝新,耿乃光;应力途径、岩石的强度和体积膨胀[J];中国科学;1979年11期
10 曹文贵,速宝玉;岩体蠕变大变形有限元分析及其在金川矿的应用[J];矿冶工程;1999年03期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 钱七虎;;非线性岩石力学的新进展——深部岩体力学的若干关键问题[A];第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2004年
中国博士学位论文全文数据库 前3条
1 尤春安;锚固系统应力传递机理理论及应用研究[D];山东科技大学;2004年
2 黄书岭;高应力下脆性岩石的力学模型与工程应用研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2008年
3 胡云华;高应力下花岗岩力学特性试验及本构模型研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2008年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 陈建峰,秦建庆,石振明,沈明荣;砂井地基沉降的二维有限元分析(二)——修正剑桥渗流耦合模型有限元及实例计算[J];四川建筑科学研究;2003年04期
2 蔡江东;考虑稠度状态时饱和粘性土自重应力计算方法[J];四川建筑科学研究;2003年04期
3 周亦唐,钟国强,俞进,赵惠敏,葛晓旭;塑料土工格栅加筋土结构的振动台试验研究[J];四川建筑科学研究;2004年02期
4 付志前;单向土工格栅加筋土的流变模型[J];四川建筑科学研究;2004年02期
5 马明江;某泵站边坡土质特性研究[J];四川建筑科学研究;2005年03期
6 郭艳华;郭志昆;;岩土工程反分析的初步探讨[J];四川建筑科学研究;2006年03期
7 吴怀忠;王汝恒;刘汉峰;郭文;初文荣;;围压和固结应力比对砂卵石土动力特性的影响[J];四川建筑科学研究;2006年05期
8 李月;刘立;李玉梅;张中兴;梁伟;;地基层状岩石纵波波速与密度相关性试验研究[J];四川建筑科学研究;2009年01期
9 聂重军;雷鸣;夏力农;;预应力混凝土管桩挤土效应理论分析[J];四川建筑科学研究;2009年02期
10 王平;刘东燕;黄海斌;雷用;;挡土墙安全系数的抗震可靠性分析[J];四川建筑科学研究;2010年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 刘连峰;左建平;柴能斌;李岳春;李方枢;;灰岩在卸荷三轴实验下的强度和变形破坏[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
2 齐德龙;殷磊;吕进国;许多;;钻孔窥视仪在围岩松动圈测试中的应用及探讨[A];北京力学会第18届学术年会论文集[C];2012年
3 张晓平;王思敬;韩庚友;张兵;;岩石单轴压缩条件下裂纹扩展试验研究——以片状岩石为例[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
4 秦四清;泮晓华;;地壳岩石剪切失稳的应力与应变准则[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
5 马超锋;李晓;成国文;赫建明;;大跨度公路隧道围岩动态分级的Bayes优化[A];中国科学院地质与地球物理研究所第11届(2011年度)学术年会论文集(中)[C];2012年
6 杨正权;刘小生;赵剑明;赵军强;陈宁;刘启旺;;深厚覆盖层场地地震反应分析研究[A];现代水利水电工程抗震防灾研究与进展(2011年)[C];2011年
7 武光辉;;复杂地质条件下煤巷锚网索支护参数优化[A];安全高效矿井安全保障技术——陕西省煤炭学会学术年会论文集(2011)[C];2011年
8 章仕灵;邵顺安;陈海兵;李先章;邓涛;;闽南风化凝灰熔岩强度特性的试验研究[A];运营安全与节能环保的隧道及地下空间建设第2届学术研讨会交流报告[C];2011年
9 李成刚;付小婷;王世澎;;人工岛回填砂土土动力特性试验研究[A];2011四川省水文、工程、环境地质学术交流会论文集[C];2011年
10 李明;梁力;刘冬霞;王伟;;珲春紫金矿尾矿坝安全稳定性计算[A];2010年第三届尾矿库安全运行技术高峰论坛论文集[C];2010年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 魏风清;煤与瓦斯突出的物理爆炸模型及预测指标研究[D];河南理工大学;2010年
