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深部巷道围岩变形损伤机理及破裂演化规律研究

许国安  
【摘要】:随着煤炭开采深度的增加,巷道围岩的稳定性维护问题越来越突出,严重制约着矿井的安全、经济和高效发展。合理解决该问题的关键和首要任务是准确把握开挖等工程扰动引起巷道围岩变形破裂的机理及其演化规律,为下一步提出安全可靠、经济合理的支护技术方案提供理论依据。 本文结合国家自然科学基金项目(50674083)和教育部科学技术重点项目(106085),以平煤集团十二矿千米埋深的软岩巷道为工程背景,采用三维物理模拟、细观数值模拟和人工智能技术,对深部巷道掘进过程中围岩的变形破裂机理及演化规律进行研究。主要研究结果和结论如下: (1)研制了深部巷道围岩透明相似材料和配套的模型台架,以及模型加载和数据采集装置,满足了透明相似材料三维可视化模型试验的要求,同时将激光与夜光粉相结合改善了数字图形的采集质量;提出了采用正交数值试验与人工智能预测技术相结合的PFC模型参数确定方法,为快速确定合适的模型参数提供了一种科学高效的途径。 (2)分别采用透明相似材料物理模拟和PFC3D细观数值模拟的方法对深部巷道开挖过程中的围岩变形破裂过程进行研究,获得了巷道围岩的变形破裂演化规律:围岩的变形演化过程具有地震波的构成及传播特性,围岩的破裂形态具有明显的区域性特点。 (3)根据对巷道围岩变形破裂演化规律的分析,将振动波理论引入围岩变形破裂机理的研究,建立了巷道围岩的三维“弹簧—振子”结构模型,揭示了围岩变形破裂的损伤机理,阐述了各种变形破裂现象的内在原因,指出围岩的变形破裂形态取决于围岩阻尼、变形波的波长、以及应力状态和能量补给情况。 (4)针对围岩变形演化规律定量表达和预测难的问题,根据波的叠加原理将围岩变形波分解为静态初值与动态演化两个部分,利用人工智能技术研究开发了围岩变形演化规律的智能模拟和预测模型,分别对围岩变形的静态和动态演化规律进行定量表达和预测,为变形演化规律的定量表达与预测提供了一种简便而高效的方法。 本文研究成果为下一步采用理论解析法对围岩变形演化规律的深入研究指明了方向,对于准确掌握深部巷道围岩变形破裂的发展趋势以便于提前采取合理的应对措施从而避免相关地质灾害的发生具有较大的理论与现实意义。


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