深部锚注巷道围岩流变损伤特性研究.pdf

中图分类号婴3 5 三 学科分类号垒垒Q 3 论文编号 密级公珏 安徽理工大学 硕士学位论文 深部锚注巷道围岩流变损伤特性研究 作者姓名陈阳 专业名称 墨芷工猩 研究方向翌出压力区墓蚩星控剑 导师姓名堂鐾茎教援 导师单位塞邀理王丕堂 答辩委员会主席堡 坠袒煎援 论文答辩日期2 0 1 4 年5 月3 1 曰 安徽理工大学研究生处 2 0 1 4 年5 月3 1 日 万方数据 A D i S s e 僦i 。一M i n g E n g i n e e r i n g ㈣y 2 删6 9 ㈣7 1 ㈣9 3 R e s e a r c ho nc r e e pd a m a g ec h a r a c t e r i s t i c so fb o l t - g r o u t i n g I ．o a d W a Vo td e e pm l n e n● C a n d i d a t e C h e nY a n g S u p e r v i s o r C h a n g J u c a i S c h o o lo f M i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g A n H u i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．16 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H l N A 万方数据 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徽垄王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名丑鼬日期塑屹年j 月妄日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽理王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 安徽理王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权安徽理工大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位 论文在解密后适用本授权书 学位论文作者签名膝阻 钠张锄 导师签名缮糊 签字日期Ⅵf 中年6 月g 日 签字日期Ⅵ伽年石月岁日 万方数据 摘要 摘要 基于理论分析、数值模拟和工程实测的研究方法，以淮南矿业集团谢一矿望 峰岗煤矿C 1 3 煤层．9 6 0 m 北翼底板轨道大巷为研究背景。理论上从流变损伤的角 度，建立流变损伤模型来揭示深部巷道变形破坏的规律，用现场实测位移来反算 理论模型中的待定参数，同时用数值模拟对所建立的深部巷道流变模型进行分析， 最后与现场工程实践对比，揭示在深部锚注软岩巷道围岩的力学特征、巷道的稳 定性及其工程对策等问题。研究成果不仅为该矿深部巷道稳定性提供理论指导， 而且也可为类似条件的深部软岩巷道支护提供科学依据。 1 虱[ 4 0 】表【4 】参[ 6 5 】 关键词软岩巷道；锚注支护；流变损伤；参数反演 分类号T D 3 5 3 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 A b s t r a c t B a s e do ne n g i n e e r i n gc o n d i t i o n so fd e e pr o c kr o a d w a yo fW a n g f e n g g a n gM i n ei nH u a i n a n M i n i n gI n d u s t r y ，c o m p r e h e n s i v er e s e a r c ht e c h n i q u e si n c l u d i n go ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ， i n - s i t um e a s u r e m e n ta n dt h r e e ．d i m e n s i o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ec a r r i e do u tt o i n v e s t i g a t ei n t os t r e s sl a w sa n dd i s p l a c e m e n tl a w so fr o a d w a yi nd e e pm i n e ． I nt h e o r yf r o mt h ev i e w p o i n to fc r e e pd a m a g e ，c r e e pd a m a g em o d e li se s t a b l i s h e dt or e v e a lt h e r e g u a r i t yo fd e e pr o a d w a yd e f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o n ．W i t ht h em e a s u r e dd i s p l a c e m e n t i s c a l c u l a t e db yt h e o r yo fu n d e t e r m i n e dp a r a m e t e r si nt h em o d e l ．