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太原理工大学 硕士学位论文 高强度开采条件下巷道稳定性研究 姓名王永强 申请学位级别硕士 专业 指导教师宋选民 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 高强度开采条件下巷道稳定性研究 摘 要 在我国的能源结构中，煤炭能源在可预见的时期内仍将占据主导地位。 大采高超长工作面的研究和推广应用，不仅有利于工作面单产提高，而且 能减少巷道掘进率和维护强度。在近年的快速推进高产高效工作面开采实 践中，人们注意到工作面开采速度即时间因素对开采力学响应及破坏的影 响问题，也即存在时间因素对地下工程围岩的变形及强度的影响作用。因 此，研究采动影响下回采巷道围岩变形特点，对于正确认识综采条件下岩 层的运动规律，深入研究巷道变形与回采速度之间的关系，促进安全生产， 降低生产成本具有重要的现实意义。本文主要做了如下研究工作 （1） 比较全面地介绍了流变力学的研究方向、研究内容、 影响因素等， 总结出岩石工程流变学的主要研究方向主要包括蠕变、应力松弛、长时强 度、弹性后效和滞后效应等。对开尔文模型、麦克斯韦尔模型、鲍埃丁 汤姆逊模型、伯格斯模型、粘塑性模型、粘弹塑性模型等流变组合模型的 蠕变、松弛等进行了理论分析。 （2）分析了巷道围岩的流变特性和时效特性，总结出巷道围岩流变变 形的主要影响因素包括岩石材料本身所具有的粘性性质、岩石材料受到的 应力水平和加载方式、温度湿度和赋存环境等。在回采引起的巷道变形中， 回采引起的支承压力是主要因素。回采速度对围岩应力场的影响主要体现 为回采速度的不同影响了围岩应力转移过程的完整程度；回采速度的不 同造成了单位时间开采截深的变化，从而影响了围岩的截深加卸载过程以 及加载速率的变化；回采速度的不同对岩石蠕变时间也有一定的影响，从 而影响了岩石的变形及应力分布。 （3）采用四元件伯格斯流变模型对上湾矿 51101 工作面回采巷道围岩 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 变形进行了流变特性分析。 （4）利用 FLAC3D中提供的 Burgers 蠕变粘塑性模型进行数值模拟， 得到不同回采速度情况下巷道围岩的变形时间曲线。通过对数值模拟结 果的分析得出回采速度越快，围岩变形量越小。在工作面支承压力影响范 围以外巷道围岩的变形主要由是由岩石的蠕变起作用；当巷道开始受支承 压力影响时，围岩变形急剧增加，此时围岩的变形主要因素为工作面的超 前支承压力，岩石的蠕变因素退居到次要地位。在相同的条件下，回采速 度越慢，巷道围岩应力作用时间越长，变形量越大。 （5）通过上湾矿 51101 工作面实测位移时间曲线与数值模拟结果对 比分析得出巷道位移各观测点的位移时间曲线与模拟情况基本相符，能 够真实反映模拟对象。 关键词 高强度开采，巷道稳定性，时间效应，伯格斯模型，数值模拟 太原理工大学硕士研究生学位论文 III STUDY ON SURROUNDING ROCK STABILITY OF ROADWAY UNDER FAST MINING ABSTRACT Coal energy will still play a leading role in energy structure of China in the foreseeable future. With the research and broad application of large mining height technology and super long coal face, not only the output can improved, but also the roadway drivage ratio and maintenance quantity can reduced. In recent years,with the practice of coal face of high-output and high-efficiency under the fast mining, it is noted that the deation and the strength of underground works are affected by the time factor.Therefore, the