节理煤岩体三维结构建模及锚杆加固作用研究

来源 :中国煤炭科学研究总院 煤炭科学研究总院 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong553
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煤岩体结构中原生节理裂隙普遍发育,这对布置其中的巷道安全稳定性影响显著。工程实践证明,锚杆支护对节理煤岩体具有良好的加固效果;目前国内外对节理煤岩体巷道的锚杆支护技术开展了广泛研究,但关于煤岩体节理真实结构建模及锚杆支护对节理煤岩体的加固作用研究的不够深入。  本文以天然节理煤岩体为研究对象,通过CT扫描试验、实验室可观测三轴力学试验、巷道现场勘查、离散元数值模拟分析等综合方法,进行了以下研究工作:①构建天然节理煤岩的数值网络模型,开展不同加锚方式的CDEM数值试验。②节理原煤、预制单节理型煤试样在单轴、常规三轴及卸围压路径下的加锚力学试验研究。③现场节理产状勘察统计,构建巷道节理煤岩体结构离散元数值模型,开展不同煤层节理分布形式的锚杆加固效果数值模拟分析。以节理煤岩的锚杆加固作用为研究核心,获得了以下成果:  (1)基于三维CT扫描实现了不同天然节理分布类型的煤岩三维结构数字模型重构,能够清晰显现夹矸、节理裂隙及其连通性等空间状态。  (2)通过实验室试验获得了锚杆对节理煤岩的加固效应:垂直节理面的锚杆加固能够改变节理煤岩原有破坏方式,使其向类似完整岩石的剪切破坏特征转变,强化了煤岩峰后塑性变形与残余强度,阻止抑制节理裂隙面扩展张开,抵抗煤岩破裂的整体膨胀扩容。  (3)利用3-Matic体网格剖分映射算法构建了天然节理煤岩体FEA网格模型,采用 CDEM数值算法实现了不同加锚方式的节理煤岩破裂全过程数值模拟分析,结果获得:垂直节理面的加锚作用显著改变了煤岩的破坏状态,促使煤岩体产生新的剪切破裂面,验证了实验室力学试验的锚杆锚固效果。垂直节理面加锚杆后的煤岩单轴抗压强度比原煤试样整体增加了18%,加载端面的峰后残余强度提高了58.7%,应力峰值之前的变形能力有了较大程度的提高,峰后残余强度得到显著增强。平行节理面加锚后峰值强度提高5%,峰值前变形能力提高较小,峰后强度得到一定增强;煤岩破裂状态没有得到根本改变,最终破裂面仍然受原生节理面控制。  (4)采用3DEC建立了巷道节理煤岩体网络结构数值模型,模拟分析了煤层分别存在垂直、平行巷帮的节理分布下锚杆的加固效果,结果表明:平行巷帮节理分布相比垂直巷帮的情况,巷道整体变形特征与应力场分布具有相同的规律,但量值均有所增大,锚杆支护对巷道平均变形的控制效果基本相当。锚杆支护对垂直巷帮节理分布时的煤帮水平变形控制作用明显,相比无支护使煤帮回缩量最大降低16.5%;锚杆支护对平行巷帮节理的张开扩展控制作用显著,相比无支护时节理张开宽度降低41%。
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