A tt h es a m et i m e ，u s i n gn u m e r i c a l s i m u l a t i o no fr h e o l o g i c a lm o d e lb yt h ed e e pr o a d w a yi ss e tu p ，a n a l y z e d ，f i n a l l yc o m p a r e dw i t ht h e e n g i n e e r i n gp r a c t i c e ，a n dr e v e a l st h ed e e ps u r r o u n d i n gr o c km e c h a n i c sf e a t u r e so fb o l t g r o u t i n g s o f tr o c kt u n n e l ，t h es t a b i l i t yo ft h er o a d w a ya n di t se n g i n e e r i n gc o u n t e r m e a s u r ea n ds oo n R e s e a r c hr e s u l t sn o to n l y p r o v i d et h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h em i n ed e e pr o a d w a ys t a b i l i t y , b u ta l s o f o rt h es i m i l a rc o n d i t i o n so fd e e ps o f tr o c kr o a d w a y ss u p p o r tp r o v i d e dt h es c i e n t i f i cb a s i s ． F i g u r e 【4 0 】t a b l e [ 4 ] r e f e r e n c e [ 6 5 】 K e y w o r d s S o f tr o c kr o a d w a y , b o l t g r o u t i n gs u p p o r t ，c r e e pd a m a g e ，p a r a m e t e r i n v e r s i o n C h i n e s eb o o k sc a t a l o g T D 3 5 3 ．I I ． 万方数据 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ．．．．．⋯．．⋯．．⋯．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题背景和研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3主要研究内容和方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．2 研究方法与技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 2 深部锚注巷道围岩流变损伤模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 数学力学模型的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．2弹性解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 2 ．3 计算模型的选用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。7 2 ．4 锚注软岩巷道的位移和应力的损伤粘弹性解分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。8 2 ．4 1 1 锚注巷道未注浆区位移和应力的蠕变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．4 ．2 锚注巷道注浆区位移和应力的蠕变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1l 2 ．4 ．3 锚注巷道位移和应力的耦合分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1l 2 ．4 ．4 未注浆区和注浆区的位移损伤粘弹性解⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 2 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 流变参数的位移反分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 反分析的基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．2 粘弹性位移反分析的基本方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．3位移反分析法确定损伤因子⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．4计算实例⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 4 数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 4 ．1深部软岩巷道流变数值模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 4 ．1 ．1 巷道顶底板岩性分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 4 ．1 ．2 建立力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 ．I ． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 4 ．1 ．3 数值模型的模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 ．1 ．4 本构模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．1 ．5 岩石材料的物理力学参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．2 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．2 ．1 位移场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．2 ．2 应力场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 4 ．2 ．3 塑性区分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 4 ．