富水条件下泥岩巷道长时变形失稳机理研究.pdf

江苏省基础研究计划面上研究项目（BK20141130） 中央高校基本科研业务费专项资金青年科技基金（2014QNB27） 江苏高校优势学科建设工程资助项目（PAPD） 硕士学位论文 富水条件下泥岩巷道长时变形失稳 机理研究 Study on the Instability Mechanism of Longtime Deing Mudstone Roadway under Rich Water Condition 作 者卫英豪 导 师李桂臣 副教授 中国矿业大学 二〇一五年五月 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 富水条件下泥岩巷道长时变形失稳 机理研究 Study on the Instability Mechanism of Longtime Deing Mudstone Roadway under Rich Water Condition 作 者 卫英豪 导 师 李桂臣 副教授 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 巷道围岩控制 答辩委员会主席 陆菜平 评 阅 人 二○一五年五月 万方数据 中图分类号 TD353 学校代码 10290 UDC 622 密 级 公开 中国矿业大学 硕士学位论文 富水条件下泥岩巷道长时变形失稳 机理研究 Study on the Instability Mechanism of Longtime Deing Mudstone Roadway under Rich Water Condition 作 者 卫英豪 导 师 李桂臣 副教授 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 采矿工程 研究方向 巷道围岩控制 答辩委员会主席 陆菜平 评 阅 人 二○一五年五月 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所撰写的 学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文 的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可 以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学 校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园 网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生 学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅论文审阅认定书认定书 研究生 卫英豪 在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要 求， 完成了研究生课程的学习， 成绩合格； 在我的指导下完成本学位论文, 经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符 合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 逝者如斯，不舍昼夜。论文完成之际，硕士求学生涯也即将结束。三年之于人生 亦长亦短，回顾往日点滴，心中难免感慨，唯有著文聊表心中感恩之情。 论文是在导师李桂臣副教授的精心指导下完成的。论文从选题构思到开题报告， 从岩样采集到具体实验结果分析，从撰写成文到最终签字答辩，均融入了李老师的心 血与汗水。李老师不仅是我的硕士导师亦是我的本科班主任，七年来，导师忘我的工 作精神、精益求精的工作作风、严谨的治学态度一直鞭策、激励着我不断前进，亦将 对我今后的学习、工作产生深远影响；李老师待人真诚、平易近人，在各项工作中对 学生给予了莫大的信任与支持，使学生获得了不可多得的锻炼机会。在此，谨向李老 师致以崇高的敬意与真挚的谢意 张农教授作为巷道围岩控制课题组的首席专家，对待学生亲和真诚，诲人不倦， 始终给学生以鼓励；张老师学术造诣深厚，乃巷道围岩控制领域之翘楚，其敏锐的学 术洞察力、勤勉的工作作风、勇于创新的科研精神将是我今后学习、工作的榜样。三 年中，曾有幸多次当面聆听张老师的教诲，受益终身，深感荣幸，在此谨向张老师致 以深深的敬意和由衷的感谢。 论文在开题及撰写过程中得到了许兴亮、阚甲广、郑西贵、季明四位副教授以及 赵一鸣、韩昌良两位讲师的宝贵建议和悉心指导；在资料搜集、岩样采集、实验室实 验等方面得到了同级的夏伟、刘承雨硕士和倪高勤、孙元田、魏颢岩三位师弟以及袁 店一矿、芦岭煤矿相关工作人员的热情帮助，在此一并表示诚挚的感谢。 感谢李宝玉、张念超、薛飞博士以及刘宁宁、刘聪、许幸福、陈亮、陈威、薛博、 高光翔、张明、姚亚虎、孙康、孙辉硕士等师兄对师弟在科研上的指导和生活上的照 顾，你们的无私帮助使我少走了不少弯路。相同的感谢要送给冯晓巍博士以及同级的 陈红、冯平海、花锦波、蒋作函、李涛、刘娜、刘亚鸿、孟子浩、孙春生、王厚文等 硕士以及舍友李盼、王秉龙、赵占全，是我们互帮互助，一起绘织了色彩斑斓的研究 生生活。 生我养我我之父母，教我育我祖父母也祖父母给予我的良好家庭教育和为我所 营造的温馨的家庭氛围，以及父母勤劳、朴实、善良的为人，让我在成长中始终保持 了一颗赤子之心。他们的付出，我一生难以报答。姐姐、哥哥、嫂子对我多年在外求 学给予了细微关心与大力支持，默默地为我分担了许多，衷心地祝愿他们身体健康 感谢女友蔡康琦对我毫无保留的关心与支持，陪我一起走过了最为困难的时光 最后感谢在百忙之中评审论文并提出宝贵意见的各位专家，感谢论文所有引用文 献作者们的辛勤工作，感谢所有帮助和关心过我的人 卫英豪卫英豪 2015 年年 5 月于徐州月于徐州 万方数据 I 摘摘 要要 富水条件下泥岩巷道长时变形失稳破坏已成为煤矿井巷安全控制亟需解决 的问题之一。论文以芦岭煤矿﹣590 西轨大巷变形破坏工程案例为背景，针对富 水条件下泥质裂隙岩体长时变形问题，综合运用现场测试、理论分析、实验研究 等方法， 分析了不同矿物组分岩样水化过程中微观结构演变特征及泥质裂隙岩体 中水化作用与渗流－应力耦合的相互影响机制， 从微观层面揭示了富水条件下泥 质裂隙岩体长时变形的力学机理；通过引入带应变触发的非线性粘性元件，改进 已有流变模型， 得到了适用于富水条件下泥质裂隙岩体长时变形的增量式本构方 程。取得了如下创新成果 （1）岩石微观结构受其矿物组分、胶结状况、粒径分布、孔隙分布及细观 非均匀性等因素综合影响。 （2）水化作用对泥质裂隙岩体微观结构的改变主要表现为粘土矿物吸水发 生膨胀、溶蚀和泥化效应，改变程度与其孔隙结构密切相关。 （3）水化作用对泥质裂隙岩体复杂孔隙结构的改变趋势因其矿物组分不同 而异； 浸水导致泥质裂隙岩体某一孔径范围孔隙体积比例发生改变；泥质裂隙岩 体渗透率 K 值同时受孔隙率 n 及孔径分布状况影响。 （4）富水条件下，泥质裂隙岩体的长时变形是由于泥质裂隙岩体的流变特 性受到渗流－应力耦合、水化作用以及二者相互影响的综合作用所致。泥质裂隙 岩体的流变性是其长时变形的基础； 水化作用与渗流－应力耦合相互关联、 促进， 水化作用依靠于泥质裂隙岩体的孔隙结构， 又借助渗流－应力耦合导致孔隙结构 产生新的改变，进而促进泥质裂隙岩体进一步水化；膨胀、溶蚀、泥化效应致使 泥质裂隙岩体微观结构发生改变，宏观上表征为力学性能弱化（力学参数改变） ， 致使相应的本构关系为一随水化程度而不断变化的方程； 膨胀应力以及泥质裂隙 岩体固体骨架结构形态的改变均会导致其有效应力发生改变。 论文共有图 41 幅，表 13 个，参考文献 77 篇。 关键词关键词富水；泥质裂隙岩体；长时变形；渗流－应力耦合；水化作用 万方数据 II Abstract The longtime deing and destabilizing of mudstone roadway has become one of the problems in the field of coal mine roadway safety controlling, that need to be solved as quickly as possible. This thesis sets the deing and destabilizing engineering case of ﹣590 west main rail – roadway in Luling coal mine as the background, and focuses on the longtime deation of fractured argillaceous rock mass under rich water. Field testing, theoretical analysis and experimental studies were used comprehensively to analyze the microstructure variation characteristics of rock samples with different mineral composition in process of hydration and the interacting mechanism between hydration and seepage – stress coupling. The mechanical mechanism of fractured argillaceous rock mass longtime deation was revealed in micro level. Through introducing the nonlinear viscous element with strain triggered, the existing rheological model was improved, and the constitutive equation in incremental , adequate for the longtime deation of fractured argillaceous rock mass, was obtained. The innovative results are as followed. 1 The microstructure of rock is affected by its mineral composition, cementation status, particle size distribution, pore distribution and mesoscopic inhomogeneity simultaneously. 