本文基于礦山工程力學、巖石力學、井巷工程、軟巖巷道支護等相關理論成果,綜合運用現(xiàn)場調(diào)研、實驗室試驗、理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測等研究方法,對深部巷道圍巖應力殼時空演化特征及圍巖控制機理進行了系統(tǒng)研究。開展了深部巷道圍巖應力場、位移場、破壞場的實測研究,揭示了巷道圍巖變形破壞受應力場演化特征的影響規(guī)律,構建了深部巷道彈塑性力學模型,獲取了巷道圍巖不同分區(qū)的應力分布規(guī)律,揭示了巷道圍巖應力殼形成力學機制�；谙锏绹鷰r應力殼力學形態(tài)和時空演化規(guī)律,以巷道圍巖三維應力場、位移場及破壞場等特征參數(shù)為對象,研究了巷道掘進期間圍巖應力殼力學特征及與位移場及破壞場的相互作用關系,揭示了深部巷道三維應力場時空演化特征;以理論分析及數(shù)值模擬為基礎,揭示了巷道圍巖應力殼與控制巷道圍巖變形的內(nèi)在聯(lián)系,進而豐富了控制巷道圍巖最小變形理論,分析了其力學機理,并進行了工程應用,旨在為科學合理進行深部巷道支護,實現(xiàn)圍巖穩(wěn)定控制提供理論支撐和參考。論文得出以下主要研究成果:1.研究了深部巷道掘進后圍巖應力場分布特征,揭示了應力場演化是巷道圍巖變形破壞的根源針對深部巷道圍巖變形破壞嚴重的現(xiàn)狀進行了圍巖應力、位移及破壞的現(xiàn)場實測及室內(nèi)巖石物理力學性能測試,揭示了深部巷道圍巖應力場、位移場、破壞場的演化規(guī)律,并分析了應力場對位移場及破壞場的相互影響規(guī)律,主要結論如下:(1)深部巷道圍巖主應力時間效應表現(xiàn)為:隨時間增加,距巷道表面1m范圍內(nèi)巷道圍巖最大主應力逐漸降低,2~7m范圍圍巖最大主應力呈現(xiàn)先增加至峰值再逐漸降低的變化規(guī)律,7m范圍以外圍巖最大主應力逐漸增加;空間效應表現(xiàn)為:近巷道表面圍巖一定距離存在由最大主應力組成的高應力區(qū),且隨掘進距離的增大,巷道圍巖主應力峰值點逐漸向巷道深部轉(zhuǎn)移,近巷道表面圍巖主應力逐漸降低。(2)在巷道圍巖主應力逐漸向深部轉(zhuǎn)移過程中,巷道圍巖表面位移出現(xiàn)急劇變形、緩慢變形及流變變形三個階段。受掘進施工影響,巷道圍巖由三向應力狀態(tài)轉(zhuǎn)為二向應力狀態(tài),急劇變形階段受圍巖應力轉(zhuǎn)移及釋放影響最大,因此該階段圍巖變形最劇烈、變形速率最大;緩慢變形階段圍巖變形及速率相對減小;流變變形階段圍巖變形量及變形速率最小。(3)深部巷道圍巖破壞形式以嚴重破碎、環(huán)向裂隙為主,距巷道掘進工作面越近,圍巖發(fā)生塑性破壞范圍越小,發(fā)生初始破壞的位置相對較深,圍巖塑性破壞主要發(fā)生在高應力區(qū)以內(nèi),且深部破壞整體呈現(xiàn)向巷道后方范圍逐漸增大的趨勢。(4)基于室內(nèi)力學試驗測試,分析了深部巷道圍巖物理力學特性,發(fā)現(xiàn)了深部巷道圍巖巖性整體偏軟,單軸抗壓強度低于25MPa,為地質(zhì)軟巖范疇;三軸壓縮試驗表明,不同圍壓條件下,試件的應力-應變曲線發(fā)展趨勢基本一致,隨圍壓的增大,試件強度有所提高。2.揭示了巷道圍巖應力殼形成力學機制采用理論分析的方法獲取了巷道圍巖不同變形破壞階段圍巖應力表達式,并基于開挖面空間效應分析了巷道圍巖不同掘進距離及不同支護強度下圍巖應力場的變化規(guī)律,進而揭示了巷道圍巖應力殼形成力學機制。(1)建立了非均勻應力場下深部巷道變形破壞力學模型,基于巖石損傷理論構建了圍巖應力-應變本構方程,將深部巷道圍巖變形破壞劃分為破裂區(qū)、塑性軟化區(qū)、塑性硬化區(qū)及彈性區(qū),并在考慮擴容機制的基礎上獲取了四個分區(qū)圍巖應力解析解。(2)定義了巷道圍巖應力殼成殼系數(shù)Q,其表達式如下:(?)當Q(27)0時,圍巖切向應力小于1.2倍的原巖應力,表明圍巖體處于應力殼之外;當Q(29)0時,表明圍巖體處于應力升高區(qū),即在應力殼范圍。當Q(28)0時,表明巷道圍巖應力為應力降低區(qū)和應力升高區(qū)的分界點,或應力升高區(qū)和原巖應力的分界點,即圍巖應力殼的內(nèi)邊界和外邊界。圍巖應力殼存在于巷道圍巖切向應力超出原巖應力20%的應力集中區(qū)域,該區(qū)域主要位于塑性硬化區(qū),是巷道圍巖的主要承載體,圍巖應力殼外邊界為彈性應力區(qū),接近原巖應力,內(nèi)邊界為塑性軟化區(qū)。應力殼承載了外側大部分覆巖的重量,應力殼的存在是巷道圍巖實現(xiàn)自穩(wěn)的關鍵。(?)3.揭示了巷道圍巖應力殼三維空間展布形態(tài)和時空演化特征基于巷道圍巖應力殼力學形態(tài)和時空演化規(guī)律,以巷道圍巖三維應力場、位移場及破壞場等特征參數(shù)為對象,對深部巷道圍巖應力殼力學特征及其相互作用關系進行了研究,進一步揭示了深部巷道圍巖應力殼的時空演化特征。(1)揭示了深部巷道圍巖應力殼時空效應,即由高應力束組成的巷道圍巖應力殼隨推進距離增大逐漸呈現(xiàn)向巷道深部轉(zhuǎn)移的規(guī)律,應力殼內(nèi)、外邊界向深部轉(zhuǎn)移的同時,殼體厚度逐漸增大,受控于應力殼向圍巖深部轉(zhuǎn)移規(guī)律的影響,巷道圍巖表面低應力區(qū)增大,圍巖變形破壞增加。(2)發(fā)現(xiàn)深部巷道在變形過程中,圍巖變形速率存在突變點,揭示了該突變點與巷道圍巖應力殼的相關性,指出控制圍巖變形的關鍵即為控制巷道圍巖應力殼內(nèi)邊界不向巷道深部轉(zhuǎn)移,保持巷道圍巖應力殼的相對穩(wěn)定,能減小被應力殼保護的低應力區(qū)發(fā)生變形破壞的趨勢。(3)隨埋深增加,巷道圍巖應力殼向巷道深部轉(zhuǎn)移的程度逐漸增大,一方面圍巖主應力集中的范圍逐漸擴大,另一方面最大主應力峰值逐漸在巷道頂板兩肩角及底板位置出現(xiàn)。(4)受非均勻應力場作用,尤其是水平應力的不斷增加,巷道圍巖應力殼逐漸由水平橢圓形向垂直橢圓形轉(zhuǎn)變,同時對巷道頂?shù)装遄冃纹茐漠a(chǎn)生較大影響。4.基于深部巷道圍巖應力殼演化特征及位移變化規(guī)律,揭示了圍巖變形速率突變是巷道圍巖應力殼向深部轉(zhuǎn)移進而造成深部巷道失穩(wěn)破壞的關鍵力學參數(shù),進一步完善了控制最小變形理念,指出其力學本質(zhì)為控制巷道圍巖變形速率的突變,并進行了現(xiàn)場應用(1)豐富了控制巷道圍巖最小變形理念,即在巷道圍巖應力殼保護范圍內(nèi)允許巷道圍巖發(fā)生適量變形,并在巷道圍巖變形速率發(fā)生突變之前,及時對巷道易先破壞部位進行加強支護,抑制變形破壞的擴展,適時對巷道頂幫圍巖進行強化支護,同時對巷道底板進行支護加固,保證圍巖應力殼不向巷道深部擴展,進而實現(xiàn)巷道長久安全穩(wěn)定支護。(2)揭示了不同支護方案下巷道圍巖應力殼演化特征及其與圍巖位移場、破壞場的相互作用關系,對巷道表面圍巖體提供適量的支護強度,可使巷道圍巖主應力峰值向巷道表面轉(zhuǎn)移,從而使巷道圍巖體處于應力殼內(nèi)邊界保護范圍內(nèi),并對該區(qū)域進行及時有效支護,可實現(xiàn)深部巷道圍巖安全穩(wěn)定支護。
【學位單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TD353;TD322
【部分圖文】：

