高湿度环境下软岩巷道时效性破坏的研究.pdf

硕士学位论文 高湿度环境下软岩巷道时效性破坏的研究 R e s e a r c h0 UT i m e - D e p e n d e n tF a i l u r eo fS o f tS u r r o u n d i n gR o c k i nH i g h e rH u m i dE n v i r o n m e n t 作者姓名王超云 学号坌 Q 鱼Q 垒Q 大连理工大学 D a l i a nU n i v e r s i t yo f T e c h n o b g y 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目 丕逮丛i 生鱼笙至叁鏊茎』兰盟丝丝Ⅻ盈 圣季芗 作者签名弓每卜一嘣雌年上月产日 大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着科技的进步及煤炭资源条件的改变，国家对煤矿建设及安全生产提出了更高的 要求。众所周知，在水岩相互作用过程中，软岩的物理力学性质将发生很大的改变，再 加之时间效应的影响，水对软岩造成的损伤有时比力学因素导致的损伤更为严重。因此， 开展富水环境下软岩巷道时效性变形的研究是十分必要的，不仅可以加深对水对软岩力 学性能如变形、破坏、强度，流变等力学特性影响的认识，而且可对软岩巷道时效性变 形的形成机理进行探究性的解释，从而为确定软岩巷道有效的支护方法提供较为可靠的 理论依据。 本论文以国家自然科学基金面上项目 N O ．5 l1 7 4 0 3 9 “水汽环境中的围岩松动圈 形成机理与分析方法研究”及国家自然科学基金青年基金项目 N O ．5 1 0 0 4 0 2 0 “水分 迁移条件下岩石的时效变形损伤弱化机理研究”为依托，主要从两个方面开展了富水环 境下软岩巷道破坏的时效性研究，一是在理论方面，建立了考虑水对流变参数弱化作用 的变参数蠕变损伤本构方程二是在数值模拟方面，利用岩石破裂过程分析R F P A 软件 模拟了高湿度环境下矩形巷道时效性破坏过程以及工程中常见的巷道底鼓的现象，最后 对围岩松动圈形成机理进行了探讨。全文主要研究成果如下 1 通过阅读相关文献，归纳、概括了国内外学者关于水对软岩的弱化作用在理 论、物理实验和数值模拟等方面的研究现况。 2 在理论上，首先归纳总结了软岩的力学特性及流变理论。其次，基于传统的 西原模型，引入与湿度有关的损伤变量吃以及与时间相关的损伤变量谚，建立 了考虑湿度效应的软岩变参数蠕变损伤本构方程。根据已有的单轴蠕变试验结 果，通过对相同应力条件不同含水状态和相同含水状态不同应力条件下的西原 模型蠕变参数的反演，经对比发现，拟合曲线与试验曲线十分吻合，验证了该 模型在反映软岩的蠕变力学特性方面的合理性和正确性，并且该模型还可以较 好的描述加速蠕变阶段的流变过程。 3 在数值模拟方面 a 利用湿度．应力．损伤耦合模型，采用岩石破裂过程分析软件，建立了三种层 状岩层矩形煤巷数值模型以及三种开采方式的矩形煤一岩巷道数值模型，通 过分析矩形巷道围岩破坏过程及其时效性变形的特点，得到了矩形巷道围 岩在湿度场下破坏的演化规律。结果表明，在湿度场下，虽然矩形煤巷和 煤- 岩巷道在应力分布和破坏范围方面有所不同，相同的是，湿度对围岩力 学性质的劣化与时问有关，因此围岩变形具有时间效应。在进行巷道支护 高湿度环境下软岩巷道时效性破坏的研究 时，首先应通过有效的防水措施，防止因水等因素造成的围岩破坏，此外， 巷道两帮及强度较低的岩层以及卧底开挖的顶板岩层是重点支护的部位。 ㈣根据已有的膨胀试验反演出数值模拟所需的扩散系数、膨胀系数、强度和弹 性模量的折减系数等参数值，利用岩石破裂过程分析软件，模拟了巷道底 鼓的演化过程。结果表明巷道底鼓是一个时间历程，在湿度向围岩内部扩 散的过程中，应力集中的范围也随之扩大，当围岩强度弱化N d , 于围岩集 中应力值时，破坏产生及巷道底板位移的急剧增加。 C 基于细观损伤数值分析方法，考虑岩体的非均匀特性，采用岩石破裂过程分 析R F P A 系统，再现了围岩松动圈形成过程，并根据巷道围岩变形稳定的 时间，预测松动圈的厚度。从环境因素入手，探讨巷道松动圈形成机理， 有助于进一步发展松动圈理论，把握控制岩石长期稳定性的原理，从而为 岩土工程的施工和支护方案提供科学的依据和方法，具有一定的理论和工 程实际意义。 关键词软岩；R F P A ；时效性变形；本构模型；底鼓；松动圈 大连理工大学硕士学位论文 R e s e a r c ho nT i m e D e p e n d e n tF a i l u r eo fS o f tS u r r o u n d i n gR o c k i nH i g h e rH u m i dE n v i r o n m e n t A b s t r a c t H i g h e rr e q u i r e m e n t sa r ep r o p o s e df o rm i n i n gs a f e t yw i t hd e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya n dt h ec h a n g eo fe n e r g yr e s o u r c e sc o n d i t i o n ．D u et ot h ep r e s e n c eo fw a t e rf o r c o m t r u e t i o na n dg r o u n d w a t e ri nr o c km a s s ，t h es o f tr o c kr o a d w a yi sa l w a y si nw a t e r e n r i c h e d e n v f f o n m e n t ．D u r i n gt h ei n t e r a c t i o np r o c e s so fw a t e ra n ds o f t , t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f S o f tr o c ka r ec h a n g e dd m r m t i c a U y ．C o u p l e dw i t h t h ei m p a c to f t i m e ，t h ed a m a g e c a u s e db yw a t e ri sp o s s i b l ym o r es e r i o u st h a nt h ed a m a g ec a u s e db yl n e c h a n i c a lf a c t o r s ． T h e r e f o r e ，r e s e a r c ho nt h e w a t e r - e n r i c h e de n v k o n m e mi s t i m e - d e p e n d e n td e f o r m a t i o no fs of tr o c kr o a d w a yu n d e r n e c e s s a r y ．