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裂隙岩体应变软化损伤本构模型及其在软弱破碎巷道中的应用

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目录

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摘要

1 绪论

1.1 问题的提出

1.2 研究的意义

1.3 国内外研究现状

1.3.1 岩石损伤力学研究现状

1.3.2 岩石应变软化理论研究现状

1.4 存在的问题

1.5 研究内容

1.6 技术路线

2 考虑应变软化效应的裂隙岩体损伤机理研究

2.1 裂隙的统计

2.2 岩石应变软化特性

2.3 裂隙岩体损伤变量

2.3.1 损伤变量的定义

2.3.2 岩体初始损伤张量

2.3.3 裂隙起裂准则

2.3.4 裂隙岩体损伤的演化

2.4 小结

3 裂隙岩体应变软化损伤本构模型及数值模拟研究

3.1 FLAC3D简介及计算原理

3.2 应变软化本构模型

3.3 裂隙岩体应变软化损伤本构方程的FLAC3D格式

3.4 自定义本构模型的编写

3.5 自定义本构模型的加载与运行

3.6 裂隙岩体应变软化损伤本构模型的验证

3.6.1数值模型的建立

3.6.2 不同本构模型下数值模拟结果分析

3.6.3 不同裂隙参数下数值模拟结果分析

3.7 小结

4 采动影响下的软弱破碎巷道的数值模拟研究

4.1 工程背景

4.2 数值模型的建立

4.3 岩石力学参数的选取

4.4 不同支护方案下数值模拟结果分析

4.4.1 巷道位移分析

4.4.2 巷道应力分析

4.4.3 巷道塑性区分析

4.5 小结

5 软弱破碎巷道围岩稳定性的现场研究

5.1 巷道围岩变形破坏主要原因

5.2 巷道维护设计方案

5.3 巷道观测方法原理

5.4 巷道观测及分析

5.5 小结

6 结论与不足

6.1 结论

6.2 不足

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果

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摘要

随着煤矿开采不断向深部发展,地应力随之增大,工程地质条件更加恶劣,岩体软化现象愈发明显,内部的节理裂隙逐渐发育,力学性质发生变化,变形模量及各种力学参数随之降低,岩体变得软弱而破碎,加大了巷道围岩支护的难度。为有效维护软弱破碎巷道围岩的稳定性,有必要深入研究软弱破碎巷道围岩的变形破坏机理,为支护提供合理化建议。
  本文根据软弱破碎巷道围岩的工程地质特征,首先从裂隙着手,通过对裂隙的野外观测,观察控制裂隙力学性质的主要参数。鉴于巷道围岩中裂隙的存在,认为裂隙岩体是蕴含损伤的连续体,并随裂隙的发育出现扩展,产生附加损伤。考虑到深部岩体峰后强度软化、裂隙大量发育等因素的影响,结合损伤力学和断裂力学,得到了裂隙岩体应变软化损伤本构方程。基于FLAC3D,在VC++的开发环境中,开发出裂隙岩体应变软化损伤本构模型。分别采用应变软化模型和裂隙岩体应变软化损伤模型对深埋圆形巷道进行数值模拟,将两种模型计算下的围岩变形、塑性区分布和安全系数进行对比分析,验证模型的合理性;接着对裂隙的倾角,裂隙的长度对巷道围岩稳定性的影响进行数值模拟研究。研究表明:随着裂隙倾角的增大,塑性区和位移量出现了先增大后减小的趋势,说明存在一个最不利倾角,在该倾角下,巷道围岩最不安全。伴随裂隙长度的增大,巷道围岩的塑性区和变形量都明显增大。以淮北矿业集团芦岭矿为背景,将裂隙岩体应变软化损伤本构模型应用到受上覆工作面影响下的-590大巷围岩稳定性的分析中。对多种支护方案进行数值模拟,分析在各种支护方式下围岩巷道的位移、应力及塑性区的分布特点,结果表明锚喷+锚索+锚注的支护方式可以有效得控制巷道变形破坏,能较好得维护好巷道围岩的稳定性。结合数值模拟的分析研究,将上述支护方案应用到实际的工程中。现场的观测数据表明,巷道围岩的变形破坏得到了有效的改善,观测的变形量和模拟结果大体一致,证明建立的裂隙岩体应变软化损伤本构模型能较好的模拟深部软弱破碎岩体的力学特性,可以为工程实践提供合理的指导。

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