本文基于礦山工程力學(xué)、巖石力學(xué)、井巷工程、軟巖巷道支護(hù)等相關(guān)理論成果,綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等研究方法,對(duì)深部巷道圍巖應(yīng)力殼時(shí)空演化特征及圍巖控制機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)研究。開(kāi)展了深部巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、破壞場(chǎng)的實(shí)測(cè)研究,揭示了巷道圍巖變形破壞受應(yīng)力場(chǎng)演化特征的影響規(guī)律,構(gòu)建了深部巷道彈塑性力學(xué)模型,獲取了巷道圍巖不同分區(qū)的應(yīng)力分布規(guī)律,揭示了巷道圍巖應(yīng)力殼形成力學(xué)機(jī)制。基于巷道圍巖應(yīng)力殼力學(xué)形態(tài)和時(shí)空演化規(guī)律,以巷道圍巖三維應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及破壞場(chǎng)等特征參數(shù)為對(duì)象,研究了巷道掘進(jìn)期間圍巖應(yīng)力殼力學(xué)特征及與位移場(chǎng)及破壞場(chǎng)的相互作用關(guān)系,揭示了深部巷道三維應(yīng)力場(chǎng)時(shí)空演化特征;以理論分析及數(shù)值模擬為基礎(chǔ),揭示了巷道圍巖應(yīng)力殼與控制巷道圍巖變形的內(nèi)在聯(lián)系,進(jìn)而豐富了控制巷道圍巖最小變形理論,分析了其力學(xué)機(jī)理,并進(jìn)行了工程應(yīng)用,旨在為科學(xué)合理進(jìn)行深部巷道支護(hù),實(shí)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(jìn)后圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布特征,揭示了應(yīng)力場(chǎng)演化是巷道圍巖變形破壞的根源針對(duì)深部巷道圍巖變形破壞嚴(yán)重的現(xiàn)狀進(jìn)行了圍巖應(yīng)力、位移及破壞的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及室內(nèi)巖石物理力學(xué)性能測(cè)試,揭示了深部巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)、破壞場(chǎng)的演化規(guī)律,并分析了應(yīng)力場(chǎng)對(duì)位移場(chǎng)及破壞場(chǎng)的相互影響規(guī)律,主要結(jié)論如下:(1)深部巷道圍巖主應(yīng)力時(shí)間效應(yīng)表現(xiàn)為:隨時(shí)間增加,距巷道表面1m范圍內(nèi)巷道圍巖最大主應(yīng)力逐漸降低,2~7m范圍圍巖最大主應(yīng)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(yīng)力逐漸增加;空間效應(yīng)表現(xiàn)為:近巷道表面圍巖一定距離存在由最大主應(yīng)力組成的高應(yīng)力區(qū),且隨掘進(jìn)距離的增大,巷道圍巖主應(yīng)力峰值點(diǎn)逐漸向巷道深部轉(zhuǎn)移,近巷道表面圍巖主應(yīng)力逐漸降低。(2)在巷道圍巖主應(yīng)力逐漸向深部轉(zhuǎn)移過(guò)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(gè)階段。受掘進(jìn)施工影響,巷道圍巖由三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)為二向應(yīng)力狀態(tài),急劇變形階段受?chē)鷰r應(yīng)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(duì)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(yán)重破碎、環(huán)向裂隙為主,距巷道掘進(jìn)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(duì)較深,圍巖塑性破壞主要發(fā)生在高應(yīng)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(shì)。