O no n e1 1 a n d ，i ti sh e l p f u lt ob e t t e ru n d e r s t a n dt h e e f f e c t so fw a t e ro nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fs o f tr o c k ，s u c ha S ，d e f o r r m t i o n , d a m a g e ， s t r e n g t ha n dr h e o l o g y ．O nt h eo t h e rh a n d ，i tp r o v i d e san e we x p l a n a t i o nf o rt h ef o r r m t l o n m e c h a n i s mo ft i m e ．d e p e n d e n td e f o r r m t i o ni nr o a d w a y , a n da l s op r o v i d e sam o r er e l i a b l e b a s i sf o rd e t e r m i n i n gt h et h e o r e t i c a l s u p p o r to f s o f tr o c kr o a d w a y ． B a s e do nN S F C N O ．5l l7 4 0 3 9 ，n a m e d ‘“ S t u d yo nt h ef o r m a t i o ni l l e c h a n i s ma n d a m l y s i sm e t h o do fE D Zi nv a p o re n v k o n m e n t ”，a n dN S F C N O ．5 10 0 4 0 2 0 ，c a l l e d ”t h e m e c h a n i s mo ft i m e d e p e n d e n td e f o r m a t i o na n dd a m a g eu n d e rt h eC O n d i t i o n so fn [ 】o i s t u r e l r a n s f o r r m t i o n ”，t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d et w op a r t s ．O nt h ep a r to ft h e o r y , ac r e e pd a m a g e c o n s t i t u t i v ee q u a t i o ni sp r o p o s e db yi n t r o d u c i n gt h ew e a k e ne f f e c t so fw a t e ro nr h e ol o g i c a l p a r a m e t e r s ．O nt h eo t h e rp a r t , b yu s i n gt h er o c kf a i l u r ep r o c e s sa n a l y s i ss y s t e m , t h ef a i l u r e p r o c e s so fr e c t a n g u l a rr o a d w a yu n d e rw a t e r e n r i c h e de n v i r o n m e n t , a n dt h ep h e n o m e n o no f f l o o rh e a v ea r er e p r e s e n t e d ，a n dt h ef o r m a t i o nm e C h a n i s mo fE D Za l ed i s c u s s e da tl a s t ．T h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ca sf o B o w s 1 B yr e a d i n gal a r g en u m b e ro fr e l e v a n tp a p e r s ，t h ec u r r e n ta c h i e v e m e n t so ft h e w a t e re f f e c to ns o f tr o c ka r es u m m a r i z e di nt h ea s p e c t so ft h e o r y , p h y s i c se x p e r i m e n t sa n d n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ． 2 I nt h e o r y ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dr h e o l o g yt h e o r ya r cs u m m a r i z e d ．B a s e d o nt h eg e n e r a l i z e dK e l v i nm o d e l ．t h em o i s t u r e r e l a t e dv a r i a b l eD 。a n dt i m e - r e l a t e dv a r i a b l e D ta r ep r e s e n t e dt oe s t a b l i s h e dt h ec r e e pd a r m g em o d e lo fs o f tr o c ka td i f f e r e n tm o i s t u r e s ， b e c a u s eo ft h et i m e ．d e p e n d e n tr h e o l o g i c a lp a r a m e t e r so fs o f tr o c ka sw e l la st h ee f f e c t so f m o i s t u r eo nt h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr o c k ．A c c o r d i n gt ot h eu n i a x i a l c r e e pt e s tr e s u l t so fT 2 b 2s i l t i t eu n d e rd i 旋r e n tw a t e rc o n d i t i o n s ，t h em e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f I I I 高湿度环境下软岩巷道时效性破坏的研究 t h er m d e la r eo b t a i n e di nt h eu s eo f p a r a m e t e r si n v e r s i o nm e t h o d ，a I dt h es i g n i f i c a n te f f e c to f t h em o i s t u r ec o n t e n to nt h ec r e e pc h a r a c t e r i s t i c sa r ea r i a l y z e d ．