1 引言1 引言意義生產(chǎn)結構中占 76%，石油占 9%，天然氣多油少的特點，且能源消費結構中煤炭資源構如圖 1.1 所示。國家關于《能源中中明確指出，我國仍將堅持以煤炭為主體能源戰(zhàn)略。中國工程院關于《中國能源提出煤炭資源在相當長的時期內(nèi)，仍將是此可以預測，在未來較長時間內(nèi)煤炭作為的，具有不可代替性。

圖 1.3 煤炭資源儲量與采深示意圖Fig.1.3 Coal resources reserves and depth深部開采后，隨埋深增加，巷道圍巖所處地質(zhì)條件劣化，受滲透壓以及強烈開采擾動影響，逐漸呈現(xiàn)與淺部不同的變形形、長時蠕變、粘性流動等復雜力學特性。正是由于上述深性導致現(xiàn)有的巷道支護理論與技術方案如砌碹、金屬支架等深部巷道的穩(wěn)定控制[4, 5]，深部巷道仍存在眾多失穩(wěn)破壞、難影響到煤礦安全高效生產(chǎn)以及工人的生命安全。目前我國煤巷道已達上百萬米，雖然眾多專家學者在深部巷道圍巖穩(wěn)定成果[6-9]，但深部巷道支護機理仍需進一步研究，提出適用于理論和支護技術是實現(xiàn)深部煤炭資源安全高效采掘必須解決巷道力學特性復雜的根源為采深增加造成的絕對應力增大，深部巷道圍巖一系列失穩(wěn)問題，例如劇烈變形、嚴重破壞等豐富深部巷道圍巖控制理論，本文從深部巷道圍巖應力演化

2 巷道圍巖力學特性試驗研究實測分析案布置大巷圍巖變形破壞嚴重的特征，采用礦圍巖體內(nèi)部破裂進行觀測分析，在巷道 32mm、長度 8m 的鉆孔，通過鉆孔成深部破壞實測方案如圖 2.12 所示。成孔于后期鉆孔呈現(xiàn)觀測。具體方法是，用高屑為止。清洗過后，將鉆孔電視探頭慢巖破裂情況。

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本文編號：2820951