软岩巷道围岩裂纹演化机制与大变形控制研究

【摘要】：随着煤炭开采深度不断增加,在复杂应力环境下不断出现破碎软岩巷道。这类巷道具有围岩裂纹发育、变形量较大、变形持续时间长及变形速度快的特征,有效控制该类巷道的变形已成为急需解决的问题。本文采用实验室试验、理论分析、数值模拟和现场试验的研究方法,以有效控制深部破碎软岩巷道大变形为研究目标,从裂纹演化角度研究了深部软岩巷道大变形机理,深入分析相关控制技术抑制巷道流变机制,提出了基于张拉锚固系统及深浅孔注浆的止裂减隙控制技术。(1)基于砂质泥岩单轴流变试验分析其流变特征,精准识别流变参数并分析各参数与流变特性的关系。依据摩尔库伦准则和砂质泥岩长短期强度关系,从内聚力变化入手分析块体强度与时间的关系,统计节理附近块体内不同时间屈服区域数,揭示节理强度与时间的关系,最终构建节理强度时变衰减流变模型并通过损伤特征和应变特征匹配验证了模型合理性。(2)基于校正后力学参数和节理强度时变衰减流变模型构建裂纹岩体模型,通过FISH语言和能量模块监测其在强度时变过程中裂纹扩展和能量演化规律,研究裂纹特征对岩体损伤破裂和储能能力的影响,揭示裂纹扩展过程导致岩石变形的内在影响机制。(3)基于小范围屈服准则和有效剪应力公式,研究了裂纹表面有效剪应力与其所处深度的关系,结果表明流变条件下随裂纹所处深度增加表面有效剪应力降低。从而导致围岩中裂纹具有浅部瞬时起裂和深部延时起裂的分区起裂特征。建立了锚固围岩裂纹尖端强度因子计算模型,解析得到了锚杆锚固长度范围内强度因子表达式,分析表明锚固后的裂纹尖端强度因子除了与裂纹自身特性相关外,还受到锚杆预紧力、锚固角度及裂纹位于锚杆锚固范围内位置的影响。(4)依据锚杆拉拔测试结果校正了UDEC中的Rockbolt单元参数,逆向使用岩石内聚力和裂纹产状间的关系建立了两种典型随机裂纹岩体。分析了锚固裂纹岩体的细观损伤和能量积聚耗散过程,验证了锚固结构预应力止裂效应。研究表明高预应力能够有效减小裂纹岩体变形量和损伤度,提高岩石储能极限,缩短长时大变形时间。(5)从工程尺度分析了巷道围岩位移、应力及裂纹演化规律,揭示了软岩巷道浅部围岩裂纹瞬时起裂和深部围岩裂纹延时起裂导致巷道持续大变形的流变特征。分析结果表明浅部裂纹瞬时起裂导致巷道围岩一次变形,深部裂纹延时起裂导致巷道二次长时大变形。(6)基于软岩巷道大变形特征提出了止裂减隙的支护理念。张拉锚杆和浅孔低压注浆抑制浅部裂纹起裂,减少了裂纹数量和扩展速度,降低了短时变形量和变形速度,提前了巷道变形稳定时间;深孔高压注浆填充裂纹增加岩体完整度,缩短了二次变形周期。工业性试验表明该种控制技术有效解决了深部破碎软岩巷道持续大变形问题。该论文有图169幅,表28个,参考文献220篇。