B yc o m p a r i n gt h er e s u l t s o b t a i n e d5 0 mt h ec r e e pd a t m g em o d e lw i t ht h ec r e e pt e s td a t a 。i t ’Sf o u n dt h a tt h em o d e l c o u l dw e l ld e s c r i b et h ec r e e pp r o p e r t i e si nw h o l ep r o c e s s ．T h e nt h er a t i o n a l i t ya n dc o r r e c t n e s s o f t h ec r e e pd a r m g em o d e Ia r ei d e n t i f i e d ． 3 I nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n a A p p l y i n gah u m i d i t y - m e c h a n i c a l - d a m a g ec ou p l e dm o d e kR e a l i s t i cF a i l u r eP r o c e s s A n a l y s i s g F P A h u m i d i t yd i f f u s i o ne d i t i o ni su s e d ．T h r e ek i n d so fl a y e r e dr e c t a n g u l a rc o a l r o a d w a ya n dt h r e ek i n d so fc o a l - r o c kr o a d w a yw i t h d i f f e r e n tq u a r r y i n gp o s i t i o n sa r e s i m u l a t e d ．T h ef a i l u r ep r o c e s so ft h er e c t a n g u l a rr o a d w a yu n d e rh u m i d i t ye n v i r o n m e n ti s r e p r e s e n t e d ．B ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft i m e - d e p e n d e n td e f o r m a t i o n , t h ee v o l u t i o n r u l e so fs u r r o u n d i n gr o c ki nh u m i d i t yf i e l di se x p l a i n e d ．F o rc o a lr o a d w a y , t h ec r a c k so c c u r f r o mb o t hs i d e so ft h el a n e w a y ，t h e ne x p a n dt oc o a lr o o f o rf l o o rw i t hl o w e rs t r e n g t h , f m a U y t ot h eh i g h e rs t r e n g t hr o c k ．F o rc o a l - r o c kr o a d w a y , t h ed i s p l a c e m e n t so ff l o o ra r er e l a t e dt o t h ep o s i t i o n so f c o a l ，a n de v e nt h o u g ht h ec r a c k ss t a r ti nt h ec o a la st h es a n ℃a sc o a lr o a d w a y , t h e ye x t e n dt ot h er o o f o rf l o o rn e a rt h ec o a l b W i t ht h es i g n i f i c a n te x p a n s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs o f tr o c k ，w a r e ri nt h er o a d w a y o f t e nk a d st ot h ep h e n o m e n e no ff l o o rh e a v e ．B yt h ei n v e r s i o nm e t h o d ，t h ep a r a m e t e r sa r e o b t a i n e d ，w h i c ha r er e q u i r e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , i n c l u d i n gd i f l u s i o nc o e f f i c i e n t , e x p a n s i o nc o e 伍c i e I 止a n dt h er e d u e t i o nc o e 衢c i e n to fs t r e n g t ha n d e l a s t i cm o d u l u s ． A p p l y i n gt h er o c k f a i l u r ep r o c e s sa n a l y s i ss y s t e m , t h ee v o l u t i o no ft h ef l o o rh e a v ea r e s i m u l a t e d ．T h ec o n c l u s i o n ss h o Wt h a tw a t e rI r a n s f o r m a t i o ni Sat i m e d e p e n d e n tp r o c e s s ，S O t h ef l o o rh e a v ei nr o a d w a yi sd e p e n d e n to nt i m e ．A tt h eb e g i n n i n go f t h ee x c a v a t i o n , t h ef l o o r d e f o r r m t i o ni n c r e a s e ss l o w l yw i t ht i m e ．D u r i n gt h ed e v e b p m e n to ff l o o rh e a v e ，t h e c o n c e n t r a t i o ne x t e n d st ot h ei n t e r n a lr o c km a s sw i t hh u m i d i t yd i f f u s i o n ．