本文關(guān)鍵詞：朱集煤礦巷道圍巖流變性狀及本構(gòu)模型研究

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【摘要】：煤礦巷道工程的長期穩(wěn)定和安全與圍巖的流變特性密切相關(guān),深部圍巖的流變力學(xué)特性的研究及其本構(gòu)方程的建立是深部巖石力學(xué)研究中的重要課題。當(dāng)前,流變力學(xué)相關(guān)研究工作進展迅速,在試驗和理論方面均取得了一定的成就。但是巖石的流變力學(xué)理論至今還不是特別成熟,諸如重大大壩、隧道、煤礦等巖土工程的開展使巖石流變力學(xué)理論的研究面臨新的問題,而巖石流變特性和流變本構(gòu)模型等相關(guān)研究仍為難點問題與熱點問題。朱集煤礦1112(1)運輸順槽頂板高抽巷千米深井圍巖的流變現(xiàn)象突出,在巷道開挖和運行當(dāng)中不斷出現(xiàn)了頂沉、底臌現(xiàn)象,嚴(yán)重制約了礦井的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟效益。有鑒于此,本文綜合采用試驗研究、理論分析和數(shù)值試驗?zāi)M分析等研究方法,對淮南礦業(yè)集團朱集煤礦千米深井巷道圍巖的流變力學(xué)特性和本構(gòu)方程的構(gòu)建進行了分析研究,利用TAW-2000巖石三軸壓力試驗機對泥巖、粉砂巖和細砂巖等圍巖巖樣進行了常規(guī)單軸和三軸壓縮試驗,研究其基本力學(xué)性質(zhì)、變形特點和破壞形式,分析圍壓對力學(xué)參數(shù)和變形的影響規(guī)律;在此基礎(chǔ)上,采用TAW-2000M巖石多功能試驗機開展了圍巖巖樣單軸壓縮流變試驗研究以及高圍壓條件下的三軸壓縮流變試驗研究,探討了圍巖巖樣在不同應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力水平下的流變力學(xué)特性、變形規(guī)律和破壞形式;基于試驗結(jié)果的分析研究,建立了能夠模擬巖石三階段蠕變特性的六元件非線性組合模型,推導(dǎo)了該模型的本構(gòu)方程,利用蠕變方程擬合了試驗曲線并獲得了圍巖巖樣流變模型的力學(xué)參數(shù);利用FLAC3D有限差分軟件對巷道圍巖的長期穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬,預(yù)測巷道的長期穩(wěn)定性。論文的主要研究內(nèi)容和成果如下:1.為了確定巖石的基本力學(xué)性質(zhì)和梯級加載流變試驗的應(yīng)力水平以及分析與時間相關(guān)的巖石流變力學(xué)特性,有必要對巖石進行常規(guī)單軸壓縮試驗和不同圍壓的三軸壓縮試驗。通過圍巖常規(guī)力學(xué)特性和荷載長期作用下的流變力學(xué)特性的對比研究,可以獲得更多的巖石流變特性的影響因素及其規(guī)律性。采用TAW-2000微機控制電液伺服巖石三軸壓力試驗機對完整性良好、聲波相近的巖樣進行常規(guī)單軸壓縮試驗和常規(guī)三軸壓縮試驗研究,探討不同巖性的圍巖巖樣的強度和變形特性以及破壞形式,分析不同圍壓作用下巖石的力學(xué)特性、變形特性和破壞形式,研究圍壓對巖石瞬時強度、軸向和側(cè)向變形、彈性模量和泊松比的影響規(guī)律。主要研究結(jié)論如下:(1)單軸壓縮和三軸壓縮條件下,三種圍巖巖樣的全應(yīng)力-應(yīng)變曲線均可劃分為孔隙壓密階段、線彈性階段、彈塑性階段和破壞階段等四個階段。