study on surrounding rock deation characteristics under the influence of mining can help to correctly understand the movement rule of roof terrane under fully-mechanized mining, further study the laws between the deation of roadway and mining speed, promote safety production and reducing producti-on costs. The work involves 1This paper makes a comprehensive introduction to the research directions,contents and influencing factors about rheological mechanical theory,summarizes the major research directions which include creep, stress relaxation, long-term strength, elastic after effect and hysteresis effect, etc. The creep, relaxation about combined models which incloude Kelvin model, Maxwell model,Poynting-Thomson model,Burger model,viscous-plastic model, viscous-elastic-plastic model are given. 2Through to analyze the rheological properties and aging characteristics of surrounding rocks,the main influencing factors are obtained which influence rheological deation of roadwayviscous properties of the rock material itself, stress levels and loading conditions to the rock, the temperature and humidity, 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV the occurrence environmen of the rock and so on. The deation of mining roadway which caused by the mining is produced mainly by the abutment pressure. The influence to the stress field of surrounding rock which is caused by mining speed is mainly embodied inthe integrity degree of transfer process about surrounding rock stress under different mining speed; the changes of cutting depth unit time are caused by different mining speeds,which affected unloading and loading process and changes in loading rate about the surrounding rock; mining speed differences have a certain impact to the creep time on the rock, which affects the deation and stress distribution. 