高濕度環(huán)境下軟巖巷道時效性破壞的研究.pdf

1、隨著科技的進步及煤炭資源條件的改變，國家對煤礦建設及安全生產(chǎn)提出了更高的要求。眾所周知，在水巖相互作用過程中，軟巖的物理力學性質(zhì)將發(fā)生很大的改變，再加之時間效應的影響，水對軟巖造成的損傷有時比力學因素導致的損傷更為嚴重。因此，開展富水環(huán)境下軟巖巷道時效性變形的研究是十分必要的，不僅可以加深對水對軟巖力學性能如變形、破壞、強度，流變等力學特性影響的認識，而且可對軟巖巷道時效性變形的形成機理進行探究性的解釋，從而為確定軟巖巷道有效的支護方法

2、提供較為可靠的理論依據(jù)。
　　本論文以國家自然科學基金面上項目(NO.51174039)“水汽環(huán)境中的圍巖松動圈形成機理與分析方法研究”及國家自然科學基金青年基金項目(NO.51004020)“水分遷移條件下巖石的時效變形損傷弱化機理研究”為依托，主要從兩個方面開展了富水環(huán)境下軟巖巷道破壞的時效性研究，一是在理論方面，建立了考慮水對流變參數(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，最后對圍巖松動圈形成機理進行了探討。全文主要研究成果如下:
　　(1)通過閱讀相關(guān)文獻，歸納、概括了國內(nèi)外學者關(guān)于水對軟巖的弱化作用在理論、物理實驗和數(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)以及與時間相關(guān)的損傷變量Dt，建立了考慮濕度效應的軟巖變參數(shù)蠕變損

4、傷本構(gòu)方程。根據(jù)已有的單軸蠕變試驗結(jié)果，通過對相同應力條件不同含水狀態(tài)和相同含水狀態(tài)不同應力條件下的西原模型蠕變參數(shù)的反演，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，擬合曲線與試驗曲線十分吻合，驗證了該模型在反映軟巖的蠕變力學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效性變形的特點，得到了矩形巷道圍巖在濕度場下破壞的演化規(guī)律。結(jié)果表明，在濕度場下，雖然矩形煤巷和煤-巖巷道在應力分布和破壞范圍方面有所不同，相同的是，濕度對圍巖力學性質(zhì)的劣化與時間有關(guān)，因此圍巖變形具有時間效應。在進行巷道支護時，首先應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，巷道兩幫及強度較低的巖層以及臥底開挖的頂板巖層是重點支護的部位。
　?。╞)根據(jù)已有的膨脹試

6、驗反演出數(shù)值模擬所需的擴散系數(shù)、膨脹系數(shù)、強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時間歷程，在濕度向圍巖內(nèi)部擴散的過程中，應力集中的范圍也隨之擴大，當圍巖強度弱化到小于圍巖集中應力值時，破壞產(chǎn)生及巷道底板位移的急劇增加。
　　(c)基于細觀損傷數(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)了圍巖松動圈形成過程，并根據(jù)巷道圍巖變形穩(wěn)定的時