卸围压裂隙砾岩渗流-应力耦合流变特性研究

来源 :辽宁工程技术大学 | 被引量 : 3次 | 上传用户:leidyteam
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随着地下煤炭资源的不断延深开采、水利水电隧道和深大交通的大量建设,巷(隧)道掘进卸荷过程中,支护失效产生流变变形、富水及裂隙发育等灾害问题愈加凸显,致使巷(隧)道的快速掘进与安全运营均受到严重影响,故迫切需要了解在卸围压扰动作用下裂隙岩体渗流-应力耦合流变特性的演化规律。本文以红庆梁煤矿在建主斜井砾岩段为研究对象,采用现场调研、室内试验、相似材料模型试验、理论分析、数值计算及现场监测等方法研究卸围压裂隙砾岩渗流-应力耦合流变特性。取得了如下主要成果:(1)通过砾岩的常规三轴压缩试验,获得了砾岩偏应力-应变、体积应变-裂隙体积应变-轴向应变的关系曲线;基于M-C准则,得到了峰值应力对围压的敏感性最强,闭合应力对围压的敏感性最弱;内摩擦角与偏应力呈现正相关的关系;若偏应力不大于峰值应力时,粘聚力与偏应力呈正相关的关系,反之亦然;当围压≤12MPa时,变形参数与围压呈现正相关的关系;当围压>12MPa时,变形参数与围压呈负相关的关系,进而建立了砾岩的变形参数与围压的非线性函数关系。(2)通过渗流-应力耦合下砾岩三轴压缩试验,获得了砾岩偏应力-应变-渗透系数的关系曲线,建立了渗流-应力耦合下砾岩的渗透系数与轴向形变的函数关系;特征强度、弹性模量与渗透水压均呈现负相关的关系,且满足衰减指数模型的发展规律,建立了砾岩特征强度、弹性模量的渗流-围压耦合函数关系;泊松比与渗透水压呈正相关的关系,获得了不同围压下泊松比与渗透水压的函数关系,建立了砾岩泊松比的渗流-围压耦合函数关系。(3)通过对连续均质的渗流-应力耦合理论分析,确定出类砾岩相似材料的相似参数及相似比,基于正交试验设计方法,获得了主斜井砾岩段的类砾岩相似材料配比为水泥:砂子:水:减水剂=1:2:0.4:0.6%,砂子粒径为1.0mm2.0mm。(4)基于对裂隙的倾角、长度及其空间相对位置等敏感性因素的考虑,利用均匀设计理论,提出了单、双裂隙类砾岩相似材料的均匀设计试验方案,设计并研制了预置单、双裂隙砾岩试件的试验装置。(5)通过开展卸围压单裂隙砾岩渗流-流变耦合试验,获得了单裂隙砾岩渗流-流变耦合试验的全过程流变曲线;通过对不同卸围压、渗透水压、裂隙倾角、裂隙长度及单裂隙相对砾岩样顶端位置等5个指标的敏感性分析,得到了瞬时应变与蠕变应变对5个因素具有相同敏感性,其表现为渗透水压>裂隙长度>裂隙倾角>围压>裂隙相对岩样顶部距离;分别获得了单裂隙砾岩试样卸围压全过程流变速率曲线。(6)通过开展卸围压双裂隙砾岩渗流-流变耦合试验,获得了双裂隙砾岩渗流-流变耦合试验的全过程流变曲线;通过对不同卸围压、渗透水压、裂隙(1)倾角、裂隙(1)长度、裂隙(2)倾角、裂隙(2)长度及岩桥长度等7个指标的敏感性分析,取得了轴向与径向的瞬时应变对7因素具有相同的敏感性,表现为渗透水压>围压>裂隙(2)长度>裂隙(1)长度>岩桥长度>裂隙(2)倾角>裂隙(1)倾角,轴向蠕变应变表现为渗透水压>围压>裂隙(2)长度>裂隙(1)长度>裂隙(1)倾角>岩桥长度>裂隙(2)倾角,径向蠕变应变表现为渗透水压>围压>裂隙(2)长度>裂隙(1)长度>岩桥长度>裂隙(1)倾角>裂隙(2)倾角;分别获得了双裂隙砾岩试样卸围压全过程流变速率曲线。(7)通过流变曲线特征与流变模型选择的综合分析,引入一个非线性粘塑性体来改进西元模型的加速流变破坏阶段,建立了表征卸围压裂隙砾岩渗流-流变耦合特征的HKN模型,基于BFGS+通用全局优化的组合算法,得到了单、双裂隙砾岩改进HKN模型参数。(8)基于卸围压裂隙砾岩渗流-流变耦合本构关系及参数分析,利用FLAC3D进行二次开发分析砾岩试验段围岩变形,并对其进行现场监测,表明采用“锚杆+钢筋网+封闭式喷射混凝土+注浆+U型钢支架”联合支护体系能有效控制富水及裂隙发育的主斜井砾岩段围岩变形,确保了砾岩段围岩体的稳定性与快速掘进施工的安全。
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