岩石峰后流变试验及其应用研究.pdf

密密级级公开 中图分类号中图分类号X936 硕硕士士学位论文学位论文 岩石峰后流变试验及其应用研究岩石峰后流变试验及其应用研究 研研 究究 生生刘圣刘圣 导导师师李树清教授李树清教授 学学科科安全科学与工程安全科学与工程 研究方向研究方向煤矿事故预防与控制煤矿事故预防与控制 2018 年年 6 月月 AThesis ted for the Degree of Master ExperimentAndApplication Study on Post-peak Rheology of Rock CandidateLiu Sheng Supervisor and RankProf.Li Shuqing 岩石峰后流变试验及其应用研究岩石峰后流变试验及其应用研究 学位类学位类型型学术型学位学术型学位 作者姓名作者姓名刘圣刘圣 作者学号作者学号1501010200615010102006 学科（专业学位类别学科（专业学位类别 安全科学与工程安全科学与工程 研究方向（专业领域研究方向（专业领域 煤矿事故预防与控制煤矿事故预防与控制 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称李树清教授李树清教授 实 践 导 师 姓 名 及 职 称实 践 导 师 姓 名 及 职 称袁越讲师袁越讲师 所在学院所在学院资源环境与安全工程资源环境与安全工程学学院院 论文提交日期论文提交日期20182018 年年 6 6 月月 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名日期年月日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本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 和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名日期年月日 导师签名日期年月日 i 摘摘 要要 在复杂的工程环境下， 岩体的受力与变形表现出很强的时间效应。 在巷道开挖过程 中往往会产生一定范围的破裂区， 在长期荷载作用下巷道围岩的流变既有完整围岩的流 变，也有破裂围岩的流变，破裂围岩的流变是导致巷道长期变形的一个主要因素，加大 了巷道围岩稳定性控制的难度。 鉴于此， 本文采用 MTS815 电液伺服岩石力学试验系统 进行了岩石峰后流变试验和基本力学试验，分析了不同应力状态下岩石峰后流变特征， 求取了岩石峰后的长期强度， 选取了合适的本构模型对峰后蠕变特性进行了描述， 从破 裂围岩流变的角度探讨了软弱破碎顶板冒顶机理及安全控制措施。 论文的主要研究成果 如下 （1）通过红砂岩单轴、 三轴压缩下的强度试验， 获取了岩石的常规物理力学参数， 分析了不同围压、不同应力水平下红砂岩的应力应变曲线特征、强度与变形特性，研究 得到了单轴、三轴压缩条件下红砂岩的破坏形式。 （2）通过红砂岩三轴压缩下峰后应力松弛特性试验和峰后蠕变试验，研究了不同 损伤岩样的应力松弛特性和峰后蠕变特性， 分析了损伤、 初始应力水平以及围压对松弛 稳定时间、 应力松弛量的影响规律， 讨论获得了红砂岩峰后轴向与径向蠕变特性一般规 律，探讨了损伤、初始围压以及围压增量对岩石峰后蠕变特性的影响机理，对比分析了 损伤、围压增量对峰后轴向与径向蠕变特性影响的差异。 （3）基于红砂岩三轴压缩下峰后蠕变特性曲线规律， 求取了岩石峰后的长期强度， 以组合元件流变模型理论为基础， 选取了能描述红砂岩峰后蠕变特性的改进的西原本构 模型，确定了蠕变模型参数。 （4）以林东矿业集团红林煤矿软弱破碎顶板煤巷支护为工程背景，结合峰后流变 失稳规律采用剪切断裂模型研究得到了软弱破碎顶板的冒顶机理， 建立了锚固承载圈承 载能力分析模型， 对比分析了锚杆预紧力对完整围岩和软弱破碎围岩锚固承载圈承载能 力的影响规律， 提出了软弱破碎围岩高预紧力锚固的流变力学原理， 结合工程提出了基 于锚杆预紧装置张拉的高预紧力锚梁网索支护技术方案，现场应用表明其支护效果良 好。 关键词峰后流变；围压增量；峰后长期强度；蠕变模型；冒顶机理；高预紧力 ii iii Abstract In complex engineering environment, the stress and deation of the rock mass show a strong time effect. In the course of tunnel excavation, there is often a certain range of rupture zone. Under the action of long-term load, the rheology of surrounding rock of roadway is not only the rheology of intact surrounding rock, but also the rheology of cracked surrounding rock. The rheology of cracked surrounding rock is one of the main factors leading to the long-term deation of roadway, which makes it more difficult to control the stability of roadway surrounding rock. In view of this, MTS815 electro-hydraulic servo rock mechanics test system has been used to make the post-peak rheological test and basic mechanical test of rock samples, analyze the post-peak rheological characteristics of rock under different stress states, and obtain the post-peak long-term strength of rock. The article selects a suitable constitutive model to describe the post-peak creep characteristics, and discuss the mechanism of roof falling and safety control measures of soft broken roof from the point of view of rheology of fractured surrounding rocks. The main research results of this article are as follows 1 Through strength test under the compression of red sandstone uniaxial and triaxial , it was obtained regarding the conventional physical and mechanical parameters of rock. And the characteristics of stress-strain curve, strength and deation of red sandstone under different confining pressures and different stress levels are analyzed, which make it access to the failure modes of red sandstone under uniaxial and triaxial compression. 2 Through the post-peak stress relaxation test and post-peak creep test of red sandstone under triaxial compression, this article studied the stress relaxation and creep characteristics of different damaged rock samples, and analyzed damage and initial stress level,and the effect low of confining pressure on relaxation stabilization time and the stress relaxation. It gets the general law of axial and radial post-peak creep characteristics is discussed.,investigate the influence mechanism of damage, initial confining pressure and confining pressure increment on post-peak creep and contrast the effects difference of damage and confining pressure increment on the post-peak axial and radial creep. 3 Based on the characteristic curve law of post-peak creep under red sandstone triaxial compression, the long-term strength of rock post-peak was obtained. Selected an improved Elastic model with characteristics of red sandstone post-peak creep based on the theory of iv combined rheological model which make it confirm parameters of creep model. 4 It applied shear fracture model and get the roof falling mechanism of weak broken roof and establishe an analytical model of the bearing capacity of anchor bearing ring regarding soft broken roof coal roadway support in Honglin Coal Mine of Lin Dong Mining Group as the engineering background with the combination of post-peak rheological instability law. And it compared and analyzed the influence of pre-tightening force of anchor rod on the bearing capacity of intact surrounding rocks and weak broken surrounding rocks.,then raised the rheological mechanics principle of high pretension anchorage of soft broken surrounding rock. Combined with the project, the technical scheme of high pretension anchor beam mesh and cable support based on bolt pretension device stretch-draw is put forward. The field application shows that the support effect is good. Keywords Post-peak rheology; Confining pressure increment; Post-peak long-term strength; Creep model; Roof falling mechanism; High preload 湖南科技大学硕士学位论文 目目 录录 摘摘 要要...........................................................................................................................................i Abstract....................................................................................................................................iii 目目 录录..........................................................................................................................................v 第一章第一章 绪论绪论.........................................................................................................................