深部多场耦合环境下的巷道变形规律与支护方法研究

摘要

“三高一扰动”是长期困扰深部开采的重要问题,其实质就是深部岩体长期处于应力场、渗流场和温度场耦合作用环境中导致岩石性质已经不同于浅部,使得适用于解决浅部开采问题的方法和理论不再有效。而解决这一问题的关键在于加深对深部环境中的岩石力学特性认识并利用非线性力学等更复杂理论进行研究。本文通过理论分析和数值模拟手段,基于THM三场耦合条件下研究巷道围岩变形破坏规律和应力位移分布特征,并且在此基础上提出了可以有效控制围岩变形的支护方案。本论文主要进行的研究工作如下:
　　(1)总结分析了岩石应力应变关系特点以及多种强度准则。推导出基于不同强度参数(包含直线型、抛物线型和双曲线型)、不同软化参数(包含等效塑性应变和等效塑性剪应变)和不同强度理论(包含C-M准则和D-P准则)的岩石峰后应力应变关系表达式。通过对十组不同岩石类型应力应变曲线分析,拟合得到了残余应变和围压之间对数函数关系,进一步完善推导得出的应力应变关系表达式。
　　(2)阐述了深部岩石所处复杂应力场、自身破坏特点以及深部出现的分区破裂化、脆延转换等独有的力学现象。运用 FLAC3D软件建立起应力场条件下数值计算模型,根据模拟所得的应力、位移和塑性区条件分析了埋深、水平构造应力方向、残余强度和软化模量对巷道变形破坏的影响。
　　(3)总结分析了应力场、渗流场和温度场三场之间的耦合关系,改进了三场平衡方程,主要是把岩石应变软化和弹塑性耦合特性融入到平衡方程中,并得到相应的有限元形式方程。运用 FLAC3D软件建立起包含应力场、渗流场和温度场的数值计算模型,根据模拟所得的应力、位移和塑性区分析了孔隙水压、孔隙率、温度和对流换热系数对巷道变形破坏的影响。
　　(4)分析了锚杆长度、锚固长度、锚索布置以及喷浆层厚度对巷道支护效果的影响。研究了锚杆+锚索+喷浆联合支护在多场耦合巷道中围岩变形控制程度,结果表明这种支护方式可以取得了良好的支护效果。无支护与联合支护相比,两帮移近量下降74.28％、顶底板移近量下降67.28%,顶板下沉量下降78.21%。锚索支护对于控制围岩残余区有较大作用,喷射混凝土支护具有很强的提高围岩承载能力作用。

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变量注释表

1绪论

1.1研究目的及意义(ResearchBackgroundand Significance)

1.2国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad)

1.3研究内容(Research Contents)

1.4研究方法和技术路线(Research Methods and TechniqueWay)

2 岩石应变软化特性

2.1岩石基本力学行为分析(Analysisof BasicBehaviorof Rock)

2.2岩石峰后应力应变关系(Stress-strainRelationshipof Rock after the Post Peak)

2.3数值试验的对比(Comparison of Numerical Test)

2.4混凝土单轴压缩实验(Uniaxial Compression Tests of Concrete)

2.5本章小结(Brief Summary)

3深部高应力条件下巷道变形特征

3.1深部巷道围岩变形破坏特点(FeaturesofDeformation and Failureof Surrounding Rock)

3.2深部巷道应变软化模型理论分析(TheoreticalAnalysis ofDeep Roadway Based on Strain-SofteningModel)

3.3深部巷道变形数值模拟分析(NumericalSimulationAnalysis of Deep Roadway Deformation)

3.4本章小结(Brief Summary)

4地下水和温度影响下深部巷道的变形特征

4.1 应力、渗流和温度三场相互作用(Three Field Interaction of Stress,Seepage andTemperature)

4.2应力、渗流和温度三场耦合数学模型建立(Establishment of Three-field CouplingModel)

4.3基于多场耦合的巷道开挖数值模拟研究(Numerical simulation ofexcavation roadway based on multi-field coupling)

4.4本章小结(Brief Summary)

5深部多场耦合环境下支护方法研究

5.1支护设计(Support Design)

5.2不同支护形式的数值模拟分析(Numerical Simulation of Different Support Form)

5.3本章小结(Brief Summary)

6 结论与展望

6.1主要研究成果与结论(The Main Findings andConclusions)

6.2进一步工作与展望(Further Work and Prospect)

参考文献

作者简历

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