巷道围岩峰后大变形过程稳定性特征及锚固控制机理研究

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1、巷道围岩峰后大变形过程稳定性特征及锚固控制机理研究第一章绪论1.1研究背景及意义现阶段随着煤炭开采的大规模进行开采深度越来越大，深部开采带来围岩在高应力条件下表现出工程强度低和易破碎等特征，容易造成工作面漏顶、煤壁片帮、煤与瓦斯突出，以及巷道围岩跨塌失稳等安全问题，严重制约着煤炭的安全开采因此，解决深部开采问题己成为保障煤炭供应的基本条件之一。巷道是煤矿开采运输、通风、行人的重要通道，其稳定性与否关系着煤矿能否正常开采。深部开采存在地应力高、围岩扰动大、原岩在高应力场中表现为软弱或脆弱的工程特征，巷道围岩几乎都处于其强度峰值之后的变形状态，存在

2、破碎程度大、破坏方式各异等特征，这使得巷道支护成为困扰煤炭深部开采的一项难题。为此，探索深部大变形巷道的稳定性原理和支护方法成为迫在眉睫的问题。围岩应力场特征、围岩结构特征和围岩控制对策是决定巷道围岩稳定性的三大要素。试验机性能的不断改进，尤其是刚性试验机和三轴试验机的问世使人们对围岩材料的变形性质有了全面的了解，各种强度理论的提出使人们对围岩在不同条件下的强度特征有了更加深入的认识。多年来，人们运用理论分析、现场实测、模拟实验、数值计算等方法对巷道围岩因采掘工序引起应力场和位移场的改变规律进行了系统的研究，取得了许多有益的结论，为有效进行巷道

3、围岩控制奠定了坚实的基础，支护-围岩共同作用原理的提出更使围岩控制技术和理论产生了质的变化。随着巷道围岩控制技术的发展，巷道围岩控制理论也不断得到丰富和完善。概括地说，巷道围岩控制理论研究的成果主要涵盖两个方面：1)对于巷道矿压特征的认识不断接近真实；2)对峰值强度前阶段巷道围岩与支护相互作用的规律掌握逐渐趋于准确。..1.2国内外研究现状巷道围岩峰后大变形过程中的稳定性特征及控制原理研究内容主要包括以下几个方面：巷道变形过程中围岩的物性演化过程、力学特性特征、围岩的失稳机理、围岩-支护相互作用规律、控制机理及方法。近年来国内外学者和专家在这方

4、面做了许多有意义的研究工作，并且从不同角度取得了许多研究成果，其详述如下：巷道位于地下岩体之中，对巷道稳定性的分析离不开岩石力学理论的支持。岩石力学理论的发展源于借用金属材料力学的研究成果，随着岩石力学研究的不断发展，岩石力学的应用得到了广泛传播并发展成为一门学科。岩石是一种天然介质，其结构复杂，内部节理、孔隙分布呈现无规律分布特征，结构从整体似连续体结构到裂隙体、块体、颗粒胶结体、散体等形式多样。作为工程载体其表现的力学性质也相差甚远，在服务期内可能表现出弹性、塑性、破裂、破碎、松动散体等特征[56]。因此，掌握岩石的力学行为是认识岩体工程特

5、性的必要条件之一。岩石材料具有非均勾性，岩石的压缩试验表明其应力-应变关系呈现离散性和多样性，而岩石力学的理论源于弹塑性力学，其试验在很大程度上还沿用弹塑性力学的试验基础，弹塑性力学理论的必要条件之一是材料的均质性，岩石由于其内部裂隙、胶结程度、颗粒大小等分布的随机性造成了岩块的不等质性和尺度效应，表现为其强度和刚度具有离散性[7，8]。单轴压缩试验得到的岩石强度和变形只能反映岩石单向应力状态下破坏前的力学特性，通常情况下具有脆性突发性破坏的特征，造成这种现象的原因是试验机刚度过小，试验机内储存的弹性能在试件破坏瞬间释放造成试件猛烈破断失稳，同

6、等条件下试验机的刚度越大其内部储存的弹性能越小，因此，只有当试验机的刚度远大于岩石试件的刚度时才能消除这种猛烈破坏现象，并记录试件破坏瞬间的载荷-位移特征。..第二章岩体峰后全过程特性及其本构模型研究2.1引言随着煤炭开采的快速进行浅部煤炭资源越来越少，煤炭开采在本世纪将会大范围的进入深部开采阶段。随着开采深度的不断增加，浅部开采围岩所表现的弹塑性力学状态在深部开采中已变为破裂、破碎状态，且随着开釆条件和工程特性的不同其表现的破坏程度不同，给煤矿正常生产和安全带来巨大损失。因此，深部开釆的问题是深部岩石力学问题之一，而在深部幵采中人们关心的不只

7、是围岩处于峰值强度和破坏前的特性，更侧重于岩石峰值强度后的强度与变形间的关系，即峰后本构关系。设计任何矿山巷道时都需要考虑两种因素：第一，工程实践中巷道周围通常都有一个范围很广的岩石破碎区；第二，采矿工程中巷道支护最根本的目的不一定是阻止围岩破裂，而是确保巷道围岩不发生过量位移[3]。巷道围岩稳定性不同于一般的隧道和地铁等地下工程，由于其服务性质的特殊性，使得巷道围岩经常处于峰后大变形状态，其围岩在巷道服务期间经历弹性4弹塑性破裂4破断破碎松动等过程，围岩分区示意图见图2-1[139]。目前关于岩石力学的研究成果多集中在峰值阶段，对峰后力学特性

8、的研究还不够完善。因此，要研究巷道围岩的稳定性首先应该掌握岩体的峰后特性，并寻找能够合理描述涵盖岩体峰后变形-受力特性的本构方程。2.2岩石压縮试验全