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深部节理岩体应变软化行为及围岩与支护结构相互作用研究

孙闯  
【摘要】:在深部开采工程中,节理岩体普通存在。由于深部节理岩体处于复杂、高应力的工程地质环境,深部围岩表现出的力学特性与浅部围岩相比往往具有很大的差异,深部巷道支护结构稳定性、围岩-支护相互作用关系等都已成为深部工程支护设计中面临的新难题,所以,深入了解深部节理岩体破坏过程中的非线性行为对于工程设计具有重要的指导意义。然而,由于深部节理岩体具有强烈的非均质性、各向异性,提出一个能够充分表达各类岩体非线性力学行为的本构模型是十分困难的,特别是反映节理岩体的峰值后行为(如应变软化及扩容行为等)更加困难。 针对以上问题,在前人研究成果的基础上,探讨了深部节理岩体的破坏机制及强度劣化特性;以Hoek-Brown准则为基础,将量化的GSI围岩评级系统与宏观连续介质理论之间建立联系,构建了深部节理岩体等效应变软化模型;以FLAC3D有限差分软件为工具,对比分析了不同本构模型条件下的深部巷道工作面空间约束效应;研究了不同GSI指标的深部围岩应变局部化特征;对非线性剪胀角模型进行改进,提出适用于深部节理岩体的非线性剪胀角模型;根据可缩性U型钢支架的受力特点,构建了可缩性U型钢支架的支护特征曲线;以节理岩体应变软化模型为基础,通过建立深埋巷道三维数值模型,计算围岩特征曲线与支护结构特征曲线,研究了节理岩体应变软化模型、非线性剪胀角模型对围岩-支护相互作用的影响,并得出以下重要结论: (1)构建了考虑围压影响的节理岩体等效应变软化模型,该模型可以较为合理的表达围岩应力释放过程中节理岩体强度逐渐劣化的过程; (2)通过对围岩-支护相互作用关系的计算可知,巷道在开挖过程中,无论是恒定(包括剪胀角为零)剪胀角还是非线性剪胀角模型,当距离工作面相同位置施作支护结构时,支护结构所承受的围岩压力基本相同,即岩体剪胀角对围岩空间约束效应影响很小; (3)构建的可缩性U型钢支架支护特征曲线,能够较为合理的反应U型钢支架的受力变形特点,围岩稳定性评价结果与现场实际情况相符,研究成果可为类似支护结构设计及稳定性验算提供参考; (4)将收敛-约束法应用于深埋水平巷道及竖井围岩稳定性评价中,结合现场应用情况可以看出,收敛-约束法能够较为客观的反映围岩-支护相互作用关系,能够直观的评价支护系统的稳定性,可以为类似矿山建设和开采设计提供参考。


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