3 数值模拟结果分析围岩流变变形破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 5 现场实测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 8 5 ．1 试验巷道地质及技术条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 5 ．2 试验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 5 ．3 现场实测结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 5 ．3 ．1 巷道围岩变形分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 5 ．3 ．2 锚索受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 6 5 ．3 ．3 锚杆受力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 5 ．3 ．4 巷道围岩松动、破坏分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～3 8 5 ．4 深部软岩巷道支护的合理技术措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 6 ．1主要结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 6 ．2 课题展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 万方数据 目录 C o n t e n t s E n g l i s hA b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。I I 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1T h es e l e c t e dt o p i cb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2T h er e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3T h em a i nc o n t e n ta n dm e t h o d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．3 ．1T h em a i nc o m e m ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 ．3 ．2R e s e a r c hm e t h o da n dt e c h n i c a lr o u t e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2T h ee s t a b l i s h m e n to f m o d e lo f b o l t - g r o u t i n gs u p p p o r tr o a d w a yo f d e e pm i n e ．．5 2 ．1D e t e r m i n a t i o no f m a t h e m a t i c a la n dm e c h a n i c a lm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．2E l a s t i cs o l u t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．3 T h es e l e c t i o no f c a l c u l a t i o nm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．4T h ea n a l y s i so fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td a m a g ev i s c o e l a s t i cs o l u t i o n ⋯．8 2 ．4 ．1T h ea n a l y s i so fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tc r e e pv i s c o e l a s t i co f u n r e i n f o r c e dz o n eo f b o l t - g r o u t i n gs u p p p o r tr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．4 ．2T h ea n a l y s i so fs t r e s sa n d 咖l a c e m e n tc r e e pv i s c o e l a s t i co f r e i n f o r c e dz o n eo f b o l t - g r o u t i n gs u p p p o r tr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 2 ．4 ．3 C o u p l i n ga n a l y s i so fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n to fb o l t ’g r o u t i n g s u p p o r tr o a d w a y ．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 2 ．4 ．4 D a m a g ev i s c o e l a s t i c s o l u t i o no fd i s p l a c e m e n to fu n r e i n f o r e e d z o n ea n dr e i n f o r c e dz o n eo f b o l t g r o u t i n gs u p p o r tz o n e ．．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．