高地應(yīng)力條件下深部巷道圍巖分區(qū)破裂形成機制和錨固特性研究.pdf

1、近年來，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定增長，國家對地下洞室開發(fā)利用逐漸趨向于深部。在高地應(yīng)力、高滲透壓、高溫和開挖擾動等復(fù)雜惡劣地質(zhì)條件下，深部地下工程產(chǎn)生了諸如大變形、強流變等特殊的變形破壞方式。其中，分區(qū)破裂是最引人關(guān)注的問題。分區(qū)破裂是深部巷道圍巖在高地應(yīng)力下的特殊工程地質(zhì)現(xiàn)象，如果處理不當將會造成大范圍的巷道破壞。因此，國內(nèi)外專家學(xué)者對此進行了大量研究，但對分區(qū)破裂的形成機制仍沒有統(tǒng)一的結(jié)論。本文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項目“高地應(yīng)力深部巷

2、道圍巖非線性變形破壞機理及錨固特性的研究”，以淮南礦區(qū)丁集煤礦-910m深部巷道為工程背景，通過采用真三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗和理論分析相結(jié)合，并輔以現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的手段，全面系統(tǒng)研究了高地應(yīng)力條件下深部巷道圍巖分區(qū)破裂形成機制以及分區(qū)破裂形成過程中圍巖的變形破壞規(guī)律。以此為基礎(chǔ)，建立了分區(qū)破裂形成的條件判據(jù)，并研究了深部巷道圍巖分區(qū)破裂的錨固特性。主要的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：
　　 ⑴通過鉆孔電視對淮南丁集礦深部巷道進行圍巖破

3、壞觀測證實，深部巷道圍巖存在分區(qū)破裂現(xiàn)象。觀測結(jié)果初步表明深部巷道圍巖分區(qū)破裂的破裂形態(tài)、破裂區(qū)半徑、分布特征等與開挖巷道半徑密切相關(guān)。
　　 ⑵開展了預(yù)留洞室軸向壓縮破壞的模型試驗，發(fā)現(xiàn)軸向高壓力下洞室圍巖出現(xiàn)了多條間隔破壞線。初步表明軸向高壓力是導(dǎo)致產(chǎn)生分區(qū)破裂的重要因素。
　　 ⑶通過相似材料三維地質(zhì)力學(xué)模型試驗，再現(xiàn)出高地應(yīng)力條件下深部巷道開挖導(dǎo)致圍巖形成分區(qū)破裂現(xiàn)象，并獲得巷道圍巖位移和徑向應(yīng)變呈現(xiàn)波峰與波谷交

4、替分布的波浪形變化規(guī)律。試驗得到的分區(qū)破裂形態(tài)特征及圍巖位移分布規(guī)律與現(xiàn)場監(jiān)測基本一致。
　　 ⑷自主研制的高地應(yīng)力真三維加載模型試驗系統(tǒng)可用于同步、獨立地向模型施加三軸高地應(yīng)力。
　　 ⑸研究得到巷道圍巖裂紋的擴展軌跡。首先提出了受壓裂紋擴展的計算方法，然后通過擴展有限元將其應(yīng)用于裂紋擴展軌跡的計算，計算結(jié)果表明圍巖裂紋擴展到一定長度將最終趨向于形成環(huán)狀斷裂。高地應(yīng)力條件下深部巷道圍巖分區(qū)破裂形成機制和錨固特性研究

5、r>　　 ⑹通過對深部巷道圍巖應(yīng)力應(yīng)變場和能量場的研究，揭示了分區(qū)破裂的形成機制。即圍巖彈塑性區(qū)邊界存在著切向應(yīng)力峰值、徑向應(yīng)變不協(xié)調(diào)性和應(yīng)變能的聚集，使該區(qū)域形成與開挖洞室呈同心圓的環(huán)狀斷裂，從而導(dǎo)致圍巖卸荷及應(yīng)力重分布并使圍巖產(chǎn)生新的彈塑性區(qū)邊界。該過程不斷循環(huán)、遞進，便形成了分區(qū)破裂現(xiàn)象。揭示了分區(qū)破裂產(chǎn)生后圍巖位移與應(yīng)變呈波峰波谷波浪形分布的原因在于新的塑性區(qū)的不斷形成，使得新形成的塑性區(qū)的應(yīng)變和位移值出現(xiàn)突變。
　　

6、 ⑺通過研究得到形成分區(qū)破裂的地應(yīng)力特征為軸向地應(yīng)力第一或第二主應(yīng)力，各破裂區(qū)形成具有時間上的遞進性；當?shù)貞?yīng)力不足以達到判據(jù)時分區(qū)破裂過程停止；分區(qū)破裂形態(tài)與開挖洞室半徑、圍巖力學(xué)參數(shù)等有關(guān)，各破裂區(qū)半徑之間符合等比關(guān)系。這基本解釋了試驗和現(xiàn)場觀測到的現(xiàn)象。
　　 ⑻建立了分區(qū)破裂的起裂判據(jù)。首先提出了極坐標系下的滑移裂紋模型，并將其擴展到一定程度后等效為圓弧形裂紋，通過復(fù)變函數(shù)計算了其受圓形洞室影響下的應(yīng)力強度因子，認為當其大

7、于圍巖斷裂韌度時分區(qū)破裂開始形成。
　　 ⑼基于能量平衡原理建立了分區(qū)破裂的形成判據(jù)：首先通過研究認為圍巖開挖卸荷釋放的應(yīng)變能為圍巖破壞的能量來源，并計算了圍巖的可釋放應(yīng)變能；然后通過極坐標系下滑移裂紋模型計算了環(huán)狀斷裂形成所耗散的能量。當圍巖可釋放應(yīng)變能大于塑性區(qū)邊界環(huán)狀斷裂形成所耗散的能量時，分區(qū)破裂將會形成。
　　 ⑽將得到的分區(qū)破裂起裂判據(jù)程序化，將其嵌入擴展有限元平臺，初步經(jīng)過對高應(yīng)力下深部巷道的模擬，得到了圍