2 赵同彬;深部岩石蠕变特性试验及锚固围岩变形机理研究[D];山东科技大学;2009年
3 陈绍杰;深部条带煤柱长期稳定性基础实验研究[D];山东科技大学;2009年
4 李伟;深部巷道围岩稳定性安全控制原理与应用研究[D];山东科技大学;2010年
5 张忠;固体炸药冲击起爆的物质点法研究[D];哈尔滨工程大学;2010年
6 杨敬源;井壁稳定性若干力学问题的研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
7 王猛;煤矿深部开采巷道围岩变形破坏特征试验研究及其控制技术[D];辽宁工程技术大学;2010年
8 何峰;岩石蠕变—渗流耦合作用规律研究[D];辽宁工程技术大学;2010年
9 李刚;水岩耦合作用下软岩巷道变形机理及其控制研究[D];辽宁工程技术大学;2009年
10 郭保华;循环加载下岩石裂隙变形与渗流的试验研究[D];河南理工大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 苏发强;新义煤矿三软煤层巷道围岩稳定与支护技术研究[D];河南理工大学;2010年
2 桑培淼;注水强化松软煤壁稳定性的规律及工艺参数研究[D];河南理工大学;2010年
3 呼庆华;近井筒开采引起覆岩移动变形破坏规律及其治理技术研究[D];河南理工大学;2010年
4 唐杰兵;平煤十一矿软岩破坏巷道修复治理研究[D];河南理工大学;2010年
5 尚群;赵庄矿3#煤层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度研究[D];河南理工大学;2010年
6 宋家勇;安林煤矿炮放面矿压显现规律及顶煤冒放性预测研究[D];河南理工大学;2010年
7 潘建武;含单一天然弱面岩石试样的力学特性研究[D];河南理工大学;2010年
8 李波;义安矿水力冲孔卸压增透消突技术研究[D];河南理工大学;2010年
9 刘根保;基于邓肯—张模型的垃圾土强度特性及边坡稳定性研究[D];南昌航空大学;2010年
10 何寿迎;黄岛LPG地下储库稳定性分析及支护设计优化[D];山东科技大学;2010年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 郑颖人,赵尚毅,张鲁渝;用有限元强度折减法进行边坡稳定分析[J];中国工程科学;2002年10期
2 王芝银,杨志法,王思敬;岩石力学位移反演分析回顾及进展[J];力学进展;1998年04期
3 李术才,朱维申,陈卫忠;小浪底地下洞室群施工顺序优化分析[J];煤炭学报;1996年04期
4 王学滨;剪胀对岩样全部变形特征的影响[J];四川大学学报(工程科学版);2005年05期
5 李术才,王渭明;大型洞室群不同开挖顺序围岩稳定效果分析[J];山东矿业学院学报;1997年02期
6 王民寿,杨兴国,谢培忠,张文仲;小湾水电站地下厂房施工期洞室群施工仿真模拟的研究[J];云南水力发电;2000年02期
7 陈宗基;;地下巷道长期稳定性的力学问题[J];岩石力学与工程学报;1982年01期
8 周维垣;岩体力学数值计算方法的现状与展望[J];岩石力学与工程学报;1993年01期
9 殷有泉,黄杰藩,王康平;房山大理岩本构性质的实验研究[J];岩石力学与工程学报;1993年03期
10 张玉祥,包四根;复杂地质体中地下硐室的施工优化与稳定性评价[J];岩石力学与工程学报;2000年06期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
1 何满潮;;深部开采工程岩石力学现状及其展望[A];第八次全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2004年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王德荣;李杰;钱七虎;;深部地下空间周围岩体性能研究浅探[J];地下空间与工程学报;2006年04期
2 汤雷,蒋金平;锚杆支护强度[J];地下空间;1997年02期
3 吴英华;;锚杆的握裹力分布与极限抗拔力的分析[J];北方交通大学学报;1988年02期
4 卢子兴;张家雷;王嵩;;各向异性随机泡沫模型的弹性性能分析[J];北京航空航天大学学报;2006年12期
5 高永涛,吴顺川,孙金海;预应力锚杆锚固段应力分布规律及应用[J];北京科技大学学报;2002年04期
