弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖災(zāi)變機(jī)理及錨固效應(yīng)研究.pdf

1、弱膠結(jié)軟巖在我國西部分布非常廣泛，由于特殊的成巖環(huán)境和沉積過程，形成了極其不穩(wěn)定的力學(xué)行為:強(qiáng)度低、易風(fēng)化、遇水后極易軟化、崩解，開挖后巖質(zhì)迅速劣化，致使巷道大冒頂、高片幫、嚴(yán)重底臌等工程事故頻繁發(fā)生。所以，弱膠結(jié)軟巖工程災(zāi)變機(jī)理及防治問題是西部巖土工程建設(shè)中亟待解決的問題。本文以西部典型礦區(qū)弱膠結(jié)軟巖和煤巷為研究對象，綜合利用理論、實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬手段，對弱膠結(jié)圍巖的本構(gòu)關(guān)系、損傷機(jī)制、強(qiáng)度理論、災(zāi)變機(jī)理、錨固效應(yīng)等方面展開研究，主要研

2、究成果如下:
　　(1)弱膠結(jié)軟巖、煤樣的損傷行為及本構(gòu)關(guān)系。通過典型礦區(qū)弱膠結(jié)軟巖和煤樣的室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，分析了軟巖、煤樣在單軸和三軸壓縮下的破壞特征及損傷行為;建立了弱膠結(jié)軟巖的應(yīng)變軟化統(tǒng)計損傷本構(gòu)模型;在考慮峰后剛度劣化的基礎(chǔ)上，建立了弱膠結(jié)軟巖體的峰后強(qiáng)度演化方程，并將模型嵌入FLAC3D軟件進(jìn)行了數(shù)值分析。
　　(2)煤-巖組合體的等效強(qiáng)度準(zhǔn)則及界面效應(yīng)影響。采用變形能等效理論，建立了煤-巖組合體的等效模型，考慮煤、

3、巖交界面的粘結(jié)強(qiáng)度影響，基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則建立了煤、巖兩種不同介質(zhì)復(fù)合體的整體破壞準(zhǔn)則，結(jié)果表明，Jaeger提出的單一巖體“二維軟弱面滑動破壞理論”是本文模型的特殊情況;其次，建立了煤-巖界面附近兩體介質(zhì)的微元分析模型，給出了兩體在界面效應(yīng)下的應(yīng)力傳遞及派生應(yīng)力解析式，分析了兩體剛度比、界面傾角及應(yīng)力狀態(tài)水平對界面附近兩體強(qiáng)度的影響。
　　(3)不同界面效應(yīng)下煤-巖組合體破壞的強(qiáng)度和剛度關(guān)聯(lián)性分析?？紤]弱體在破

4、壞中的彈性能釋放和自身剛度影響，建立了煤-巖共同作用系統(tǒng)產(chǎn)生災(zāi)變（非穩(wěn)定破壞）的能量演化和剛度判斷準(zhǔn)則，結(jié)果表明利用本文模型得到的弱體產(chǎn)生非穩(wěn)定性破壞的災(zāi)變點(diǎn)比Cook提出的剛度判據(jù)結(jié)果要提前;根據(jù)煤、巖兩體不同界面狀態(tài)，建立了“一體兩介質(zhì)”和“兩體兩介質(zhì)”力學(xué)模型，并分析了不同模型下兩體系統(tǒng)破壞的剛度和強(qiáng)度相關(guān)性及破壞演化過程，找出了組合模型破壞的前兆信息和變化規(guī)律。
　　(4)弱膠結(jié)軟巖-煤復(fù)合圍巖的災(zāi)變機(jī)理分析。建立了西部典

5、型礦區(qū)弱膠結(jié)軟巖巷道圍巖的力學(xué)模型，重點(diǎn)針對復(fù)合軟巖頂板中軟弱巖層對巷道圍巖穩(wěn)定性影響的厚度效應(yīng)、剛度效應(yīng)和強(qiáng)度效應(yīng)進(jìn)行分析;并進(jìn)一步分析了巖、煤層不同剛度匹配對巷道穩(wěn)定性的影響;最后，針對軟弱頂板的彎曲破壞，考慮巖體的拉、壓彈性模量差異建立了圍巖的損傷力學(xué)模型。
　　(5)彈塑性軟巖錨固效應(yīng)的量化分析模型。以軸對稱錨固巷道為例，建立了錨桿的錨固作用分析模型;采用疊加法，推導(dǎo)了錨固區(qū)內(nèi)及錨固區(qū)外圍巖以及錨桿的軸力解析解，提出了加固

6、效應(yīng)的量化指標(biāo)，分析了錨桿的錨固效應(yīng)，并討論了錨桿軸力變化規(guī)律及影響因素，提出了控制圍巖塑性區(qū)發(fā)展的臨界支護(hù)參數(shù)。
　　(6)弱膠結(jié)軟巖巷道復(fù)合軟巖頂板錨固效應(yīng)解析及載荷傳遞機(jī)理分析。采用均勻化方法將錨桿對圍巖的作用均布在錨固區(qū)巖體內(nèi)，建立了含軟弱層理面復(fù)合軟巖的加錨力學(xué)模型，提出用加固效應(yīng)因子來度量錨固效應(yīng)，推出了穿層錨桿加固效應(yīng)與圍巖變形狀態(tài)的定量關(guān)系，并進(jìn)一步得到了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下錨桿屈服失效的參數(shù)相關(guān)表達(dá)式;采用數(shù)值模擬，建