深部缓倾斜层状软岩巷道底臌结构效应实验研究

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文深部缓倾斜层状软岩巷道底臌结构效应实验研究作者：陈峰学院：力学与建筑工程学院学号：TBP150602036学科专业：岩土工程导师：孙晓明教授2018年6月中图分类号：TD325单位代码：11413密级：公开博士学位论文中文题目：深部缓倾斜层状软岩巷道底臌结构效应实验研究英文题目：Experimentalstudyforstructureeffectoffloorheaveindeepslowlyinclinedsoftstratumrockmass作者：陈峰学号：TBP150602036学科专业：

2、岩土工程研究方向：软岩工程力学导师：孙晓明职称：教授论文提交日期：2018年4月20日论文答辩日期：2018年6月11日学位授予日期：2018年6月25日中国矿业大学（北京）摘要摘要随着开采深度的不断增加，越来越多的煤矿进入到深部开采阶段，许多巷道都出现了不同程度的底臌破坏现象，严重影响了人民的生命财产安全和煤矿的高效生产，是一个亟需解决的工程问题。但由于深部岩体复杂多变的赋存条件，再加上高应力、高地温和高渗透压这“三高”一扰动的影响，使得巷道底臌的变形破坏机理极其复杂。为了能够控制深部软岩巷道底臌，提出科学合理的底臌控制对策，就必须要围绕深井软岩巷道的底臌变形破坏开展相关的研究工作，掌握其

3、变形破坏机理。多数深井软岩巷道都处于沉积岩地层，岩层结构对巷道围岩产生的影响不容忽视，岩层结构赋存特征是诱发巷道底臌的重要因素，因此在研究深井软岩巷道底臌问题时应当把岩层的结构考虑进去，需要围绕层状岩体深井软岩巷道底臌变形破坏开展相关研究。本文针对深部缓倾斜层状软岩巷道底臌破坏问题，理论分析了层状岩体巷道底板结构及其受力特点，建立了缓倾斜层状软岩巷道底板岩梁的力学模型，并对底板岩梁的抗弯刚度、发生挠曲破坏的临界挠度和临界荷载进行分析，研究了缓倾斜层状软岩巷道底臌破坏的主控因素。以不同的深部软岩巷道为背景，开展了不同岩体结构条件下层状深井软岩巷道底臌破坏的物理模型实验，借助于数字图像相关技术、

4、红外热成像技术以及应变测量元件，获取了实验过程中的应力场、温度场及位移场数据，确定了不同岩体结构条件下层状深井软岩巷道发生底臌的应力条件及关键位置，获得了底板岩层失稳破坏前的异常温度变化特征，揭示了巷道发生破坏过程中巷道围岩的变形演化规律；同时利用3DEC离散元数值模拟软件，对不同断面形状、不同岩层倾角、不同岩层厚度条件下的深部缓倾斜软岩巷道底臌进行了模拟，研究了岩层结构效应对巷道底臌的影响。通过对深部缓倾斜薄层状圆形和直墙半圆拱形软岩巷道底臌进行研究得出了以下结论：（1）当侧压力系数较小时，巷道围岩的变形相对较小，巷道不会发生底臌破坏。随着侧压力系数逐渐增加，当侧压力系数达到一定的阈值后巷

5、道才会发生底臌破坏；巷道发生底臌破坏的过程中，巷道围岩的变形呈现出明显的非对称的特点，巷道两帮和底板的位移变化量相对较大，巷道顶板的位移变化量相对较小；（2）深部缓倾斜薄层状圆形巷道发生底臌破坏的关键位置位于巷道的右底脚区域，底臌发生的过程为：首先底板岩层发生错动，接着底板岩层开始向上产生挠曲并出现离层现象，随后底板岩层发生折断向上隆起发生严重的底臌破坏；I中国矿业大学（北京）博士学位论文（3）深部缓倾斜薄层状直墙半圆拱巷道发生底臌破坏的关键位置位于巷道的右底脚，巷道发生底臌破坏的过程为：首先底板上部岩层产生向上的挠曲变形，随着底板岩层挠曲变形的不断增大，底板上部岩层与其下部的岩层分离产生离

6、层现象，随后底板上部岩层发生断裂，其它岩层随断裂的底板向上隆起，最终巷道出现严重的底臌破坏现象；（4）巷道围岩发生破坏的过程伴随着异常的温度变化，巷道底板区域的岩层温度出现升高和降低的现象，温度升高说明底板岩层开始出现了错动摩擦，温度降低说明底板岩层受到损伤出现裂纹或裂纹扩展者是岩体应力状态的降低，巷道围岩的温度异常特征范围可以表征巷道围岩破坏的范围，因此岩体的温度变化特征能够在一定程度上反应岩体的力学行为；（5）巷道底板岩层受到较高的张拉应力，巷道底部的远侧岩体受到较高的压应力，巷道发生底臌破坏前巷道围岩体处于拉应力状态，而巷道远侧岩体处于压应力状态，巷道底板在这种拉压共同作用下破坏失稳发

7、生底臌破坏。通过对深部缓倾斜厚层状直墙半圆拱形软岩巷道底臌进行研究得出了以下的主要结论：（1）层状岩体深井软岩巷道，当底板为厚度较大的软弱岩层时，当侧压力系数较小时，巷道开挖过程中围岩也会产生一定的位移变形，其中巷道底板向上出现一定程度的隆起，底板的变形量大于两帮和顶板的变形量；（2）巷道开挖进尺对巷道围岩的应力状态产生了不容忽视的影响，随着开挖进尺的不断增加，首先巷道左底角和右底角区域的拉应力增加，接着巷道