6 刘维国,单钰铭,徐国盛,宋嘉;加温三轴试验中砂岩的微裂纹与横波速度[J];成都理工学院学报;1999年04期
7 刘维国,单钰铭,傅荣华,周家纪,常嗣和,苏金明;岩石扩容现象与超声横波特征参数相互关系研究评述[J];成都理工大学学报(自然科学版);2003年01期
8 刘树根,单钰铭,刘维国,刘舜化;地层条件下油气储集岩多参数同时测试技术[J];成都理工学院学报;1998年04期
9 丁秀丽,刘建,刘雄贞;三峡船闸区硬性结构面蠕变特性试验研究[J];长江科学院院报;2000年04期
10 徐林生,王兰生,李天斌;国内外岩爆研究现状综述[J];长江科学院院报;1999年04期
中国重要会议论文全文数据库 前2条
1 何满潮;钱七虎;;深部岩体力学研究进展[A];第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2006年
2 朱焕春;李浩;O'Conner C;;脆性岩体的高应力破坏与数值模拟[A];第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 韦立德;岩石力学损伤和流变本构模型研究[D];河海大学;2003年
2 张贵科;节理岩体正交各向异性等效力学参数与屈服准则研究及其工程应用[D];河海大学;2006年
3 袁海平;诱导条件下节理岩体流变断裂理论与应用研究[D];中南大学;2006年
4 苏国韶;高地应力下大型地下洞室群稳定性分析与智能优化研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2006年
5 张传庆;基于破坏接近度的岩石工程安全性评价方法的研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2006年
6 丁秀丽;岩体流变特性的试验研究及模型参数辨识[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2005年
7 张成良;深部岩体多场耦合分析及地下空间开挖卸荷研究[D];武汉理工大学;2007年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 王湘锋;锦屏二级水电站深埋特长引水隧洞岩爆模拟及预测研究[D];成都理工大学;2006年
2 景茂贵;拉西瓦水电站地下厂房洞群监测资料反演分析与稳定性评价研究[D];西安理工大学;2007年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 翟新献,李化敏,卢喜庸,闫德广;深部巷道围岩变形机理及对策[J];煤矿设计;1995年02期
2 闫福永;黄志勇;;深部巷道中锚喷支护的应用分析[J];中州煤炭;2007年06期
3 高富强;康红普;林健;;深部巷道围岩分区破裂化数值模拟[J];煤炭学报;2010年01期
4 李春睿;康立军;齐庆新;毛德兵;刘全明;李宏艳;彭永伟;;深部巷道围岩分区破裂与冲击地压关系初探[J];煤炭学报;2010年02期
5 周绍卿;深部巷道压力的观测与分析[J];河北煤炭;1980年00期
6 谈丛清;对徐州矿区深部巷道地压及其支护的浅析[J];江苏煤炭;1987年04期
7 余咏梅;“赵各庄矿深部巷道矿压与支护”通过技术鉴定[J];矿山压力与顶板管理;1996年01期
8 史廷春,陈森灿;TC_4钛合金高温锻造本构模型的实验研究[J];锻压技术;1999年03期
9 陈炳瑞,冯夏庭,丁梧秀,杨成祥;化学腐蚀下岩石应力应变进化神经网络本构模型[J];东北大学学报(自然科学版);2004年07期
10 李晓芳,杨晓翔;橡胶材料的超弹性本构模型[J];弹性体;2005年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 高政国;;基于颗粒排列组构特性的散体介质材料本构模型研究[A];中国力学学会学术大会'2009论文摘要集[C];2009年
2 夏旺民;郭增玉;;Q_1黄土的非线性弹性模型[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ册[C];2003年
3 高彦斌;朱合华;;土的宏观各向异性研究进展[A];2004年度上海市土力学与岩土工程学术年会论文集[C];2004年
4 张若棋;丁育青;汤文辉;;混凝土HJC、RHT本构模型的失效强度参数[A];第九届全国冲击动力学学术会议论文集(下册)[C];2009年
5 胡黎明;濮家骝;;土与结构物接触面特性研究[A];第七届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅲ卷)[C];1998年