3 According to analyze the rheological properties of roadway about the Shangwan Coal Mine 51101 Face, deation ula which is effected by the vertical stress is derived by using the Burgers rheological model of four-ele- ments. 4 The surrounding rock deation - time curves in different extraction rates are obtained by using Burgers creep viscoplastic model which provided by FLAC3D. Through to analyze the results of numerical simulation,conclusions are obtained the faster mining speed, the smaller deation rock;the deation of surrounding rock is mainly caused by the creep outside Support pressure of the face;when the roadway is began to affecte by the support pressure of the face, deation is caused by the support pressure of the face ;under the same condition, the slower mining speed, the greater deation of surrounding rock which creeps longer. 5 By contrast with displacement - time curves on51101 face of Shangwan Coal Mine, the figures of numerical simulation can truly reflect the condition of simulated objects. KEY WORDS fast mining， roadway stability， time effect， burgers model， numerical simulation 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪 论 1.1 引言 在我国的能源结构中， 煤炭能源一直占 70以上， 在国民经济中有举足轻重的地位。 我国厚煤层储量占煤炭总储量的 45。目前，我国厚煤层开采方法主要有综采放顶煤开 采和大采高综采 2 种，以及少量应用的分层开采。放顶煤开采广泛应用于 515m 厚煤 层；大采高综采对于 46m 的稳定厚煤层具有更好的技术经济优势。近十年来，以神东 矿区为代表的现代化矿井依靠该地区得天独厚的厚煤层赋存条件和高水平的管理模式， 采用国内外先进装备，对 46m 厚煤层采用一次采全高工艺，工作面年产达到千万吨级 水平。大采高超长工作面的研究和推广应用，不仅有利于单产提高，而且能减少巷道掘 进量和维护量，为我国煤炭的增产发挥了巨大作用。在近年的快速推进高产高效工作面 开采实践中， 人们注意到工作面开采速度即存在时间因素对开采力学响应及破坏的影响 问题，也即时间因素对地下工程围岩的变形及强度的影响作用[1-7]，因此，研究采动影 响下回采巷道围岩变形特点，对于正确认识综采条件下岩层的运动规律，深入研究巷道 变形与回采速度关系，保证生产安全，降低生产成本具有重要的现实意义。研究巷道围 岩稳定性，岩石的时效性即流变特性成为不得不考虑的一个重要方面。 1.2 流变研究现状 流变学是力学的一个分支， 是指物体在受力变形过程中出现的与时间因素有关的变 形性质，其主要研究的是材料在应力、应变、温湿度、辐射等多种条件下与时间因素有 关的变形和流动规律。 “流变”rheology意思是万物皆流[8]，体现了古希腊哲学家 Heacrtiuts 的理念。从本 质上来说，包括岩土类材料在内所有实际物体都具有流变性。大量的现场实测和室内试 验也证明了这一点。即使是比较坚硬的岩体，如果其受多组节理或发育裂隙的切割，岩 体的剪切蠕变会相当明显； 对含有泥质充填物和夹层破碎带的松散岩体以及软弱岩石而 言，其流变属性更不待言。