深井巷道层状围岩变形破坏特征及机制研究
胡善超
(山东科技大学 矿山灾害预防控制省部共建国家重点实验室培育基地，山东 青岛 266590)
HU Shanchao
(State Key Laboratory of Mining Disaster Prevention and Control Co-founded by Shandong Province and the Ministry of Science and Technology，Shandong University of Science and Technology，Qingdao，Shandong 266590，China)
摘要 层状岩体变形破坏特征与均质岩体存在很大差别，深入揭示层状围岩在掘进过程中的变形破坏特征和机制，对于确保矿井安全生产具有重要的理论意义。本文通过进行层状岩石室内试验，建立了横观各向同性应变软化力学模型，通过掘进全过程的现场监测和数值模拟结果揭示了深井层状围岩的变形破坏特征和机制，采用相似材料试验揭示了预应力锚杆支护结构对层状围岩变形破坏的控制作用。学位论文完成的主要工作有：
(1) 分别开展了不同层理角度时的互层状砂岩三轴压缩试验、岩样破裂面的电镜扫描和巴西劈裂试验。分析结果表明：层状岩石强度随层面角度增大呈U型分布规律，层状岩石的各向异性程度随围压增大而降低；层状岩石破坏形式由围压、层理角度和岩石细观结构共同控制；竖直层理岩样弹性模量大于水平层理，倾斜层理岩样最小，这主要是由不同层理倾角时层状岩石的承载方式决定的；岩样抗拉强度随线荷载与层面角度增大而增大，其机制为岩样破坏由层理面的剪切破坏演化为穿过层理面的剪切–拉伸破坏，并最终过渡为基质的拉伸破坏。
(2) 针对现有横观各向同性力学模型未考虑单元应力状态的不足，基于互层状砂岩压缩试验结果，提出了考虑体积应力的塑性内变量表达式，并以此为基础分别研究了基质和层理的应变软化规律，建立了考虑体积应力的横观各向同性应变软化力学模型。基于该模型编制了相应的岩石变形破坏有限差分程序，并通过试验结果进行了检验。结果表明，无论从曲线的变化规律还是定量描述上，数值计算结果和试验曲线均体现了很好的一致性，说明利用该模型可以较好地反映层状岩石的力学特性和变形特征。
(3) 采用单因素分析方法对建立的横观各向同性力学模型的参数进行了敏感性分析，确定了对围岩变形敏感的参数；通过设计基于粒子群(PSO)优化算法的参数反演程序并将其嵌入FLAC3D程序中，建立了对变形敏感的力学参数的反演方法，为深井巷道层状围岩开挖模型参数的确定奠定了基础。
(4) 以济宁三号煤矿深井层状围岩为研究对象，通过布置超前监测断面，首次获得了煤矿深井巷道掘进全过程的变形规律，将巷道围岩变形划分为缓慢增长、迅速增加和变形稳定三个阶段，得出其演化机制主要与围岩的瞬间卸荷及应力调整有关。通过掘进面后方收敛变形的监测，将巷道表面收敛变形划分为失稳破坏、持续变形和变形稳定三个阶段，得到围岩变形的空间效应主要集中体现在第一阶段，而时间效应则主要体现在第三阶段。
(5) 基于深井巷道围岩深部位移实测数据，采用前文确定模型参数反演方法，得到了对变形敏感的七采区层状围岩力学参数。将所建立的横观各向同性应变软化模型应用于深井层状围岩巷道的分步开挖过程的模拟，获得了围岩的应力、塑性区和变形等参数随掘进面推进的演化规律，并给出了相应的巷道支护建议。通过相似材料试验分别模拟了未施加锚杆和施加预应力锚杆后含人工预制层理试样的变形破坏特征，揭示了预应力锚杆支护结构对于层状岩体变形破坏的控制作用和效果，为现场施工及支护设计提供了理论支撑和依据。
关键词 ：
岩石力学 ,
深井巷道 ,
层状围岩 ,
力学模型 ,
现场实测 ,
变形破坏特征
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