(4)基于室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)測(cè)試,分析了深部巷道圍巖物理力學(xué)特性,發(fā)現(xiàn)了深部巷道圍巖巖性整體偏軟,單軸抗壓強(qiáng)度低于25MPa,為地質(zhì)軟巖范疇;三軸壓縮試驗(yàn)表明,不同圍壓條件下,試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線發(fā)展趨勢(shì)基本一致,隨圍壓的增大,試件強(qiáng)度有所提高。2.揭示了巷道圍巖應(yīng)力殼形成力學(xué)機(jī)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(yīng)力表達(dá)式,并基于開(kāi)挖面空間效應(yīng)分析了巷道圍巖不同掘進(jìn)距離及不同支護(hù)強(qiáng)度下圍巖應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律,進(jìn)而揭示了巷道圍巖應(yīng)力殼形成力學(xué)機(jī)制。(1)建立了非均勻應(yīng)力場(chǎng)下深部巷道變形破壞力學(xué)模型,基于巖石損傷理論構(gòu)建了圍巖應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)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(kuò)容機(jī)制的基礎(chǔ)上獲取了四個(gè)分區(qū)圍巖應(yīng)力解析解。(2)定義了巷道圍巖應(yīng)力殼成殼系數(shù)Q,其表達(dá)式如下:(?)當(dāng)Q(27)0時(shí),圍巖切向應(yīng)力小于1.2倍的原巖應(yīng)力,表明圍巖體處于應(yīng)力殼之外;當(dāng)Q(29)0時(shí),表明圍巖體處于應(yīng)力升高區(qū),即在應(yīng)力殼范圍。當(dāng)Q(28)0時(shí),表明巷道圍巖應(yīng)力為應(yīng)力降低區(qū)和應(yīng)力升高區(qū)的分界點(diǎn),或應(yīng)力升高區(qū)和原巖應(yīng)力的分界點(diǎn),即圍巖應(yīng)力殼的內(nèi)邊界和外邊界。圍巖應(yīng)力殼存在于巷道圍巖切向應(yīng)力超出原巖應(yīng)力20%的應(yīng)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(yīng)力殼外邊界為彈性應(yīng)力區(qū),接近原巖應(yīng)力,內(nèi)邊界為塑性軟化區(qū)。應(yīng)力殼承載了外側(cè)大部分覆巖的重量,應(yīng)力殼的存在是巷道圍巖實(shí)現(xiàn)自穩(wěn)的關(guān)鍵。(?)3.揭示了巷道圍巖應(yīng)力殼三維空間展布形態(tài)和時(shí)空演化特征基于巷道圍巖應(yīng)力殼力學(xué)形態(tài)和時(shí)空演化規(guī)律,以巷道圍巖三維應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)及破壞場(chǎng)等特征參數(shù)為對(duì)象,對(duì)深部巷道圍巖應(yīng)力殼力學(xué)特征及其相互作用關(guān)系進(jìn)行了研究,進(jìn)一步揭示了深部巷道圍巖應(yīng)力殼的時(shí)空演化特征。(1)揭示了深部巷道圍巖應(yīng)力殼時(shí)空效應(yīng),即由高應(yīng)力束組成的巷道圍巖應(yīng)力殼隨推進(jìn)距離增大逐漸呈現(xiàn)向巷道深部轉(zhuǎn)移的規(guī)律,應(yīng)力殼內(nèi)、外邊界向深部轉(zhuǎn)移的同時(shí),殼體厚度逐漸增大,受控于應(yīng)力殼向圍巖深部轉(zhuǎn)移規(guī)律的影響,巷道圍巖表面低應(yīng)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(guò)程中,圍巖變形速率存在突變點(diǎn),揭示了該突變點(diǎn)與巷道圍巖應(yīng)力殼的相關(guān)性,指出控制圍巖變形的關(guān)鍵即為控制巷道圍巖應(yīng)力殼內(nèi)邊界不向巷道深部轉(zhuǎn)移,保持巷道圍巖應(yīng)力殼的相對(duì)穩(wěn)定,能減小被應(yīng)力殼保護(hù)的低應(yīng)力區(qū)發(fā)生變形破壞的趨勢(shì)。