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随着我国国民经济的迅速发展,水利、交通和煤炭等各行业地下工程的规模和深度均呈增大趋势,特别是煤炭行业,矿井的开采深度正在逐年增加。深部岩体处于复杂的地质环境下,高地应力、高地温、高渗透压以及强时间效应,使得深部岩体的基本力学特征和工程响应与浅部岩体相比均发生了根本性的变化。由于存在着高赋存地应力和围岩低强度之间的突出矛盾,深部地下工程开挖后造成的应力集中和应力重分布都将导致巷道围岩内很大范围的岩体进入峰后破裂状态,从而引起巷道的整体非线性大变形。
本文针对煤矿深部巷道围岩普遍处于破裂状态,且表现出强烈非线性大变形的特点,采用能够模拟围岩大变形的非连续介质方法,提出了一种能从近似连续介质到非连续介质整体模拟的分析方法,以此来分析巷道围岩破裂大变形的机理。以此为出发点,进行了节理本构模型的研究、巷道围岩破裂大变形模型方法的研究。最终,将以上研究成果应用于淮南矿区顾北煤矿南翼(11-2)轨道巷的围岩大变形机理的分析中。概括来讲,本论文的主要研究内容如下:
(1)基于巷道开挖引起的围岩中应力的卸荷方式,对含贯通与非贯通节理的岩块进行了分析,明确了含节理岩块的强度更低、变形更大;以此为基础,结合Saeb and Amadei节理模型,建立了考虑加卸荷效应的节理本构模型,并通过VC++编程,将其嵌入UDEC软件中,通过数值试验证明了其有效性。
(2)考虑到巷道开挖后,一定范围内的围岩经历从连续到不连续的转化过程,基于UDEC软件的特点,从理论框架、网格划分、初始参数的选取、节理强度准则等四个方面建立巷道围岩破裂大变形模拟方法,并在UDEC实现。通过整体模拟对巷道开挖引起围岩的破裂演化过程进行了分析,证明了其有效性。
(3)以淮南矿区顾北煤矿南翼(11-2)轨道巷为工程实例,在之前建立的考虑加卸荷效应的节理本构模型和围岩破裂大变形模拟方法的基础上,主要集中于开展深部巷道高地应力软弱围岩破裂大变形机理的研究工作。首先,根据巷道所处工程区的地质条件建立相应的计算模型,根据连续分析的结果,建立含潜在节理的计算模型,进而从塑性屈服区、破裂碎胀区分布及其深度和大小等不同的角度分析和总结了围岩破裂演化的规律和特征,进而通过本文所建立的节理模型与UDEC内置模型的计算结果进行了对比,说明了考虑加卸荷效应对模型巷道变形的重要性,最后,通过含原生节理和潜在节理模型的计算对比,分析了原生节理对巷道变形的影响,从而最终揭示了巷道围岩大变形的机理。