A n dw h e nt h er o c k s t r e n g t ha f t e rw e a k e n e dl o w e rt h es t r e s sv a l u e ，d a r m g eO c c u r s ．T h ep r e s e n c eo fd a m a g e s p e e d sw a t e ri n t o i n t e r n a lr o c k ，a n de x a c e r b a t e st h ew e a k n e s so fr o a d w a yw i t has h a r p i n c r e a s ei nt h ef l o o rd i s p l a c e m e n t ． c O nt h eb a s i so fR e a l i s t i cf a i l u r ep r o c e s sa n a l y s i s R F P A c o d e ，c o n s i d e r i n gt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n c r e a s eo fh u m i d i t ya n dd e g r a d a t i o no f r o c km e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， t h eh u m i d i t y - s t r e s s d a m a g ec o u p l i n gm o d e li s p r o p o s e d i nt h ec o d et o r e p r e s e n tt h e t i m e d e p e n d e n td e f o r m a t i o na n df a i l u r ei nr o c ku n d e rh i g hh u m i d i t ye n v k o n m e n t ．T l 硷 h u m i d i t yv e r s i o no f R F P Ai su s e dt os i m u l a t et h ed e v e l o p m e n to f E D Z i ns o t tr o c kw h e nt h e r o a d w a ye x p o s e dt oh i g hm o i s t u r ee n v i r o n m e n t ．B ys t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo f p a r a m e t e r si n t h en u m e r i c a lm o d e l ，t h et i m e - d e p e n d e n td e f o r m a t i o na n df i i l u r ep r o c e s s e so ft h er o a d w a y u n d e rh i g hh u m i dc o n d k i o na r ed i s c u s s e di nd e t a i l ．I tc a nb ep r e d i c t e dt h a tt h eh i g h e r 大连理工大学硕士学位论文 d e g r a d a t i o nc o e f f i c i e n to fe l a s t i cm o d u l u sa n dt h ee x p a n s i o nc o e f f i c i e n t , t h el a r g e rt h i c k n e s s o fE D Z ．B ys t u d y i n gt h ei n f l u e n c eo fm o i s t u r eo nt h es u r r o u n d i n gr o c k ，t h en u m e r i c a lr e s u l t s p r o v i d eab e t t e ru n d e r s t a n d i n go ft h et i m e d e p e n d e n tb e h a v i o ro fE D Z a n di ti sg o o df o r t h i n k i n ga b o u tan e ww a y o f d r i f ts u p p o r t ． K e yW o r d s s o f tr o c k ；R F P A ；t i m e d e p e n d e n td e f o r r m t i o n ；c o n s t i t u t i v em o d e l s ；f l o o r h e a v e ；E D Z V 一 高湿度环境下软岩巷道时效性破坏的研究 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．I I I l 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题研究背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．1 水对软岩强度特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．2 水对软岩蠕变特性的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．3 研究现状小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 1 ．3 课题来源及主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．1 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．2 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 软岩及其流变理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 2 ．1 软岩的概念和定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．2 软岩的工程力学性质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．3 软岩的蠕变理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 ．1 蠕变曲线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．2 蠕变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 不同含水状态下软岩变参数蠕变损伤模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 含水状态下蠕变损伤模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．