因此，在岩土工程建设中经常遇到的岩体压、剪变形的历时 增长变化情况即为岩土体流变性态的具体反映[9-10]。 液体的内聚粘性概念首先由 Galileo 于 16 世纪后期提出；Weber 在 1835 年做抽丝 研究时发现了弹性后效现象；金属锌的粘性性质是 Kelvin 在 1865 年发现的。材料的粘 弹性特性是麦克斯韦尔于 1869 年发现的[11]。 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 一系列的发现使人们意识到，物质的固液两态之间并不存在明确的界线。当粘性材 料保持应变恒定不变时，其应力以某一速度减小到零或某一恒定值。对材料所施加的初 始应力值和受力材料的性质决定了应力衰减速率，这就是流变力学中的“应力松弛”现 象。许多学者在实验研究中还发现了“蠕变”或者称之为“流变”的现象，也就是材料在恒 定应力下材料变形随时间延长而持续发展的现象。Boltzmann 在 1874 年发展了线性粘 弹性理论，提出了适用于线性范畴的叠加原理，该理论认为给定时刻材料的内应力，不 仅取决于材料在该时间的变形，而且也取决于以前的变形。 美国流变学会是由美国的宾汉姆E.C.Bingham教授在 1929 年创建的，同年创办了 流变学杂志；以伯格斯J.M.Burgers教授为首的流变学小组于 1939 年在荷兰皇家科 学院成立；英国流变学协会是 1940 年成立的。德、法、日、瑞典、澳、意等国的流变 学会于 1950 年以后相继成立。国际流变学杂志于 1961 年创刊。自 1948 年以来，流变 学国际会议先后在荷兰斯赫维宁根、英国牛津、德国奥尔逊、日本东京以及法国里昂举 行。尤其是在第四届国际流变学会议上，Truesdell 教授提出的流动和变形的理性力学为 流变学奠定了更严格的理论基础。20 世纪 70 年代，岩石粘弹、粘弹塑性理论的研究为 岩石流变学的发展做出了巨大贡献，为预测岩土工程的长期稳定性、核废料的长期埋藏 处置提供了理论基础[11]。 针对岩石的流变性问题， 国内外的诸多专家学者做了大量工作并提出了多种流变理 论和用于模拟岩石蠕变的本构模型[12-13]。提出的主要流变理论有老化理论、流动理论、 硬化理论、继效理论和内时理论等[14-16]。 岩土工程稳定的时间效应己日益引人注目。土基变形可持续数十年而不停止；地下 隧道经过几十年后仍可能出现蠕变断裂，如美国和欧洲部分国家的部分隧道，在建成的 初期保持完好，可是在运营了几十年后逐渐出现断裂现象。地下建筑受到某些岩类在环 境因素触发下产生的膨胀现象严重影响， 部分国家建设在膨胀岩层中的巷道由于严重的 变形而失去作用。在我国的铁路隧道中也发现了类似的现象。在我国的一些煤矿中，因 为巷道发生严重的底鼓现象严重影响到整个矿井的正常生产，严重的甚至导致巷道报 废。 1.3 巷道围岩的流变性和时效特征 流变学研究的就是材料力学性态的时效特征， 人们开始日益关注岩土工程稳定中的 时间效应问题[16]，因此，与时间和空间有关的过程的概念就显得十分重要。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 岩石的流变性质和时效特征是解释和分析地质构造运动现象以及进行岩体工程长 期稳定性预测的重要依据， 同时也是岩石材料固有的力学属性。 大地构造测试结果显示， 目前地壳的平均蠕变速率约为 10-16mm/s[17]。对煤矿而言，伴随着煤矿支护技术的革新 和采煤方法的进步，岩石的流变性和时效性问题更为突出，很多学者针对巷道围岩的流 变与时效性作了大量工作[17-23]。 许宏发对一种根据室内蠕变试验资料确定流变参数的曲线拟合方法做了一个比较 详细的介绍[17]。 吴立新在煤柱设计时将煤的流变性质作为一个因素进行了探讨[18]。 周瑞 光在进行地下工程围岩稳定性研究中，全面分析了粘土岩的流变特性 [19]。金丰年、何 风等在对流变模型讨论和分析的基础上，对圆形巷道位移问题采用西原模型，运用流变 学的一般解法，得出围岩处于粘弹性和粘弹粘塑性两种状态下位移的解析解[20-22]。 一般认为岩体工程中的时间效应主要受岩石材料本身所具有的粘性性质、 应力水平 和加载方式、温度湿度以及其他赋存环境等几个方面影响[23-24] （1）岩石材料本身具有如蠕变松弛以及弹性后效这样的粘性性质。