2 The microstructure evolution of fractured argillaceous rock mass by hydration behave mainly as the effect of expansion, dissolution and mudding of clay minerals after soaking. And the degree of the evolution is closely related with the pore structure of fractured argillaceous rock mass. 3 For fractured argillaceous rock mass, the evolution trend of its intricate pore structure by hydration varies with its mineral composition. Soaking of fractured argillaceous rock mass can result in the change of the pore volume proportion, during some range of pore sizes. Permeability K of fractured argillaceous rock mass is affected by its porosity n and pore distribution simultaneously. 4 Under rich water condition, the longtime deation of fractured argillaceous rock mass happened, because its rheological property was affected by the seepage – stress coupling, hydration and the interaction between them. Rheological property is the primary factor of fractured argillaceous rock mass longtime deation. Hydration and seepage – stress coupling are interrelated and promoted by each other. Hydration depends on the pore structure of fractured argillaceous rock 万方数据 III mass, and results in the change of pore structure through seepage – stress coupling. As a result, hydration is further promoted. Expansion, dissolution and mudding of clay minerals result in the microstructure evolution of fractured argillaceous rock mass, behaving as the softening of its mechanical properties. And the relevant constitution equation becomes a changing equation with the degree of hydration. Expansion changes the effective stress of fractured argillaceous rock mass by expansive stress, while dissolution by changing the solid skeleton morphology. The thesis has together 41 figures, 13 tables and 77 references. Keywords rich water, fractured argillaceous rock mass, longtime deation, seepage – stress coupling, hydration 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................... I 目目 录录 ........................................................................................................................ IV 图清单图清单 ..................................................................................................................... VIII 表清单表清单 ........................................................................................................................ XI 变量注释表变量注释表 ............................................................................................................... XII 1 绪论绪论 ........................................................................................................................ 1 1.1 问题的提出 ............................................................................................................ 1 1.2 选题背景与研究意义 ............................................................................................ 1 1.3 国内外研究现状 .................................................................................................... 2 1.4 研究内容与技术路线 ............................................................................................ 7 2 泥岩巷道长时渗水变形失稳工程案例分析泥岩巷道长时渗水变形失稳工程案例分析 ........................................................ 9 2.1 工程案例概要 ........................................................................................................ 9 2.2 动压影响前后泥岩巷道变形破坏规律 .............................................................. 15 2.3 泥岩巷道失稳全过程分析 .................................................................................. 21 2.4 本章小结 .............................................................................................................. 23 3 泥质裂隙岩体水化特征实验研究泥质裂隙岩体水化特征实验研究 ...................................................................... 24 3.1 岩样采集与矿物组分测定 .................................................................................. 24 3.2 岩样浸水－风干过程中宏观变化特征 .............................................................. 27 3.3 岩样水化过程中微观结构整体变化特征 .......................................................... 29 3.4 岩样水化过程中孔隙结构变化特征 .................................................................. 36 3.5 本章小结 .............................................................................................................. 44 4 泥质裂隙岩体长时变形力学机理分析泥质裂隙岩体长时变形力学机理分析 .............................................................. 46 4.1 无水化作用时裂隙岩体渗流－应力耦合力学过程分析 .................................. 46 4.2 水化作用对泥质裂隙岩体渗流－应力耦合过程的影响分析 .......................... 47 4.3 泥质裂隙岩体长石变形力学机理 ...................................................................... 50 4.4 本章小结 .............................................................................................................. 51 5 泥质裂隙岩体长时变形力学模型泥质裂隙岩体长时变形力学模型 ...................................................................... 53 5.1 无水条件下泥质裂隙岩体蠕变本构关系 .......................................................... 53 万方数据 V 5.2 富水条件下泥质裂隙岩体长时变形力学模型 .................................................. 59 5.3 本章小结 .............................................................................................................. 