动静条件下巷道围岩破坏机理试验与数值模拟研究

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目前,随着浅部煤炭资源的枯竭,煤炭开采已经进入深部,原本应用于浅部的理论不再适用于深部巷道问题,巷道围岩具有了新的破坏形式。除煤炭行业以外,石油、国防以及核废料储存等部门也遇到了深部岩体开挖的工程技术问题。因此,研究深部高地应力巷道的破裂机理是十分迫切和必要的,并且能够为深部巷道的支护提供理论依据。  本文采用地质力学模型试验和数值计算相结合的研究手段对深部高地应力巷道的破裂机理进行研究,主要采用总参工程兵科研三所和淮南矿业集团联合研制的“深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验系统”对模型试验部分进行研究;采用Flac3D模拟为主,ANSYS建模为辅的数值模拟手段对深部巷道破裂机理进行数值模拟研究。本文的主要内容包括如下几个部分:  1.开展了静态开挖围岩破坏机理模型试验研究。巷道围岩在轴向荷载作用下呈现环带状间隔分区破裂现象;开洞荷载不同,最大荷载相同时,开洞荷载较小者,破坏范围及程度小;巷道形状对巷道受力和破坏有重要影响,巷道断面越光滑,破坏范围及程度越小;巷道倾角不为0时,底脚处应力集中,产生向下裂缝。  2.采用数值计算方法对模型试验进行了模拟与深化研究。数值计算结果与模型试验结果吻合较好,其中巷道倾角30°时,围岩的塑性区和应变软化区体积最大;巷道水平夹角在30°上下时,围岩塑性区体积、位移等变化量或急剧增大,或明显减小;跨度相同的巷道,巷道高度越大越不稳定,塑性区体积越大。  3.运用FLAC3D的FISH语言开发了深部隧洞开挖动态卸载围岩响应模拟计算程序。采用该程序模拟了隧洞动态卸载围岩的动态响应。结果表明卸载时间越短、卸载路径先慢后慢、方形隧洞、隧洞直径越大,地应力和差值越大围岩内最大最小主应力应力差也越大。  4.针对模型试验和数值计算部分巷道具有的破坏形式,提出了相应的支护对策,不仅有效控制了巷道的整体变形,而且大大提高了锚杆的经济利用效率。
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