一般的如盐岩、 泥岩、粘土岩等软岩的粘滞系数可以达到 104109Mpa[25]，与软岩相比，硬岩具有相对 较弱的流变性，然而在成岩过程中地质构造运动对硬岩的影响，导致岩石材料中存在各 种裂隙、节理、层理等构造面 [26]，结构面的存在使脆性岩体呈现出较强的流变特性。 （2）应力水平和加载方式对时效性的影响。在岩体开挖与支护的过程中，岩石材 料质点由于时空位置的不同，其应力水平和加载速率也各不相同，而这些因素都直接影 响到材料的流变规律[27]。通过分析已有的实验资料发现，当材料所受的应力水平低于材 料强度时，蠕变速率持续衰减的情况会明显的表现出来。只有在应力水平达到或者超过 材料的屈服强度时，岩石的蠕变才会持续增大并可能很快地导致材料的破坏。 （3）温度、湿度和其他赋存环境的影响。一般情况下温度的升高增强了岩石材料 的岩性形态，从而导致蠕变量值明显增加。地下水会将充填在结构面和介质孔隙中的某 些粘土质矿物颗粒溶解软化掉。一系列的实验结果表明，相对于干燥试样，饱和岩石的 初始蠕变量值和稳态蠕变速率都产生了相应的增加[28]。 1.4 岩石流变本构模型研究综述 岩石的流变性是岩石的重要力学特性之一， 流变问题一直是困扰地下硐室稳定的主 要因素。硐室在开挖之后，在围岩强度较低以及比较破碎的情况下，围岩变形的时效性 比较显著， 因此针对不同的具体情况诸多专家学者提出了很多不同类型的力学模型用于 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 围岩的变形预测[13]，主要有经验模型、组合模型、内时模型等三类。 （1）经验模型 流变体的应力、应变与时间之间存在很复杂的关系，一般的函数关系难以表示。所 谓的经验模型就是根据具体的试验条件以及岩石种类所求得的数学表达式， 具有比较强 的针对性，因此流变体经验模型又被称为经验方程。经验公式描述初始蠕变和等速蠕变 的比较多，对加速蠕变较少反映。目前，关于材料介质蠕变的经验公式主要有 3 种，分 别是反映初始蠕变阶段的幂函数型， 反映加速蠕变阶段的对数型以及描述等速蠕变阶段 的指数型。 （2）组合模型 组合模型的基本原理是利用能够反映岩石的弹性、塑性和粘滞性性质的基本元件， 根据岩石具体的流变性质，将基本元件组合成能基本反映岩石流变性质的本构模型。模 型的参数和组合元件的数目可以根据实测的应力应变曲线与试验结果进行调整。 组合 模型的流变本构方程本质上是一种微分形式的本构关系， 通过对本构方程的求解就可以 得到岩石的蠕变方程、应力松弛方程等。组合模型概念直观、简单，有明确物理意义， 又能较全面地反映流变介质的蠕变、应力松弛、弹性后效和滞后效应等流变学特性的特 点。尤其是如果在组合模型中添加能表述非线性应力应变关系的[H]元件或者非牛顿体 特性[N]元件时，组合模型甚至可以用来描述岩石的非线性流变特性[28-31]。 以荷兰的 Geuze E.C.W.A[30]和我国的陈宗基教授为代表的岩土力学专家早在 1948 年就开始了组合流变模型的系统研究，尝试利用虎克体H、牛顿体N和圣维南体S 三个模型的组合模型来模拟岩土材料的基本流变行为[32]。此后，基于不同条件的岩石流 变组合模型相继被国外许多学者提出。我国的此类研究开始于 20 世纪 50 年代，主要代 表为陈宗基教授 [29]。 描述岩石流变的基本组合元件模型可分为弹性体、粘性体、塑性体三种，其它的元 件模型大多是它们的变种或组合。利用基本流变元件来建立岩石的流变模型，通过岩石 的室内蠕变、松弛等试验获得岩石的应力应变时间曲线是建模的前提条件，在分析 时间对应力应变曲线的弹性阶段、弹塑性阶段影响的基础上，建立由上述三种元件串 联或并联而成的组合模型， 并根据应力应变时间曲线来调整模型的组合元件的个数 及其参数，使得模型的应力应变曲线和试验结果尽量相一致。 对性质复杂的岩石流变力学而言， 人们在研究中逐渐发现采用单一的元件模型已经 难以详尽描述其复杂性， 于是通过将若干个相同模型串联或并联组合成更复杂的广义模 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 型的方式便被部分学者提出，例如广义马克斯韦尔模型、广义伯格斯模型、广义开尔文 模型等均属于此类模型。 此外，还有一类根据岩石介质是由承受同一应变的若干分层组成的，且总应力为各 个分层的应力之和的理论来模拟整体岩石流变的模型，也就是层叠模型 [ 30-32]。 （3）内时模型 内时理论的最基本的概念是 塑性和粘塑性材料内任一点的现时应力状态是该点邻 域内整个变形和温度历史的泛函； 变形中材料特性和变形程度的内蕴时间是用来衡量变 形历史的度量； 通过研究内变量表征的材料内部组织的不可逆变化必须满足热力学约束 条件得出内变量的变化规律，由此得出显式的本构方程，这个理论最早是由 Valanis[32] 提出。 最早将内时理论推广应用到及岩石等材料是 Bazant[33]；范镜泓等 [34]发展了 Valanis“材料本构不变性的概念”的思想，在以内变量理论的方法和概念为其重要组成的 不可逆热力学基础上提出了一个本构方程形式的不变性定律并用数学方法进行了严格 的证明。按照这个定律，在恰当定义某些内蕴时间标度 Z 以使得广义的内摩擦力正比于 相应内变量对 Z 的变化率的条件下， 所研究的耗散材料的本构方程的形式与其内摩擦力 正比于相应的内变量速率的粘弹性材料的本构方程形式完全一样， 从软岩流变变形过程 为一不可逆热力学耗散过程的观点出发，基于内时理论，通过对内蕴时间的重新构造及 在 Helmholtz 自由能中引入损伤变量，利用不可逆热力学的基本原理，推导了软岩的内 时流变本构方程。该方程能有效地描述软岩蠕变过程中衰减蠕变、稳定蠕变和加速蠕变 等三个阶段的力学特性；当损伤尚未发生或未明显出现时，该方程能用来描述软岩蠕变 第一、二阶段的特性及松弛特性，当损伤开始发生或出现时，该方程描述的是蠕变第三 阶段的特性 [34-36]。 1.5 高强度开采采动应力场研究现状 高强度开采是泛指综采放顶煤开采、 大采高一次采全厚开采等开采强度非常大的采 煤方法。虽然具体形式不同，但是都具有产煤量大、回采速度快、煤岩层受采动影响大 等特点。这些特点与以前的开采情况有着很大的区别[37-38]。 目前，国内很多专家学者在这方面进行了较为广泛的探讨[39-42]。齐庆新采用有限元 程序从煤岩层状结构这一特点出发，对水平煤层、单一煤层和多煤层、硬顶、硬底和硬 煤以及存在软弱层和节理等结构面的煤层进行了采动应力状态研究，结果表明，无论是 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 单一煤层还是多煤层开采，采掘空洞周围应力发生显著变化，出现了较高的应力集中区 域；应力峰值位置移向煤体深部，支承压力的影响范围明显扩大；结构面对煤岩体应力 分布规律的影响是极为显著的[39]； 陈学华具体研究了工作面开采时采动应力分布受煤柱 尺寸的影响[40]。毛德兵等采用 FLAC2D研究了华丰煤矿煤层巷道底板变形与水平应力的 关系[41]。 姜福兴对四面“孤岛”开采矿压控制技术进行了相关研究，专题研究了四面采空“孤 岛”采场采场的矿压控制问题具有重要的理论和实用价值，提出了三种典型的四面采空 “孤岛”的开采地质条件；将四面采空“孤岛”采场覆岩视为多层空间结构，有助于正确认 识岩层运动规律及其与采动应力场的关系[42]； 王述红等应用RFPA软件对抚顺老虎台矿厚煤层开采过程围岩应力场进行了数值模 拟，发现在煤体中存在内应力场和外应力场，这两个应力场的形成主要是由于顶部煤层 断裂结束时，断裂线附近应力下降和迅速向两侧转移，并且随着工作面的推进，内应力 场中的压力高峰向煤壁方向转移以及外应力场中应力向纵深扩展[43]； 梁冰等对唐山矿采 动影响后采动岩体应力变化进行了模拟[44]； 闫少宏等在分析放顶煤开采上覆岩块运动特 点研究中引入有限变形力学理论，提出了上位岩层结构面稳定性的定量判别式[45]。 上述研究成果表明，高强度开采条件下采动应力场具有显著的特点，但只是基于矿 压研究而言，并未涉及高强度开采对回采巷道影响的定量分析。 1.6 回采巷道定义及特性分析 矿井巷道按其作用和服务范围的不同，可以分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道三 种类型。在我国煤矿井巷中，回采巷道的长度占到了矿井巷道总长度的 60以上[46]。回 采巷道沿煤层掘进，形状一般为矩形或梯形，巷道围岩易破坏，且受采动影响，锚固体 大多处于破坏以后的状态。回采巷道的使用具有以下特点 （1）服务时间短，一般从开 始掘进到回采结束在两年以内； （2）受采动影响较大。但是回采动压的影响一般是在回 采工作面推进前方数十米范围内。 