高地应力深部巷道分区破裂现象地质力学模型试验研究

摘要

随着经济建设的不断发展，深部洞室岩体工程越来越多，埋藏深度越来越大，大量工程现场监测发现深部巷道围岩中出现了破裂区和完整区间隔排列的分区破裂化现象。为了从模型试验上模拟这种现象，本文以国家自然科学基金项目为依托，以淮南矿区丁集煤矿为背景工程进行了深部巷道分区破裂相似材料三维地质力学模型试验，结合对现场监测结果和模型试验的对比分析，初步揭示了深部巷道围岩分区破裂的形成特征和破坏机制，研究结果对深部巷道分区破裂的控制设计和施工具有十分重要的意义。本文的研究工作和相关研究成果如下： （1）以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景，根据原岩物理力学参数，进行了大量的相似材料力学参数测试试验，得到了满足相似要求的模型相似材料和材料配比。 （2）参与设计研制了高地应力真三维加载地质力学模型试验系统，该系统能自动进行试验模型前后、左右、上下方向的独立、同步真三维加载，有效保证了模型巷道在轴向加载状态下进行开挖，解决了地下洞室试验模型轴向加载开挖的难题。 （3）采用铁晶砂胶结新型岩土相似材料和自行研制的高地应力真三维加载模型试验系统，通过三维地质力学模型试验在国内首次再现出了深部巷道围岩的分区破裂化现象。 （4）通过多种测试仪器和测试技术获得深部巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律，模型试验得到的洞周围岩分区破裂层数和破裂区分布范围与现场实测结果基本一致，表明地质力学模型试验能够有效模拟深部巷道在高地应力作用下的非线性变形特征和破坏规律。 （5）根据模型试验现象和试验结果，分析了轴向应力、洞径、洞型、采动及时间因素对分区破裂的影响，初步揭示了深部巷道围岩分区破裂的形成特征和破坏机制，为高地应力深部巷道围岩的非线性变形理论研究奠定了坚实的试验基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1现场观测的研究现状

1.2.2分区破裂化机制的研究现状

1.2.3地质力学模型试验的研究现状

1.3研究内容和技术路线

1.3.1研究内容

1.3.2技术路线

第二章地质力学模型试验的相似理论

2.1引言

2.2模型试验的相似理论

2.3模型试验的相似比尺

2.4相似关系的推导

2.5模型试验的相似关系

2.6本章小结

第三章模型试验相似材料的配制

3.1引言

3.2相似材料的选择原则

3.3相似材料的确定

3.4相似材料力学参数测试

3.4.1原型和模型力学参数

3.4.2测试试件的制作

3.4.3相似材料物理力学参数的测试

3.4.4材料组份对材料力学性质的影响

3.5相似材料的技术优势

3.6本章小结

第四章高地应力真三维加载模型试验系统的研制

4.1引言

4.2模型试验系统的设计

4.3模型试验系统的构成

4.4模型试验系统的技术优势

4.5本章小结

第五章深部巷道分区破裂三维地质力学模型试验研究

5.1分区破裂的现场观测

5.2试验模型的加工制作

5.3测量元件的布置和埋设

5.3.1应变砖的布置和埋设

5.3.2格栅光尺多点位移计的布置和埋设

5.3.3光纤光栅应变传感器的布置埋设

5.4模型的开挖与测试

5.5模型测量数据的分析

5.5.1格栅光尺多点位移计测量数据分析

5.5.2光纤光栅应变传感器测量数据分析

5.5.3高速静态电阻应变仪测量数据分析

5.5.4模型试验与现场监测的对比分析

5.6分区破裂化机制的初步分析

5.6.1轴向应力对分区破裂化的影响

5.6.2洞径和洞型对分区破裂化的影响

5.6.3采动因素和时间因素对分区破裂化的影响

5.7本章小结

第六章结论和展望

6.1本文总结

6.2展望

参考文献

致 谢

硕士期间参与的科研项目和主要成果