【摘要】：近年來我國煤炭開采進入地層深部,地下巷道在開挖擾動條件下,巷道兩幫圍巖往往發(fā)生脆性破壞,因此研究采動條件下的圍巖脆性與強度性質對于掌握巷幫的破壞機理具有重要意義。本論文采用理論分析、室內試驗以及數(shù)值模擬等相結合的研究方法,分別針對巖石脆性評價、巖石裂紋特征應力、采動影響下巖石裂紋損傷以及本構模型進行了研究,揭示了巷幫圍巖破壞機理,得到的主要研究成果如下:(1)基于巖石全應力應變曲線,提出了考慮巖石峰前能量耗散、峰后應力降、殘余強度、殘余應變等主要因素的脆性指數(shù)BIN計算方法,并通過不同種類巖石的壓縮試驗數(shù)據分析驗證了其正確性,表明該脆性指數(shù)可以同時適用于巖石Class II曲線、應變軟化、理想塑性、應變硬化等峰后曲線。根據提出的脆性指數(shù)BIN將巖石的脆性分為5類:脆性指數(shù)BIN≤0時為超高脆性巖石;0BIN≤0.20時為高脆性巖石;0.2BIN≤0.75時為脆性巖石;0.75BIN≤1.50時為低脆性巖石;BIN1.50時為超低脆性巖石。(2)基于巖石能量耗散理論,提出了能量耗散指數(shù)測量巖石裂紋特征應力的方法,研究表明巖石裂紋閉合應力閾值、裂紋起裂應力閾值隨著巖石強度增大而略微減小,變化趨勢不明顯,巖石的裂紋損傷應力閾值隨著UCS逐漸增大表現(xiàn)為明顯的增長趨勢;巖石的閉合應力閾值隨著圍壓增大逐漸減小,損傷應力閾值隨著圍壓增大逐漸增大,然而對于不同巖石的起裂應力閾值變化趨勢卻沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律。圍壓越大則巖石內部微裂紋的提前閉合程度就會越大,同時圍壓增大使得巖石裂紋在橫向方向的擴展受到了抑制作用,導致裂紋非穩(wěn)定擴展所需要的剪應力數(shù)值增大。(3)考慮采動影響下巖石裂紋損傷破壞機制,對巖石進行了循環(huán)加卸載三軸壓縮室內試驗,試驗結果發(fā)現(xiàn)其應力應變曲線的峰后階段主要為巖石Class I與Class II的組合曲線,砂巖能量分析結果表明最大耗散能處在峰值應力點之后,峰前階段圍壓對能量耗散指數(shù)的影響較小,而在峰后階段能量耗散指數(shù)隨圍壓增大而增大;利用累計耗散能與總耗散能的比值定義了巖石裂紋損傷變量D,進一步表征了巖石內部裂紋擴展造成的損傷行為,在峰后階段,圍壓越大,損傷變量隨軸向應變的增加其增長速率變慢,在巖石峰前階段獲得了裂紋損傷變量的函數(shù)表達式。(4)將巖石峰前裂紋損傷變量Dpre引入到CWFS模型,建立了考慮裂紋損傷效應的D-CWFS本構模型,預測了粘聚力與內摩擦角非同步達到臨界值的變化規(guī)律,分別建立了巖石粘聚力、內摩擦角與塑性剪應變的函數(shù)表達式,更加真實地反映了巖石的變形破壞特征;基于FLAC3D二次開發(fā)程序端口,成功編譯D-CWFS本構模型,實現(xiàn)其在FLAC3D軟件中的封裝調用,其三軸壓縮數(shù)值模擬結果與試驗數(shù)據結果相一致,表明了D-CWFS模型的合理性及二次開發(fā)的正確性。(5)通過分別針對煤巷和巖巷幫部圍巖破壞特征進行現(xiàn)場調研,從工程角度發(fā)現(xiàn)了巷道幫部煤巖的漸進破壞模式及破壞過程,采用開發(fā)的D-CWFS本構模型對巷幫破壞的不同影響因素開展數(shù)值模擬研究,模擬結果表明巷道高寬比、側壓力系數(shù)、圍巖內摩擦角及粘聚力對巷幫的變形破壞規(guī)律具有重要的影響作用,同時對大臺煤礦巖石巷道進行了支護設計優(yōu)化,開挖支護后巷幫圍巖完整性較好,無明顯破裂,巷幫圍巖支護控制效果良好。
【學位授予單位】：山東科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TD313
【圖文】：

本論文在充分查閱國內外相關研究文獻的基礎上，采用現(xiàn)場調研、室內試驗、逡逑理論分析及數(shù)值模擬等相結合的研宄方法，開展上述的主要研究內容，其技術路線逡逑如圖１．２所示。逡逑Ｉ邐￣？巖石脆性指數(shù)計算方法邐！逡逑｜邐、邐理論＋試驗逡逑｜巖石苧§評價邐？巖石全應力應變曲線特征逡逑１１邐方法邐＿逡逑＊邋Ｉ邐｜邐￣？巖石脆性分類標準逡逑巖｜邐￣？裂紋特征應力測量方法研究Ｉ逡逑Ｓ邐！巖石裂紋特征應理論＋試驗邐丨丨逡逑｜邐｜力測量方法邐＾巖石強度對特征應力的影喊，逡逑損！邐｜邐Ｉ￣？圍壓對特征應力的影響逡逑傷邐%煎危懾義閑у窩芳有對厝嵫顧跏匝殄危懾義嫌﹀尾啥跋煜卵沂礪郟㈠斡省靄毓室啵危卞義系模殺湫紋蘋擔海唬哄五五�？能翂ㄝ化、所査变量辶x舷錚懾危媯掊危

本文編號：2772167