在水平煤层和倾斜煤层条件下， 走向长壁和倾斜长壁开采中的回采巷道的布置形式 是不同的，但回采巷道周围的条件基本上可分为 （1）两侧巷道的周围均为实体煤； （2） 两侧巷道周围均为采空区沿空留巷或沿空掘巷等； （3）两侧巷道的周围均为煤柱区段煤 柱或采区煤柱等； （4）一侧巷道的周围为采空区，另一侧为实体煤； （5）一侧巷道的周 围为采空区另一侧为煤柱； （6）一侧巷道的周围为回采巷道。周围条件有以上六种基本 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 形式，但其基本受力形式可归纳为以下三种 （1）只受垂直方向的压力作用； （2）受对 称的水平方向压力和垂直方向压力共同作用； （3）除受垂直方向压力作用外，还受非对 称的水平压力作用。 影响巷道矿压显现的主要因素有地质因素和开采因素[47] 地质因素包括采深、原岩应力、地质构造、煤岩体的强度与裂隙发育程度等。 开采因素包括采煤方法、 巷道布置形式、 有无护巷煤柱及其宽度、 支护强度与质量、 巷道的形状与断面大小、采高等。 孙忠辉等[1]、褚东生，刘安泰等[48]对快速推进条件下巷道围岩的变形进行了观测研 究，通过现场实测得出快速推进条件下，工作面巷道围岩变形较小。刘明等人[49]结合潘 谢矿区谢桥矿综采工作面具体条件，采用现场实测的方法，对综采工作面回采巷道围岩 变形规律进行了研究，得出了综采工作面动压巷道围岩变形规律；文志杰等[50]对运用关 键层理论和流变力学对回采巷道围岩结构进行了分类， 建立了反映巷道整体结构特征的 两种基本顶断裂力学模型和相应的力学本构模型。 1.7 课题提出 在神东矿区随着快速推进高产高效工作面的推广应用，工作面日推进度从初期的 25m/d，经历过 1015m/d，发展到目前的 2025m/d[51]，总结分析现场实测资料发现， 回采速度的变化使回采巷道围岩变形量等参数也产生相应的变化。为此，应深刻分析研 究回采速度变化（即时间因素）对巷道围岩稳定性影响的力学机理和相互影响规律，在 此基础上指导现场的开采生产实践，为回采巷道的合理支护提供依据。 1.8 课题的研究内容及方法 研究内容 （1）查阅相关资料，掌握国内外矿山岩石流变力学发展现状和岩体流变力学模型 研究现状； （2）根据巷道围岩流变实验资料，建立巷道围岩的流变本构模型，并求解其相关 参数； （3）运用 FLAC3D数值模拟软件结合自身地质条件根据构建数值模型进行模拟。 研究方法 论文采用理论分析、数值模拟、现场试验相结合的研究方法。主要研究方法和技术 路线如下 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 （1）理论分析。运用岩石力学、弹性力学、岩石流变力学、矿山压力等理论，研 究巷道围岩的流变特性，选择合适的流变模型； （2） 数值模拟分析。 运用 FLAC3D数值模拟软件分析上湾矿 51101 工作面回采巷道 在不同的回采情况下巷道围岩应力分布、位移分布规律； （3）实测验证。通过现场实测对数值分析结论进行验证。 太原理工大学硕士研究生学位论文 9 第二章 巷道围岩的时效性理论研究 2.1 流变学概论 2.1.1 流变学研究概况 在各种的岩体工程中，岩体的时间效应在岩体的变形、失稳等特性中相当显著。岩 石流变力学主要研究内容是温湿度、应力、应变等条件下的材料在时间因素作用下的流 动和变形规律。工作荷载作用下的岩石各点处于空间应力状态，且岩石的不同部位因为 所受应力大小的不同会处于线弹性、弹塑性、损伤、开裂等状态。解决实际岩石力学问 题和深入认识岩石本身性质的关键是依据岩石所处应力应变状态建立岩石力学本构 模型。流变理论与弹塑性理论在处理问题的思想上最大不同之处在于流变过程体现的 是一个不平衡的过程， 反映的是在材料的应力应变关系中必须要考虑时间因素的影响 问题。 岩石具有流变特性是众所周知的，很多岩石工程都与岩石的流变性有密切关系，尤 其是深埋于地下的洞室或巷道，流变性更为严重。一个工程的破坏往往是有时间过程的 [52]， 这是陈宗基教授的一个看法。 换句话说也就是岩石的流变性决定着工程的破坏程度。 有的研究者甚至指出，如果不考虑岩石的流变性的话，某些岩石力学课题的研究就难以 开展。 在很多情况下，岩石工程的失稳和破坏会有一定的滞后期，并不是在开挖完成后立 即发生[53-56]。例如矿山井巷开挖以后，初期比较稳定，在时间作用下围岩变形不断发 展，最终可能失稳以致坍塌破坏。采场覆岩和巷道围岩的变形趋于稳定或失稳体现出来 的是一个时间过程，其变形及应力随着时间的不断延长而处于不断地调整中[57]。 