本文關(guān)鍵詞：深部軟弱圍巖流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測試與分析方法研究

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【摘要】：地應(yīng)力是地下工程中最重要的參數(shù)之一,針對煤礦深部軟弱圍巖地應(yīng)力難以測量的技術(shù)難題,基于深部圍巖在高應(yīng)力作用下具有強(qiáng)流變性的特點(diǎn),提出了-種地應(yīng)力測試新方法——流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測試技術(shù)。該方法的提出基于如下假設(shè)：在深部巷道軟弱圍巖中鉆孔埋設(shè)巖體壓應(yīng)力傳感器,由于圍巖的強(qiáng)流變特性,傳感器附近圍巖的應(yīng)力會(huì)隨時(shí)間逐漸恢復(fù),傳感器感受到的應(yīng)力隨時(shí)間逐漸上升并最終趨于穩(wěn)定,可以根據(jù)傳感器的實(shí)測應(yīng)力來分析圍巖的初始應(yīng)力狀態(tài)和巷道圍巖應(yīng)力分布的演化。流變應(yīng)力恢復(fù)法中傳感器測得應(yīng)力的恢復(fù)規(guī)律,傳感器測試的準(zhǔn)確性及測量特性等是需要深入研究的重要問題,它將影響流變應(yīng)力恢復(fù)法的深入發(fā)展以及廣泛應(yīng)用。本文在搜集和整理國內(nèi)外原地應(yīng)力測量方法研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,詳細(xì)介紹了流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測試技術(shù)的基本理論、測試流程和相關(guān)設(shè)備,重點(diǎn)開展了傳感器所測應(yīng)力恢復(fù)規(guī)律的理論分析及數(shù)值模擬研究,以及傳感器測量特性的試驗(yàn)研究,并且將流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測試技術(shù)在平頂山一礦、十一礦進(jìn)行了初步應(yīng)用,分析了流變應(yīng)力恢復(fù)法的可靠性和相關(guān)影響因素,主要的研究工作和進(jìn)展如下：1.在搜集和回顧國內(nèi)外地應(yīng)力測量方法研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,提出了適用于深部軟弱圍巖的新的地應(yīng)力測試方法——流變應(yīng)力恢復(fù)法。系統(tǒng)整理了流變應(yīng)力恢復(fù)法的測試?yán)碚�、測試設(shè)備以及測試流程,給出了流變應(yīng)力恢復(fù)法在測點(diǎn)處應(yīng)力張量的計(jì)算方法及三維主應(yīng)力大小和方向的計(jì)算方法。詳細(xì)介紹了流變應(yīng)力恢復(fù)法的主要測量設(shè)備——三向壓應(yīng)力傳感器的設(shè)計(jì)制造過程,推導(dǎo)了三向壓應(yīng)力傳感器的工作原理公式,得到了傳感器輸出信號與所受應(yīng)力的相互關(guān)系。2.傳感器所測應(yīng)力恢復(fù)規(guī)律是流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測量的關(guān)鍵。對流變應(yīng)力恢復(fù)法的測量過程進(jìn)行了二維平面理論分析,采用兩種不同巖體粘彈性模型(包括三參數(shù)固體模型和Burgers模型),研究了不同漿液凝固時(shí)間、不同注漿材料和不同巖體參數(shù)情況下傳感器所測應(yīng)力的恢復(fù)規(guī)律。圍巖采用Burgers模型,在注漿材料較合適、傳感器尺寸及鉆孔大小較合理的情況下,傳感器測得的最終恢復(fù)應(yīng)力大小不受圍巖力學(xué)性質(zhì)影響,與初始應(yīng)力之比接近于1,誤差在5%以內(nèi)。圍巖采用三參數(shù)固體模型,最終恢復(fù)應(yīng)力大小主要受到圍巖長期模量與初始模量比的影響,圍巖長期模量越小,最終恢復(fù)應(yīng)力越大,對于不同的圍巖,其最終恢復(fù)應(yīng)力也不相同。