【摘要】：近年來(lái)我國(guó)煤炭開(kāi)采進(jìn)入地層深部,地下巷道在開(kāi)挖擾動(dòng)條件下,巷道兩幫圍巖往往發(fā)生脆性破壞,因此研究采動(dòng)條件下的圍巖脆性與強(qiáng)度性質(zhì)對(duì)于掌握巷幫的破壞機(jī)理具有重要意義。本論文采用理論分析、室內(nèi)試驗(yàn)以及數(shù)值模擬等相結(jié)合的研究方法,分別針對(duì)巖石脆性評(píng)價(jià)、巖石裂紋特征應(yīng)力、采動(dòng)影響下巖石裂紋損傷以及本構(gòu)模型進(jìn)行了研究,揭示了巷幫圍巖破壞機(jī)理,得到的主要研究成果如下:(1)基于巖石全應(yīng)力應(yīng)變曲線,提出了考慮巖石峰前能量耗散、峰后應(yīng)力降、殘余強(qiáng)度、殘余應(yīng)變等主要因素的脆性指數(shù)BIN計(jì)算方法,并通過(guò)不同種類巖石的壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證了其正確性,表明該脆性指數(shù)可以同時(shí)適用于巖石Class II曲線、應(yīng)變軟化、理想塑性、應(yīng)變硬化等峰后曲線。根據(jù)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(shí)為超高脆性巖石;0BIN≤0.20時(shí)為高脆性巖石;0.2BIN≤0.75時(shí)為脆性巖石;0.75BIN≤1.50時(shí)為低脆性巖石;BIN1.50時(shí)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(cè)量巖石裂紋特征應(yīng)力的方法,研究表明巖石裂紋閉合應(yīng)力閾值、裂紋起裂應(yīng)力閾值隨著巖石強(qiáng)度增大而略微減小,變化趨勢(shì)不明顯,巖石的裂紋損傷應(yīng)力閾值隨著UCS逐漸增大表現(xiàn)為明顯的增長(zhǎng)趨勢(shì);巖石的閉合應(yīng)力閾值隨著圍壓增大逐漸減小,損傷應(yīng)力閾值隨著圍壓增大逐漸增大,然而對(duì)于不同巖石的起裂應(yīng)力閾值變化趨勢(shì)卻沒(méi)有統(tǒng)一的變化規(guī)律。圍壓越大則巖石內(nèi)部微裂紋的提前閉合程度就會(huì)越大,同時(shí)圍壓增大使得巖石裂紋在橫向方向的擴(kuò)展受到了抑制作用,導(dǎo)致裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展所需要的剪應(yīng)力數(shù)值增大。(3)考慮采動(dòng)影響下巖石裂紋損傷破壞機(jī)制,對(duì)巖石進(jìn)行了循環(huán)加卸載三軸壓縮室內(nèi)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)其應(yīng)力應(yīng)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(jié)果表明最大耗散能處在峰值應(yīng)力點(diǎn)之后,峰前階段圍壓對(duì)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(jì)耗散能與總耗散能的比值定義了巖石裂紋損傷變量D,進(jìn)一步表征了巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)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(yīng)變的增加其增長(zhǎng)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(dá)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(yīng)的D-CWFS本構(gòu)模型,預(yù)測(cè)了粘聚力與內(nèi)摩擦角非同步達(dá)到臨界值的變化規(guī)律,分別建立了巖石粘聚力、內(nèi)摩擦角與塑性剪應(yīng)變的函數(shù)表達(dá)式,更加真實(shí)地反映了巖石的變形破壞特征;基于FLAC3D二次開(kāi)發(fā)程序端口,成功編譯D-CWFS本構(gòu)模型,實(shí)現(xiàn)其在FLAC3D軟件中的封裝調(diào)用,其三軸壓縮數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果相一致,表明了D-CWFS模型的合理性及二次開(kāi)發(fā)的正確性。(5)通過(guò)分別針對(duì)煤巷和巖巷幫部圍巖破壞特征進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,從工程角度發(fā)現(xiàn)了巷道幫部煤巖的漸進(jìn)破壞模式及破壞過(guò)程,采用開(kāi)發(fā)的D-CWFS本構(gòu)模型對(duì)巷幫破壞的不同影響因素開(kāi)展數(shù)值模擬研究,模擬結(jié)果表明巷道高寬比、側(cè)壓力系數(shù)、圍巖內(nèi)摩擦角及粘聚力對(duì)巷幫的變形破壞規(guī)律具有重要的影響作用,同時(shí)對(duì)大臺(tái)煤礦巖石巷道進(jìn)行了支護(hù)設(shè)計(jì)優(yōu)化,開(kāi)挖支護(hù)后巷幫圍巖完整性較好,無(wú)明顯破裂,巷幫圍巖支護(hù)控制效果良好。
【學(xué)位授予單位】：山東科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TD313
【圖文】：

本論文在充分查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、室內(nèi)試驗(yàn)、逡逑理論分析及數(shù)值模擬等相結(jié)合的研宄方法，開(kāi)展上述的主要研究?jī)?nèi)容，其技術(shù)路線逡逑如圖１．２所示。逡逑Ｉ邐￣？巖石脆性指數(shù)計(jì)算方法邐！逡逑｜邐、邐理論＋試驗(yàn)逡逑｜巖石苧§評(píng)價(jià)邐？巖石全應(yīng)力應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)逡逑巖｜邐￣？裂紋特征應(yīng)力測(cè)量方法研究Ｉ逡逑Ｓ邐！巖石裂紋特征應(yīng)理論＋試驗(yàn)邐丨丨逡逑｜邐｜力測(cè)量方法邐＾巖石強(qiáng)度對(duì)特征應(yīng)力的影喊，逡逑損！邐｜邐Ｉ￣？圍壓對(duì)特征應(yīng)力的影響逡逑傷邐%煎危懾義閑у窩芳有對(duì)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(píng)擔(dān)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(hào)：2772167