6 陈沅江;潘长良;王文星;曹平;;用Hopfield神经网络辨识岩土流变本构模型[A];岩石力学新进展与西部开发中的岩土工程问题——中国岩石力学与工程学会第七次学术大会论文集[C];2002年
7 党秀英;刘军;江小平;陈太林;谭一鸣;;冲击荷载作用下土介质的本构模型[A];第十二届全国结构工程学术会议论文集第Ⅱ册[C];2003年
8 王志乔;高玉臣;兑关锁;;弹塑性大变形本构关系及应用[A];北京力学学会第12届学术年会论文摘要集[C];2006年
9 王连广;黄维平;王庆利;;型钢与轻骨料混凝土组合材料本构模型[A];中国钢协钢-混凝土组合结构协会第六次年会论文集(下册)[C];1997年
10 田小革;郑健龙;;沥青砼自适应本构模型[A];第八届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ卷)[C];1999年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 许宏勋;鹤煤三矿让科技成为发展“龙头”[N];中国矿业报;2010年
2 李家福马保恩;支护改革为陶阳矿撑起安全伞[N];经理日报;2007年
3 通讯员李静 记者耿梦济;攻克复杂条件下6个煤矿开采难题[N];中国煤炭报;2010年
4 宁建民;华丰矿支护新技术安全高效[N];经理日报;2007年
5 长沙理工大学;工程中的“癌症”被攻克[N];中国交通报;2007年
6 杨雄飞;面向机制的钢材开发[N];世界金属导报;2007年
7 王俊;创新拉出“唐口速度”[N];中国企业报;2009年
8 由航天航空学院郑泉水教授、黄克智院士完成 由材料系黄勇教授等完成 由计算机系张尧学教授等完成 由精仪系殷纯永教授与天津大学叶声华院士等合作完成 由航天航空学院过增元院士等与山东大学合作完成 由精仪系、精华同方光盘股份有限公司副研究员裴京等完成 由土木系聂国教授等与中南大学合作完成;我校2004年度国家科学技术奖部分获奖项目简介[N];新清华;2005年
9 安世亚态 马骏;航空CAE中的梁壳单元[N];中国航空报;2005年
10 宁建民;华丰煤矿开展灾害治理年活动[N];经理日报;2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 卢兴利;深部巷道破裂岩体块系介质模型及工程应用研究[D];中国科学院研究生院(武汉岩土力学研究所);2010年
2 王登科;含瓦斯煤岩本构模型与失稳规律研究[D];重庆大学;2009年
3 计三有;散体变形理论及挖掘过程动态仿真的研究[D];武汉理工大学;2002年
4 孙志刚;复合材料高精度宏-细观统一本构模型及其应用研究[D];南京航空航天大学;2005年
5 袁纳新;中密度纤维板粘弹性研究[D];华南农业大学;2004年
6 金旭;非饱和原状土土—水特征曲线及本构模型的研究[D];北京交通大学;2010年
7 李伟;深部巷道围岩稳定性安全控制原理与应用研究[D];山东科技大学;2010年
8 张宏建;IC10合金的力学性能试验及本构模型研究[D];南京航空航天大学;2009年
9 张军;深部巷道围岩破坏机理及支护对策研究[D];中国矿业大学(北京);2010年
10 庞小朝;深圳原状全风化花岗岩的试验和本构模型研究[D];中国铁道科学研究院;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 龚羊庆;加筋土结构本构模型研究[D];昆明理工大学;2005年
2 刘宇杰;金属材料的棘轮行为研究[D];西南交通大学;2004年
3 罗莉娅;四渡河悬索桥隧道锚围岩的蠕变研究[D];华中科技大学;2005年
4 黄羽立;FRP约束混凝土的分析与本构模型[D];清华大学;2005年
5 程达;型钢混凝土节点非线性有限元分析与组合加固技术应用[D];浙江大学;2006年
6 熊恩来;云南泥炭、泥炭质土的力学特性及本构模型研究[D];昆明理工大学;2005年
7 黎太平;黄土地区新老路基交接处不均匀沉降机理研究[D];长沙理工大学;2005年
8 方荣;温度周期变化作用下大理岩宏细观力学变形试验研究[D];河海大学;2006年
9 胡志华;面板堆石坝考虑蠕变的面板脱空问题的分析研究[D];河海大学;2006年
10 邓学峰;耐热铝合金(FVS0812)半球形件温成形的有限元分析[D];湖南大学;2006年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026