并且注漿材料需與圍巖及傳感器相匹配,為使恢復(fù)應(yīng)力盡快穩(wěn)定或使恢復(fù)應(yīng)力達(dá)到較高的水平,需盡量縮短注漿材料凝固達(dá)到預(yù)期強(qiáng)度的時(shí)間。3.建立了流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測試過程的有限元模型,搜集國內(nèi)外文獻(xiàn)中不同巖石的流變試驗(yàn)結(jié)果,使用三參數(shù)固體模型以及Burgers模型對試驗(yàn)曲線進(jìn)行擬合得到計(jì)算參數(shù),對不同圍巖粘彈性模型、不同圍巖參數(shù)下三向壓應(yīng)力傳感器所測恢復(fù)應(yīng)力進(jìn)行了計(jì)算,研究了流變應(yīng)力恢復(fù)法中不同地應(yīng)力狀態(tài)、不同注漿材料模量、不同傳感器與注漿材料的模量比對恢復(fù)應(yīng)力的影響。圍巖采用三參數(shù)固體模型,對于Ⅳ,V級圍巖,傳感器所測得的最終恢復(fù)應(yīng)力較大,為初始應(yīng)力的40%～70%之間；而對于Ⅰ,Ⅱ圍巖傳感器所測的最終恢復(fù)應(yīng)力較小,基本只在初始應(yīng)力的5%左右；并且對于Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ級圍巖來說,隨著圍巖等級的提高,恢復(fù)應(yīng)力到達(dá)穩(wěn)定所需的時(shí)間逐漸減少。當(dāng)圍巖采用Burgers模型,在不同等級圍巖情況下,最終恢復(fù)應(yīng)力都相差不大,最終應(yīng)力恢復(fù)率接近于1,只是到達(dá)穩(wěn)定階段的所需時(shí)間不同。圍巖穩(wěn)定性越差,流變性能越好,對傳感器所測應(yīng)力的恢復(fù)越有利。地應(yīng)力狀態(tài)的不同對于恢復(fù)應(yīng)力有一定影響,但通過分析可以使測得應(yīng)力校正到正確范圍內(nèi)。4.三向壓應(yīng)力傳感器在介質(zhì)中的嵌入效應(yīng)是影響流變應(yīng)力恢復(fù)法測試準(zhǔn)確性的另一個(gè)關(guān)鍵。開展三向壓應(yīng)力傳感器嵌入效應(yīng)的數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)研究,了解三向壓應(yīng)力傳感器在介質(zhì)中的測量特性。采用三維數(shù)值軟件,模擬三向壓應(yīng)力傳感器嵌入后的應(yīng)力場分布,考慮不同應(yīng)力狀態(tài)和彈性模量比(三向壓應(yīng)力傳感器與介質(zhì))條件下介質(zhì)主應(yīng)力場的重分布特征以及三向壓應(yīng)力傳感器的受力特性,建立三向壓應(yīng)力傳感器實(shí)測應(yīng)力與介質(zhì)初始應(yīng)力狀態(tài)及彈性模量比的數(shù)學(xué)關(guān)系。通過模型試驗(yàn),驗(yàn)證了三向壓應(yīng)力傳感器測得應(yīng)力與無嵌入擾動(dòng)應(yīng)力關(guān)系公式的正確性。5.以流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測量在平頂山礦區(qū)的初步應(yīng)用為背景,簡要介紹了流變應(yīng)力恢復(fù)法現(xiàn)場實(shí)測地應(yīng)力所使用的一些裝置及相應(yīng)的測試流程,給出了平頂山一礦及十一礦測點(diǎn)的流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測試結(jié)果,通過與流變應(yīng)力恢復(fù)法地應(yīng)力測試同時(shí)進(jìn)行的套芯應(yīng)力解除法地應(yīng)力測量結(jié)果的對比分析,發(fā)現(xiàn)流變應(yīng)力恢復(fù)法取得的原地應(yīng)力量值基本與套芯應(yīng)力解除法結(jié)果吻合,兩種方法的最大主應(yīng)力方向接近于NW-SE方向,與平頂山地區(qū)近期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相一致,驗(yàn)證了流變應(yīng)力恢復(fù)法的有效性。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD315

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