5T h es u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 3B a c ka n a l y s i so f t h e o l o g i cp a r a m e t e r s ．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．⋯．⋯⋯．．．．．1 5 3 ．1F u n d a m e n t a l so f b a c ka n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．2 F u n d a m e n t a l se q u a t i o n so f b a c ka n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．15 3 ．3 D a m a g ef a c t o rb yi n v e r s ea n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．4A ne x a m p l eo f a p p r a i s a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 3 ．5T h es u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．1 8 ．．I I I ．． 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 4N u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．．．．⋯．．．．⋯．⋯．．．．⋯．．．．．．．．⋯．．⋯．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．⋯．．．．⋯．．．．．．．．】【9 4 ．1N u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h ed e 印s o f tr o c kr o a d w a yr h e o l o g i c a l d e f o r m a t i o n ⋯．⋯⋯。⋯．．⋯。．．．．．．．．⋯⋯⋯．⋯．．。。⋯。．．．．．．．．。．．⋯．．．．。．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．．．。。．．。。。。。。。。1 9 4 ．1 ．1 L i t h o l o g y d i s t r i b u t i o n o f t h er o o f a n d f l o o r o f r o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯1 9 4 ．1 ．2T h ee s t a b l i s h m e n to f F L A C 3 Dm o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 4 ．1 ．3T h en u m e r i c a lm o d e ls i m u l a t i o ns c h e m e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 0 4 ．1 ．4C o n s t i t u t i v em o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 4 ．1 ．5 P h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp a r a m e t e r s o f r o c km a t e r i a l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．2A n a l y s i so f t h er e s u l t so f n u m e n c a ls i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 4 ．2 ．1 A n a l y s i so fd i s p l a c e m e n tf i e l d ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 4 ．2 ．2 A n a l y s i so fs t r e s sf i e l d ．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 4 ．2 ．3 A n a l y s i so f p l a s t i cz o n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 4 3T h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so ft h em e c h a n i s mo f d e f o r m a t i o na n df a i l u r eo f r o c kr h e o l o g y ⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 4 ．4 ‘1 1 l es u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 5F i e l dm e a s u r e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 5 ．1T e c h n i c a la n dg e o l o g i c a lc o n d i t i o no f t e s tr o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 5 ．2C o n t e n t so f f i e l dm e a s u r e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 5 ．