64 6 结论结论 ...................................................................................................................... 65 6.1 主要结论 .............................................................................................................. 65 6.2 研究展望 .............................................................................................................. 66 参考文献参考文献 ..................................................................................................................... 67 作者简历作者简历 ..................................................................................................................... 71 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 ................................................................................................. 73 学位论文数据集学位论文数据集 ......................................................................................................... 74 万方数据 VI Contents Abstract ........................................................................................................................ II Contents ..................................................................................................................... VI List of Figures ........................................................................................................... VII List of Tables .............................................................................................................. XI List of Variables........................................................................................................ XII 1 Introduction ........................................................................................................... 1 1.1 Issues Raised by Engineering Case ........................................................................ 1 1.2 Research Background and Significance ................................................................. 1 1.3 Present Research Status at Home and Abroad ........................................................ 2 1.4 Research Contents and Technical Route ................................................................. 7 2 Engineering Case Analysis of Mudstone Roadway Instability by Longtime Seepage and Deing ........................................................................................ 9 2.1 Digest of Engineering Case .................................................................................... 9 2.2 Deation and Damage Law of Mudstone Roadway Suffering Dynamic Pressure ................................................................................................................. 15 2.3 Whole Process Analysis of Mudstone Roadway Instability ................................. 21 2.4 Summary ............................................................................................................... 23 3 Experimental Study on the Hydration Characteristics of Fractured Argillaceous Rock Mass ..................................................................................... 24 3.1 Collecting and Mineral Composition Determining of Rock Sample .................... 24 3.2 Macroscopic Variation Characteristics of Rock Samples in Process of Soaking – Air Drying ............................................................................................................. 27 3.3 Microstructure Variation Characteristics on the Whole of Rock Samples in Process of Hydration ............................................................................................. 29 3.4 Pore Structure Variation Characteristics of Rock Samples in Process of Hydration .............................................................................................................................. 36 3.5 Summary ............................................................................................................... 44 4 Mechanical Mechanism Analysis of Fractured Argillaceous Rock Mass Longtime Deation ....................................................................................... 46 万方数据 VII 4.1 Mechanical Process Analysis of Seepage – Stress Coupling in Fractured Rock Mass Ignoring Hydration ...................................................................................... 46 4.2 Influence Analysis of Hydration on the Seepage – Stress Coupling in Fractured Argillaceous Rock Mass ....................................................................................... 47 4.3 Mechanical Mechanism of Fractured Argillaceous Rock Mass Longtime Deation .......................................................................................................... 50 4.4 Summary ............................................................................................................... 51 5 Mechanical Model of Fractured Mudstone Longtime Deation .............. 53 5.1 Creep Constitutive Equation of Fractured Argilla