(3)隨埋深增加,巷道圍巖應(yīng)力殼向巷道深部轉(zhuǎn)移的程度逐漸增大,一方面圍巖主應(yīng)力集中的范圍逐漸擴(kuò)大,另一方面最大主應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)作用,尤其是水平應(yīng)力的不斷增加,巷道圍巖應(yīng)力殼逐漸由水平橢圓形向垂直橢圓形轉(zhuǎn)變,同時(shí)對(duì)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(yīng)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(yīng)力殼向深部轉(zhuǎn)移進(jìn)而造成深部巷道失穩(wěn)破壞的關(guān)鍵力學(xué)參數(shù),進(jìn)一步完善了控制最小變形理念,指出其力學(xué)本質(zhì)為控制巷道圍巖變形速率的突變,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用(1)豐富了控制巷道圍巖最小變形理念,即在巷道圍巖應(yīng)力殼保護(hù)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(shí)對(duì)巷道易先破壞部位進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù),抑制變形破壞的擴(kuò)展,適時(shí)對(duì)巷道頂幫圍巖進(jìn)行強(qiáng)化支護(hù),同時(shí)對(duì)巷道底板進(jìn)行支護(hù)加固,保證圍巖應(yīng)力殼不向巷道深部擴(kuò)展,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)巷道長(zhǎng)久安全穩(wěn)定支護(hù)。(2)揭示了不同支護(hù)方案下巷道圍巖應(yīng)力殼演化特征及其與圍巖位移場(chǎng)、破壞場(chǎng)的相互作用關(guān)系,對(duì)巷道表面圍巖體提供適量的支護(hù)強(qiáng)度,可使巷道圍巖主應(yīng)力峰值向巷道表面轉(zhuǎn)移,從而使巷道圍巖體處于應(yīng)力殼內(nèi)邊界保護(hù)范圍內(nèi),并對(duì)該區(qū)域進(jìn)行及時(shí)有效支護(hù),可實(shí)現(xiàn)深部巷道圍巖安全穩(wěn)定支護(hù)。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TD353;TD322
【部分圖文】：

1 引言1 引言意義生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中占 76%，石油占 9%，天然氣多油少的特點(diǎn)，且能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭資源構(gòu)如圖 1.1 所示。國(guó)家關(guān)于《能源中中明確指出，我國(guó)仍將堅(jiān)持以煤炭為主體能源戰(zhàn)略。中國(guó)工程院關(guān)于《中國(guó)能源提出煤炭資源在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期內(nèi)，仍將是此可以預(yù)測(cè)，在未來(lái)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)煤炭作為的，具有不可代替性。

圖 1.3 煤炭資源儲(chǔ)量與采深示意圖Fig.1.3 Coal resources reserves and depth深部開(kāi)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(qiáng)烈開(kāi)采擾動(dòng)影響，逐漸呈現(xiàn)與淺部不同的變形形、長(zhǎng)時(shí)蠕變、粘性流動(dòng)等復(fù)雜力學(xué)特性。正是由于上述深性導(dǎo)致現(xiàn)有的巷道支護(hù)理論與技術(shù)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(guó)煤巷道已達(dá)上百萬(wàn)米，雖然眾多專(zhuān)家學(xué)者在深部巷道圍巖穩(wěn)定成果[6-9]，但深部巷道支護(hù)機(jī)理仍需進(jìn)一步研究，提出適用于理論和支護(hù)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)深部煤炭資源安全高效采掘必須解決巷道力學(xué)特性復(fù)雜的根源為采深增加造成的絕對(duì)應(yīng)力增大，深部巷道圍巖一系列失穩(wěn)問(wèn)題，例如劇烈變形、嚴(yán)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(yīng)力演化

2 巷道圍巖力學(xué)特性試驗(yàn)研究實(shí)測(cè)分析案布置大巷圍巖變形破壞嚴(yán)重的特征，采用礦圍巖體內(nèi)部破裂進(jìn)行觀測(cè)分析，在巷道 32mm、長(zhǎng)度 8m 的鉆孔，通過(guò)鉆孔成深部破壞實(shí)測(cè)方案如圖 2.12 所示。成孔于后期鉆孔呈現(xiàn)觀測(cè)。具體方法是，用高屑為止。清洗過(guò)后，將鉆孔電視探頭慢巖破裂情況。

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本文編號(hào)：2820951