不同壓縮條件下,圍巖巖樣的宏觀破壞形態(tài)和破壞程度差異較大。單軸壓縮時圍巖巖樣的破壞形式主要表現(xiàn)為整體的張拉破壞,并伴有一定程度的局部剪切破壞,宏觀裂紋開展有限,巖樣能夠保持完整的形狀。三軸壓縮條件下,圍巖巖樣破壞形式比較復(fù)雜,破壞程度較單軸條件嚴(yán)重。(2)圍巖巖樣的峰值強度、峰值應(yīng)變、彈性模量和圍壓基本為線性關(guān)系。在相同圍壓條件下,圍巖中的泥巖峰值應(yīng)力和彈性模量最小,粉砂巖次之,細砂巖最大;泥巖峰值軸向應(yīng)變和峰值側(cè)向應(yīng)變最大,細砂巖變形最小,粉砂巖介于兩者之間。有圍壓時,圍巖巖樣的泊松比明顯提高,但和圍壓的關(guān)系不明確。2.巖石流變力學(xué)試驗?zāi)軌蚩刂圃囼灄l件,便于長期觀察,可多次重復(fù),是了解巖石流變力學(xué)特性的最重要手段和構(gòu)建巖石流變本構(gòu)模型的重要基礎(chǔ)。流變試驗研究結(jié)果可為巖土流變本構(gòu)模型的建立、巖土工程流變數(shù)值分析和巖體的穩(wěn)定性評價提供依據(jù)。采用taw-2000m巖石多功能試驗機,對圍巖巖樣開展不同應(yīng)力水平下單軸和三軸壓縮流變試驗研究,獲取了兩種試驗條件下不同應(yīng)力水平的巖石蠕變曲線�；谠囼灲Y(jié)果,分析圍巖巖樣在不同受力條件下的流變特性及其變化規(guī)律,探討了不同應(yīng)力水平下的流變速率的變化趨勢,掌握了朱集煤礦1112(1)運輸順槽頂板高抽巷圍巖流變特性的基本規(guī)律。主要研究結(jié)論如下:(1)圍巖巖樣單軸和三軸壓縮流變試驗中,巖樣的軸向變形和側(cè)向變形由瞬時彈性變形和蠕變變形組成。當(dāng)施加的應(yīng)力水平較低時,軸向蠕變曲線和側(cè)向蠕變曲線由衰減蠕變過渡為穩(wěn)態(tài)蠕變;當(dāng)應(yīng)力水平超過屈服閥值時,蠕變曲線由衰減蠕變進入等速蠕變階段以及加速蠕變階段。圍巖巖樣在單軸和三軸壓縮流變條件下,各級荷載下的彈性模量波動較小,有一定增大趨勢。有圍壓時各圍巖巖樣的變形模量平均值均比無圍壓時的數(shù)值顯著增加。(2)單軸和三軸壓縮流變條件下,圍巖巖樣的軸向和側(cè)向由蠕變而產(chǎn)生的變形在總體變形中所占比例隨荷載水平的提高而呈現(xiàn)增大趨勢。單軸流變壓縮條件下,圍巖巖樣的軸向變形均以加載期間瞬時變形為主,流變性質(zhì)不明顯;側(cè)向變形均以蠕變變形為主,流變性質(zhì)明顯。三軸流變壓縮條件下,巖石的軸向和側(cè)向蠕變性質(zhì)均較單軸條件下顯著。(3)圍巖巖樣單軸和三軸壓縮流變的軸向和側(cè)向蠕變速率曲線在低應(yīng)力水平時有衰減階段和穩(wěn)態(tài)階段,穩(wěn)態(tài)蠕變速率有隨應(yīng)力水平提高而增大的趨勢;當(dāng)應(yīng)力水平高于屈服閾值時,蠕變速率曲線在衰減階段和穩(wěn)態(tài)階段后可出現(xiàn)加速階段,此時的穩(wěn)態(tài)蠕變速率一般比低應(yīng)力水平下的蠕變速率提高一個數(shù)量級。(4)單軸和三軸壓縮流變條件下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以劃分為裂隙壓密階段、彈性變形階段、裂隙擴展階段、宏觀破裂四個階段。在單軸應(yīng)力狀態(tài)下,圍巖巖樣在破壞時均表現(xiàn)為明顯的體積擴容或有顯著地體積擴容趨勢。