本文關鍵詞：深部軟弱圍巖流變應力恢復法地應力測試與分析方法研究

  更多相關文章： 地應力測量 流變應力恢復法 巖體流變 恢復應力 三向壓應力傳感器

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

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