高濕度環(huán)境下軟巖巷道時(shí)效性破壞的研究.pdf

1、隨著科技的進(jìn)步及煤炭資源條件的改變，國(guó)家對(duì)煤礦建設(shè)及安全生產(chǎn)提出了更高的要求。眾所周知，在水巖相互作用過程中，軟巖的物理力學(xué)性質(zhì)將發(fā)生很大的改變，再加之時(shí)間效應(yīng)的影響，水對(duì)軟巖造成的損傷有時(shí)比力學(xué)因素導(dǎo)致的損傷更為嚴(yán)重。因此，開展富水環(huán)境下軟巖巷道時(shí)效性變形的研究是十分必要的，不僅可以加深對(duì)水對(duì)軟巖力學(xué)性能如變形、破壞、強(qiáng)度，流變等力學(xué)特性影響的認(rèn)識(shí)，而且可對(duì)軟巖巷道時(shí)效性變形的形成機(jī)理進(jìn)行探究性的解釋，從而為確定軟巖巷道有效的支護(hù)方法

2、提供較為可靠的理論依據(jù)。
　　本論文以國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(NO.51174039)“水汽環(huán)境中的圍巖松動(dòng)圈形成機(jī)理與分析方法研究”及國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(NO.51004020)“水分遷移條件下巖石的時(shí)效變形損傷弱化機(jī)理研究”為依托，主要從兩個(gè)方面開展了富水環(huán)境下軟巖巷道破壞的時(shí)效性研究，一是在理論方面，建立了考慮水對(duì)流變參數(shù)弱化作用的變參數(shù)蠕變損傷本構(gòu)方程;二是在數(shù)值模擬方面，利用巖石破裂過程分析RFPA軟件模擬了

3、高濕度環(huán)境下矩形巷道時(shí)效性破壞過程以及工程中常見的巷道底鼓的現(xiàn)象，最后對(duì)圍巖松動(dòng)圈形成機(jī)理進(jìn)行了探討。全文主要研究成果如下:
　　(1)通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，歸納、概括了國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于水對(duì)軟巖的弱化作用在理論、物理實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬等方面的研究現(xiàn)況。
　　(2)在理論上，首先歸納總結(jié)了軟巖的力學(xué)特性及流變理論。其次，基于傳統(tǒng)的西原模型，引入與濕度有關(guān)的損傷變量D(w)以及與時(shí)間相關(guān)的損傷變量Dt，建立了考慮濕度效應(yīng)的軟巖變參數(shù)蠕變損

4、傷本構(gòu)方程。根據(jù)已有的單軸蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果，通過對(duì)相同應(yīng)力條件不同含水狀態(tài)和相同含水狀態(tài)不同應(yīng)力條件下的西原模型蠕變參數(shù)的反演，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，擬合曲線與試驗(yàn)曲線十分吻合，驗(yàn)證了該模型在反映軟巖的蠕變力學(xué)特性方面的合理性和正確性，并且該模型還可以較好的描述加速蠕變階段的流變過程。
　　(3)在數(shù)值模擬方面:
　　(a)利用濕度-應(yīng)力-損傷耦合模型，采用巖石破裂過程分析軟件，建立了三種層狀巖層矩形煤巷數(shù)值模型以及三種開采方式的矩形煤-

5、巖巷道數(shù)值模型，通過分析矩形巷道圍巖破壞過程及其時(shí)效性變形的特點(diǎn)，得到了矩形巷道圍巖在濕度場(chǎng)下破壞的演化規(guī)律。結(jié)果表明，在濕度場(chǎng)下，雖然矩形煤巷和煤-巖巷道在應(yīng)力分布和破壞范圍方面有所不同，相同的是，濕度對(duì)圍巖力學(xué)性質(zhì)的劣化與時(shí)間有關(guān)，因此圍巖變形具有時(shí)間效應(yīng)。在進(jìn)行巷道支護(hù)時(shí)，首先應(yīng)通過有效的防水措施，防止因水等因素造成的圍巖破壞，此外，巷道兩幫及強(qiáng)度較低的巖層以及臥底開挖的頂板巖層是重點(diǎn)支護(hù)的部位。
　　（b)根據(jù)已有的膨脹試

6、驗(yàn)反演出數(shù)值模擬所需的擴(kuò)散系數(shù)、膨脹系數(shù)、強(qiáng)度和彈性模量的折減系數(shù)等參數(shù)值，利用巖石破裂過程分析軟件，模擬了巷道底鼓的演化過程。結(jié)果表明巷道底鼓是一個(gè)時(shí)間歷程，在濕度向圍巖內(nèi)部擴(kuò)散的過程中，應(yīng)力集中的范圍也隨之?dāng)U大，當(dāng)圍巖強(qiáng)度弱化到小于圍巖集中應(yīng)力值時(shí)，破壞產(chǎn)生及巷道底板位移的急劇增加。
　　(c)基于細(xì)觀損傷數(shù)值分析方法，考慮巖體的非均勻特性，采用巖石破裂過程分析RFPA系統(tǒng)，再現(xiàn)了圍巖松動(dòng)圈形成過程，并根據(jù)巷道圍巖變形穩(wěn)定的時(shí)