在高圍壓狀態(tài)下,泥巖、粉砂巖和細砂巖的側(cè)向應(yīng)變增加明顯,體積擴容現(xiàn)象更加突出。在圍壓和流變特性的共同作用下,巖樣開裂更徹底,破壞更嚴(yán)重。圍巖巖樣在單軸常規(guī)壓縮破壞后完整,在三軸常規(guī)壓縮破壞后形狀較完整,在單軸流變壓縮破壞后基本完整,在三軸流變壓縮破壞后不能保持完整的形狀。3.巖石流變本構(gòu)模型的建立是巖石流變理論研究中的重要組成部分,巖石流變模型理論一直是是巖石流變力學(xué)研究中的熱點和難點問題之一。一些重大的、服務(wù)年限較長的巖土工程建設(shè)均需了解巖石的流變特性,建立合理的流變模型理論,以保證工程的順利進行和長期的穩(wěn)定性和安全性�；趪鷰r巖樣的三軸壓縮流變試驗結(jié)果,將非線性黏塑性模型與線性流變模型串聯(lián)建立了非線性黏彈塑性流變模型,并采用新的非線性流變模型對巖樣的蠕變曲線進行了擬合和參數(shù)辨識。主要研究結(jié)論如下:(1)采用線性粘彈性流變模型和線性黏彈塑性流變模型的蠕變方程對泥巖、粉砂巖、細砂巖的蠕變曲線進行了擬合和參數(shù)辨識。結(jié)果表明,當(dāng)應(yīng)力水平低于屈服應(yīng)力時,兩種線性流變模型的擬合效果良好;當(dāng)應(yīng)力水平高于屈服應(yīng)力時,兩種線性流變模型擬合效果均較不理想。(2)提出改進的和應(yīng)力以及時間有關(guān)的指數(shù)函數(shù)形式的非線性粘塑性元件,將之與Burgers流變模型串聯(lián)形成能夠模擬巖石三階段蠕變特性的六元件組合模型,并分別采用一維和三維形式的蠕變方程對蠕變曲線進行擬合,確定了一維和三維模型的力學(xué)參數(shù),驗證了模型的合理性。對新的六元件非線性黏彈塑性流變模型進行了研究,推導(dǎo)了其流變方程和松弛方程,并給出了松弛方程基于四階龍格-庫塔法的數(shù)值解和擬合函數(shù)。4.基于非線性模型參數(shù)辨識結(jié)果,采用FLAC3D有限差分軟件進行數(shù)值模擬,將圍巖巖樣流變力學(xué)特性的試驗和理論研究成果應(yīng)用于朱集煤礦1112(1)運輸順槽頂板高抽巷工程實踐中,預(yù)測了復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下巖石工程的長期穩(wěn)定性。論文主要創(chuàng)新點:(1)通過常規(guī)單軸壓縮和三軸壓縮試驗,獲得了千米深井巷道圍巖的強度、變形、彈性模量、泊松比、粘聚力和內(nèi)摩擦角等基本力學(xué)參數(shù),分析了壓縮條件和圍壓對圍巖巖樣的峰值強度、峰值應(yīng)變、彈性模量和泊松比的影響規(guī)律。(2)通過單軸和三軸流變特性試驗,獲得了千米深井巷道圍巖巖樣不同流變狀態(tài)和應(yīng)力水平下的軸向和側(cè)向蠕變曲線,分析了圍巖的流變力學(xué)特性,揭示了高圍壓和流變特性對圍巖巖樣變形和破壞形式的影響規(guī)律。(3)提出了改進的指數(shù)型粘塑性元件,建立了能夠模擬巖石三階段蠕變特性的六元件非線性組合模型,推導(dǎo)了其一維和三維形式的蠕變方程、流變方程和卸載方程,并給出了松弛方程基于四階龍格-庫塔法的數(shù)值解和擬合函數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD315.3

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