3A n a l y s i so f m e a s u r e dr e s u l t so f f i e l dm e a s u r e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 5 ．3 ．1D e f o r m a t i o na n a l y s i so f s u r r o u n d i n gr o c ko f r o a d w a y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 0 5 ．3 ．2S t r e s sa n a l y s i so f a n c h o rc a b l e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 5 ．3 ．3S t r e s sa n a l y s i so f r o c k b o l t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 5 ．3 ．4A n a l y s i so f f a i l u r ea n dl o o s eo f s u r r o u n d i n gr o c k ．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．3 8 5 ．3R e a s o n a b l et e c h n i c a lm e a s u r e st os u p p o r t i n gs o f tr o c kr o a d w a yo fd e e p m i l l e ⋯．⋯．．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 6 5 ．4T h es u m m a r yo f t h i sc h a p t e r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 3 6C o n c l u s i o na n dp r o s p e c t ⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．．．．．．．⋯．⋯⋯．⋯⋯．．．．．．．．⋯．．5 5 6 ．1C o n c l u s i o n ．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．5 5 6 ，2 P r o s p e c t ⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯5 6 ．I V ． 万方数据 目录 R e f e f e n c e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯．．⋯．⋯．．．．．．．．．⋯⋯⋯．．．．．．．⋯．．5 7 A c k n o w l e d g e m e n t ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．．．，⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．6 1 R e s u m eo f a u t h o r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯．⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯6 3 ．V ． 万方数据 第1 章绪论 1绪论 1 ．1 选题背景和研究意义 我国能源的基本国情贫油、少气、煤炭相对富裕。国家能源中长期发展 规划纲要 2 0 0 4 ～2 0 2 0 年 中确定，中国一直“坚持以煤炭为动力能源、石油、 天然气和新能源全面发展的能源战略”；中国工程院国家能源发展战略报告提 出2 0 5 0 年煤炭年产量控制在3 0 亿吨，因此煤炭将长期作为我国的主导能源。煤 炭目前是我国主导能源，2 0 1 0 年，中国煤炭产量达到3 2 ．5 亿吨，2 0 1 1 年为3 5 ．2 亿吨，2 0 1 2 年为3 6 ．6 亿吨，2 0 1 3 年为3 7 亿吨，。在能源消费总量中煤炭的比例可 能还会逐步下降，2 0 5 0 年可望减至4 0 ％以下，其战略地位将调整为重要的基础能 源。煤炭需求预测表明未来几十年，煤炭仍占据半壁江山，为巩固能源基础和 安全保障，煤炭能源的可持续发展战略是中国能源战略重要性的一部分。 随着矿井开采深度的增加，浅部资源日益减少，煤矿不可避免地要进行深部 开采。随着逐渐向深部开采的发展，地应力与构造应力增加，深部巷道发生明显 的高地应力、大变形、强流变等问题，巷道围岩变形的影响尤为严重，经常出现 开挖后修复、重复现象，维护成本高。软岩巷道仅靠锚杆 索 单一支护不是合 理的，必须要辅助以有效的注浆加固技术，因此，要研究综合锚杆 索 支护与 注浆加固相结合的超挖锚注回填注浆技术，在淮南矿区已经取得了良好的技术经 济效果。巷道难维护已经成为安全高效矿井约束的瓶颈，深部巷道围岩控制是煤 矿开采中亟待解决的关键问题之一。 对于深部软岩巷道的支护技术发展超前，理论研究相对滞后，对于锚注支护 的理论研究，前者着重于在流变学理论，或岩石损伤的角度进行了分析，获取了 些许有益的结论，本文在他们的基础上，综合流变力学理论和损伤力学理论进一 步揭示深部锚注巷道的流变损伤特性，科学的理论来指导工程实践中预测巷道围 岩变形规律。 本篇论文结合淮南矿业集团谢一矿望峰岗煤矿．9 6 0 m 北翼C 1 3 煤底板轨道大 巷，采用全断面注浆加固的支护方法，拟从流变损伤的角度来认识谢一矿望峰岗 井巷道变形破坏的深刻本质，揭示在深部锚注软岩巷道围岩的力学特征、巷道的 稳定性及其工程对策等问题。研究成果不仅为谢一矿望峰岗煤矿巷道稳定性提供 理论指导，而且也可为深部软岩巷道支护设计提供科学依据。 综上所述，该课题具有十分重要的理论价值和工程意义。 1 、理论上建立了深部锚注巷道的流变损伤力学模型，丰富和发展了深井巷 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 道支护理论，为煤矿的安全高效开采提供科学依据。 2 、技术上巷道变形规律的预测，对巷道围岩稳定性的研究，是深部巷道硐 室围岩控制中的关键技术问题，并且广泛应用到软岩巷道围岩支护中。 1 ．