含弱面试件锚固机理及基于Hoek-Brown准则的破裂围岩控制

摘要

随着煤层开采深度不断增加，深部巷道围岩赋存状况更为复杂，巷道围岩存在较多节理弱面的非连续破裂现象，导致与岩体节理面有关的岩体力学灾害日趋增多，对深部煤炭资源的安全高效开采造成了巨大的威胁。弱面岩体锚固机理的特殊性及复杂性，对节理弱面岩体锚固带来了很大困难，所以，节理弱面岩体的锚固机理研究及破裂巷道围岩合理支护范围确定是非常必要的。本文采用室内试验、数值模拟与理论分析的方法，旨在探究弱面岩石的锚固作用机制，确定破裂巷道围岩的支护机理。
　　采用数字散斑试验方法，对完整和弱面试件的损伤破裂演化过程及变形场分布特征进行了探究。试验结果表明:锚固作用对提高完整岩石及弱面岩石试件强度具有明显的作用，含弱面试件的弱面倾角越小，整体强度越大;完整锚固试件、弱面无锚固试件及弱面锚固试件均表现出明显的“三阶段”损伤破裂过程，含不同倾角弱面的锚固试件最终均沿远离弱面的边角连线方向发生破坏;数字散斑分析锚固试件表面变形场可知，锚杆对锚固方向的位移具有良好的控制作用，而且锚固区内的小变形区为一个近似的锥形，弱面锚固试件的锥形小变形区被弱面隔断。
　　通过FLAC3D数值模拟技术，模拟了试件的滑移变形破坏过程，研究分析了完整及弱面锚固试件应力分布规律、变形与破坏特征。结果表明:试件锚固方向的应力分布形态为锥形，弱面锚固试件的应力锥被弱面隔断，同时，锚固作用限制了基体的滑移变形，与试验所得结果相符;弱面锚固试件的最大主应力在远离弱面的两边角连线方向较大;锚杆平均轴力与剪力随着弱面倾角的增大而增大，锚杆剪力在弱面附近呈“S”形分布特征。模拟结果与试验结果互映互补，进一步深入研究了弱面岩体锚固机理。
　　针对巷道围岩存在较多软弱破裂面的特点，基于Hoek-Brown强度准则，确定巷道围岩切向应力的计算方法，阐释破裂巷道围岩的松动范围，巷道围岩切向应力与松动圈大小均与巷道围岩岩性、破裂程度参数m，s和自身强度有关;基于H-B强度准则确定的破裂围岩松动范围与传统计算方法比较分析，基于H-B准则确定的围岩松动范围与现场探测所得的结果更相近，验证了计算方法的有效性;基于H-B准则，确定工程岩体参数m、s、a，结合工程现场对弱面锚固组合拱支护机理进行了工程应用，并对组合拱承载性能进行了理论分析。对破裂围岩的支护控制研究具有一定的借鉴意义。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

2 含弱面锚固试件损伤演化规律试验研究

2．1 数字散斑相关技术

2．2 试件制备与数字散斑试验

2．3 完整岩石锚固试件变形破坏特征

2．4 含软弱面试件锚固特性及规律

2．5 不同倾角弱面试件锚固作用规律

2．6 本章小结

3 含弱面试件锚固机理数值模拟及分析

3．1 含弱面试件模型建立及模拟方案

3．2 完整试件锚固特性规律模拟研究

3．3 含弱面岩石试件锚固模拟结果及分析

3．4 本章小结

4 基于Hoek-Brown准则的破裂围岩松动范围计算及控制

4．1 Hoek-Brown强度准则

4．2 破裂巷道围岩松动范围计算分析

4．3 破裂围岩支护控制工程应用及分析

4．4 本章小结

5 结论与展望

5．1 主要结论

5．2 主要创新点

5．3 不足与展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间主要成果