2 ．1 试验结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 0 3 ．2 ．2 基于西原模型的蠕变损伤模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 参数分析及模型验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．4 不同应力条件下的蠕变特性的讨论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 湿度场下矩形巷道围岩时效性破坏的数值研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．2 湿度一应力一损伤耦合模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．31 4 ．4 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 4 ．4 ．1 煤巷围岩的破坏分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 3 大连理工大学硕士学位论文 4 ．4 ．2 煤．岩巷道的围岩破坏分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 4 ．5 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 5 高湿度环境下巷道底鼓的数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 0 5 ．2 膨胀试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．2 ．1 自由膨胀试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 5 ．2 ．1 侧限条件下的轴向自由膨胀试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 4 5 ．3 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 7 5 ．3 ．1 数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 7 5 ．3 ．2 结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 8 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 6 高湿度环境下围岩松动圈形成机理的探讨⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 6 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 6 ．2 数值模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 6 ．3 模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 6 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 7 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 8 7 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 7 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 6 大连理工大学学位论文版权使用授权书⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 高湿度环境下软岩巷道时效性破坏的研究 1 绪论 介绍我国煤炭能源战略地位，以及水对煤矿安全生产的重要影响，提出了水对软岩 破坏时效性研究的必要性，总结归纳了目前国内外有关水对软岩物理力学性质弱化，尤 其是对流变特性影响的研究现状，根据基金项目的任务要求，提出了此次研究的主要内 容。 1 ．1 课题研究背景和意义 有数据显示【，我国的煤炭储量约占世界煤炭储量的三分之一，煤炭产量位居世界 第一位，可采量位居第二，出口量位居第二仅次于澳大利亚。随着能源形式的增加和开 采技术的改进，虽然我国的能源结构在一定程度上有了很大的改变，但煤炭在我国一次 性能源结构中始终处于举足轻重的位置，如图1 ．1 所示。此外，我国仍是一个煤炭消费 大国。如图1 ．2 所示，国民能源消费近7 0 ％来自于煤炭的供应。根据中国可持续能源 发展战略研究报告，到2 0 5 0 年，我国的煤炭在一次性能源生产和消费中所占比例仍 不会低于5 0 ％I 2 | 。 9 ％ 1 5 ．2 ％ 图1 ．1 我国能源生产示意图 F i g ．1 ．1E n e r g yp r o d u c t i o ni nc h i n a 气 煤油然电原原天水凰．图睡 ％ 高湿度环境下软岩巷道时效性破坏的研究 6 7 ．1 ％ 圄原煤 ■■原_ 涵 图天然气 雕水电 8 ％ 图1 ．2 我国能源消费示意图 F i g ．1 ．2E n e r g yc o n s u m p t i o ni nc h i n a 据统计，截止到2 0 1 2 年底，目前我国的煤矿共有1 ．4 万处，包括1 4 个亿吨级煤炭 能源基地，5 3 处千万吨级煤矿，7 4 3 处年产1 2 0 万吨以上的大型现代化煤矿，小型煤矿 数量下降到1 万处以下，产量比重由4 5 ％下降到1 7 ％。图1 ．3 给出了2 0 0 0 - 2 0 11 年间我 国煤炭产量的走势。2 0 1 4 年初，中国煤炭工业协会发布的2 0 1 3 年度报告显示，全国全 年煤炭产量完成3 7 亿吨左右，而全国煤炭消费量达3 6 ．1 亿吨。可以预见的是，在本世 纪的头5 0 年里，煤炭工业在我国国民经济中的基础地位将不会更改。 由于长期开采，浅部资源日益枯竭，伴随着科技的发展和采掘技术的进步，使得煤 炭开采工程朝着范围广，规模大，埋深更深的方向发展成为了可能。据统计，埋深在 1 0 0 0 m 以上的煤炭储量为2 ．9 5 万亿吨，约占我国煤炭资源总量的5 2 ．7 ％t 3 1 1 4 ] 。据统计， 截止到2 0 1 2 年底，我国已有3 7 座矿井的开采深度超过1 0 0 0 m ，预计在未来2 0 年，我 国将有更多煤矿达到千米以上的开采深度。常见的煤炭工程灾害，在深部开采过程中将 以更加明显的方式表现出来，如巷道大变形、采场矿压剧烈显现、采场失稳加剧、岩爆 频繁发生、瓦斯聚集诱发透水事故概率增大掣5 1 。在未来，如何确保煤炭安全高效地生 产将仍是岩土工作者面临的巨大重大课题。 大连理工大学硕士学位论文 数甏袋辫t l t l