2 国内外研究现状 陈宗基院i t ”1 认为流变与地下隧洞岩石的变形有关，强调了新奥法的理论研 究中流变学的重要性，岩石蠕变产生的时间效应必须充分考虑，因为在一定的时 间以后才会发生地下巷道的破坏。 1 9 8 2 年1 2 月郑颖人院- 2 [ 4 1 等用粘弹性理论对隧洞锚喷支护进行分析，围岩 位移分为塑性位移和蠕变位移，塑性区采用莫尔．库伦塑性准则，锚杆通过受拉对 围岩壁提供附加支护抗力，并通过受剪提高围岩的C 、够值。 1 9 9 0 年2 月王桂芳【5 】给出了在隧道围岩自重作用下，衬砌与围岩均为粘弹性 材料时，求出了衬砌与围岩变形及内力的一般性解答。 1 9 9 3 年3 月周德培1 6 - 7 1 用理论分析和模型实验研究了圆形隧道衬砌上的围岩 变形压力的时问效应，围岩变形对隧道衬砌上的压力的大小及其分布具有明显的 时问效应。 1 9 9 4 年9 月薛琳【8 J 用最小二乘法求解岩体介质的蠕变柔量和广义蠕变柔量并 且建立了隧道围岩粘弹性力学模型识别的判定定理。 1 9 9 4 年9 月朱素平1 9 1 借助对数函数来表征岩石蠕变模型，进行了地下圆形隧 道围岩稳定性力学分析，探讨了人工支护结构与围岩相互作用的关系，导出了描 述其变化规律的特征方程。． 1 9 9 6 年7 月范秋雁【1 伽提出软岩流变控制原则，即将岩石蠕变调节在稳定蠕变 范围，以达到既安全又经济的目的。 1 9 9 7 年6 月许宏剔1 1 ’1 2 1 通过软岩的蠕变试验，分析了弹性模量和损伤的时间 效应。 1 9 9 7 年7 月张良觯1 3 1 把K i e l d e r 试验隧道分为弹粘性区和粘塑性区，烤炉了 粘弹塑性变形、岩体应变软化和剪胀特性等因素，得出了隧道围岩位移的弹塑粘 性解析解。 1 9 9 8 年1 月朱珍德【1 4 】利用流变学理论对锚杆支护巷道，对双向等压条件下围 岩应力和位移进行了分析，得出了它们随时间的演化规律，建立了与时间有关的 锚杆支护破坏准则。 2 0 0 2 年8 月刘全林1 1 5 ] 等根据锚注支护机理，注浆锚杆简化为作用在岩石的体 万方数据 第1 章绪论 积力，并将注浆作用看作对围岩力学性能的改变，推导出了锚注支护结构的粘弹 性分析计算公式。 2 0 0 3 年2 月华心祝[ 16 】等在双向不等压条件下建立了锚注软岩巷道计算模型， 把巷道围岩的未注浆区和注浆区，分别运用P o y n t i n g T h o m s o n 模型和K e l v i n - V o i g t 模型的粘弹性模型，解出了位移和应力的粘弹性解。 2 0 0 4 年2 月刘保国等‘1 7 1 把释放荷载当作时问函数，获得了隧洞支护结构和围 岩的时效规律。 2 0 0 4 年7 月万志军等【1 8 ‘1 卅基于岩石能量守恒的长期强度，对软件巷道围岩建 立了非线性非粘弹塑性的数学力学模型。 2 0 0 4 年9 月焦春茂等[ 2 0 圳】利用积分算子解法建立弹性解与粘弹性解的解法之 间的对应关系，解出了H ．K 体的松弛核与蠕变核，分析了粘弹性圆形巷道支护 结构与围岩应力的变化与分布规律。 2 0 0 4 年1 0 月刘干斌【2 2 锄1 结合B i o t 固结理论和流变力学模型，研究分析了粘 弹性饱和土体中因开挖深埋圆形隧道而引起的周围土体的应力和位移场。 2 0 0 4 年1 1 月李忠华等【2 4 1 应用损伤理论对圆形巷道围岩应力场进行分析，把 巷道围岩变形分为弹性变形区、损伤区和完全损伤区。 2 0 0 5 年6 月闫春岭等【2 5 l 借助对数函数来表征改进的流变本构模型，并且对深 埋隧道围岩稳定性进行粘弹性力学分析。 2 0 0 6 年l O 月谢锋【2 叼借助蠕变损伤理论分析了蠕变围岩的二次衬砌，算出合 理支护时间。 2 0 0 7 年1 月王永刚‘2 7 1 等认为蠕变损伤是围岩内部新裂隙产生和不断扩展的结 果，是时间损伤与变形损伤效应的耦合。当围岩内应力水平小于其长期强度时， 表现为时间损伤效应；当围岩内应力水平大于其长期强度时，表现为变形损伤效 应。 2 0 0 8 年7 月朱明礼【2 8 1 在M a x w e l l 模型加入与时间有关的非确定参数，建立 考虑参数时间相关性的非定常蠕变模型，对深埋长大隧洞围岩非定常剪切流变模 型进行了分析。 2 0 1 2 年5 月朱维申口9 。3 1 1 对锦屏水电站深埋地下厂房和隧道围岩流变分析，长 期预测了洞室的变形。 孙钧院士等[ 3 2 4 1 1 对软弱断层流变、锚固岩体、挤压型软岩等对地下硐室围岩 的流变模型进行了大量的研究。 万方数据 安徽理工大学硕士学位论文 1 ．3 主要研究内容和方法 1 ．3 ．1 主要研究内容 根据具体的地质及开采技术条件，采用理论分析、数值模拟及现场实测的综 合研究方法，在建立深部巷道的围岩力学模型的基础上，揭示深部锚注巷道围岩 的流变损伤特性，为今后深部软岩巷道的锚注支护预测巷道变形规律提供科学依 据。 1 通过理论分析建立了深部锚注巷道围岩的流变损伤模型。 2 通过现场实测进行深部锚注巷道围岩流变参数反演分析。 3 对深部锚注巷道围岩进行流变数值模拟研究。 4 现场实践应用，预测巷道变形规律。 1 ．3 ．2 研究方法与技术路线 本课题采用综合研究的方法，将理论分析、现场实测及数值模拟相结合，建 立深部锚注巷道围岩力学模型，揭示其流变损伤特性，进而揭示巷道变形规律。 具体的技术路线如图l 所示 理论分析卜叫建立深部巷道围岩流变损伤模型 现场实测卜叫深部巷道围岩流变参数反演分析 数值模拟卜_ 叫深部巷道围岩流变特性数值模拟 预测深部软岩巷道变形规律 图1 论文技术研究路线 F i g ．1T e c h n i c a lr o u t eo f t h er e s e a r c h ．．4 ．． 现 场 应 用 深部锚注巷道围岩流变损伤特性 万方数据 2 深部锚注巷道围岩流变损伤模型建立 2 深部锚注巷道围岩流变损伤模型建立 本章建立数学力学模型是针对软岩巷道锚注支护，先假定为各向同性体，从 流变理论进行分析，然后由于岩石的非均质性导致岩石强度的弱化，同时考虑损 伤因子的影响，最后得出锚注软岩巷道的位移的损伤粘弹性解。 2 ．1 数学力学模型的确定 对于巷道锚注支护的力学机理，前人或从流变的角度，考虑岩石特别是软岩 的变形随着时间的延长而变化的性质，进行分析研究，或从损伤的角度进行分析。 而软岩巷道的流变性一般都特别显著，忽略其变形的时间因素，是不全面、不合 理的。所以，考虑损伤因予的影响，运用流变力学理论，对软岩巷道的锚注支护 进行较为详细的分析。 选取任意一个半径为圆形巷道的内径为‘，外径为％，假定锚注支护与巷道 开挖是同时进行的，锚注层厚度为 r o 一‘