岩石工程流变学在岩基、边坡和隧道与地下工程等领域具有重要的研究价值，岩石 流变学的研究内容概括起来主要包括蠕变、应力松弛、弹性后效、黏滞效应、长期强度 等几个方面 [58]。 蠕变是指在恒定应力的持续作用下的岩体其变形随时间延长而持续增长的过程； 应 力松弛是指岩体在恒定应变下，应力随时间延长有一定程度衰减变化的过程。 弹性后效和黏滞效应岩体在施加载荷的瞬间发生弹性变形后，继续有一部分后续 的黏性变形随时间而增长；同时，岩体在一定的应力持续作用下，当卸载后，这部分可 恢复的黏性变形其恢复过程存在一个滞后时间[59]。 长期强度岩体强度随时间而持续有限降低，并逐渐趋近于一个稳定收敛的定值。 太原理工大学硕士研究生学位论文 10 试验研究表明，多数岩石在较低的恒定荷载作用下表现为粘弹性固体特性，其变形 与时间成正比，但变形速率逐渐趋于稳定；当应力较高或应力超过某一极限时，岩石则 由粘弹性开始转化为粘塑性， 变形量和变形速率随时间而增大， 最终加速蠕变导致破坏。 在岩石由粘弹性向粘塑性转化过程中，存在一个明显的转折点，也就是长期强度，陈宗 基教授称这个点为第三屈服强度[60-61]。 当岩石施加应力较小时，虽然岩石变形随时间有一定的增长，但增长率随时间而减 小并最终趋近于某一稳定值，此即所谓的稳定流变。当给岩石施加较大应力时岩石变形 会不断增加直到破坏。 2.1.2 流变学的实验研究 实验基础学是流变学发展的基础，因此实验是研究流变学的主要方法之一。能够长 期观察、实验条件便于控制、能够排除干扰因素、可以多次重复和投资少等是室内试验 工作的特点，因而在研究流变学中实验是不可或缺的手段之一。二十世纪三十年代就开 始了岩石的蠕变性试验研究。在以后的几十年里，岩石材料流变特性的研究成果资料越 来越丰富[59-65]。 蠕变试验、应力松弛试验和动力试验是主要的三种实验方法。 对材料进行蠕变实验常用的方法有 通过对材料试件施加恒定的拉力来研究材料的 拉伸蠕变性能；通过施加恒定的弯矩于粱形试件上，研究材料挠度蠕变性能等。 将试件放置于应力松弛试验仪上，通过应力松弛试验仪使试件产生一个恒定的变 形，测定试件所受应力随时间的衰减变化，此即为应力松弛实验。 动力试验即为通过对试件施加一定频谱的正弦振动，以此来研究材料的动力效应 [65]。 2.1.3 岩石的应力应变特征分析 岩石力学研究的基础是岩石单轴抗压试验。在刚性试验机问世前，岩石试件在进行 单轴抗压实验时，当压力到达或超过应力应变曲线的峰值后试件就会崩解。刚性试验 机的发明为取得全程应力应变曲线提供了条件。 岩石峰值强度后的力学性质通过岩石 类材料破坏过程的全程应力应变曲线得以揭示，应力应变曲线如图 2-1 所示。 通过图 2-1 可以看出，全程应力-应变曲线可分为 OA、AB 、BC、 CD 四个部分。 OA 段是表现的是由于在外部载荷作用下煤岩体内部的裂隙、孔隙密实的结果。该段曲 线呈现出向上弯的特点， 这说明随着变形的增加只有在较大的应力条件下才能产生同样 大小的应变。 太原理工大学硕士研究生学位论文 11 C R 3 E B 4 G HD 2 1 0 εp εe KI σs σc σ ε a A 0 σ σ- εv εv ε σ- ε （b） 图 2-1 全程应力-应变与扩容曲线[66] Fig.2-1 Whole process curve of stress-strain and dilatancy[65] 曲线中的 AB 段近似为一条直线，直线的斜率即为弹性模量，这一段是岩石发生弹 性变形的结果。在 OB 区域内，当载荷卸载后变形就会恢复，这是岩石试件的弹性性质。 此时岩石开始产生随机分布的微裂纹，并且裂纹产生后即停止。裂纹呈现出均匀分布的 态势，此时裂纹有几乎相等的发生与闭合概率。曲线中的 s σ是弹性变形的极限应力即 B 点对应的应力值，所以 s σ即为试件的弹性极限或屈服极限。 曲线中的 BC 段是当试件在超过屈服极限后继续加载呈现的结果。在 BC 段内，当 在点 R 处载荷完全卸载并重新开始加载后试件就会产生永久的应变 P ε。卸载后重新加 载会形成一个回滞圈， 即图2-1a中曲线OR上升到与原来曲线连接处所形成的闭合曲线。 太原理工大学硕士研究生学位论文 12 如以上所述，在不同加载与卸载条件下，试件的屈服点由 B 点提高到 R 点，这是应变 硬化现象。抗压强度 c σ即为曲线的最高点 C 对应的应力值，它表示了岩石试件在实验 条件下所能承受的最大压应力，有时也称之为破坏强度。在曲线的 B 点附近，