- 1 - 1.1 选题背景与研究意义............................................................................................- 1 - 1.2 国内外研究现状....................................................................................................- 1 - 1.2.1 岩石流变特性试验研究.............................................................................- 1 - 1.2.2 岩石流变本构模型研究.............................................................................- 4 - 1.3 主要研究内容及技术路线....................................................................................- 7 - 1.3.1 主要研究内容.............................................................................................- 7 - 1.3.2 研究方法及技术路线.................................................................................- 7 - 第二章第二章 岩石基本力学性质试验岩石基本力学性质试验.......................................................................................- 11 - 2.1 试验条件..............................................................................................................- 11 - 2.1.1 试验设备...................................................................................................- 11 - 2.1.2 岩样制备...................................................................................................- 12 - 2.2 单轴压缩变形试验..............................................................................................- 12 - 2.2.1 试验步骤...................................................................................................- 13 - 2.2.2 结果分析...................................................................................................- 13 - 2.3 三轴压缩变形试验..............................................................................................- 16 - 2.3.1 试验步骤...................................................................................................- 16 - 2.3.2 结果分析...................................................................................................- 17 - 2.4 本章小结..............................................................................................................- 21 - 第三章第三章 岩石峰后流变试验岩石峰后流变试验...............................................................................................- 23 - 3.1 试验设备..............................................................................................................- 23 - 3.2 峰后应力松弛试验..............................................................................................- 23 - 3.2.1 试验方法...................................................................................................- 23 - 3.2.2 损伤对峰后松弛的影响...........................................................................- 24 - 3.2.3 围压对峰后松弛的影响...........................................................................- 26 - 3.3 峰后蠕变试验......................................................................................................- 27 - 3.3.1 试验方法...................................................................................................- 28 - 3.3.2 峰后蠕变曲线特征...................................................................................- 28 - 3.3.3 峰后蠕变量与应力水平之间的关系.......................................................- 30 - 3.3.4 破坏应力下蠕变速率特征.......................................................................- 31 - 3.3.5 岩石峰后蠕变破坏特征...........................................................................- 32 - 3.3.6 损伤对峰后蠕变的影响...........................................................................- 32 - 3.3.7 初始围压对峰后蠕变的影响...................................................................- 34 - 3.3.8 施加围压增量条件下峰后蠕变规律.......................................................- 37 - 3.3.9 峰后径向与轴向蠕变特性.......................................................................- 40 - 3.3.10 不同损伤下峰后轴向与径向蠕变对比分析.........................................- 41 - 湖南科技大学硕士学位论文 3.3.11 施加围压增量条件下峰后轴向与径向蠕变对比分析.........................- 43 - 3.4 本章小结..............................................................................................................- 45 - 第四章第四章 岩石峰后蠕变本构模型及参数辨识岩石峰后蠕变本构模型及参数辨识...................................................................- 47 - 4.1 岩石蠕变模型理论..............................................................................................- 47 - 4.1.1 基本元件...................................................................................................- 47 - 4.1.2 组合模型...................................................................................................- 49 - 4.2 岩石峰后蠕变本构模型......................................................................................- 53 - 4.2.1 三轴压缩下峰后蠕变本构模型...............................................................- 53 - 4.2.2 峰后长期强度特征...................................................................................- 54 - 4.2.3 蠕变模型参数辨识方法...........................................................................- 55 - 4.2.4 蠕变模型参数的确定...............................................................................- 57 - 4.3 本章小结..............................................................................................................- 58 - 第五章第五章 岩石峰后流变特性在软弱破碎顶板冒顶分析及安全控制中的应用岩石峰后流变特性在软弱破碎顶板冒顶分析及安全控制中的应用...............- 61 - 5.1 基于岩石峰后蠕变失稳的软弱破碎顶板冒顶机理及控制分析......................- 61 - 5.1.1 基于岩石峰后蠕变失稳的软弱破碎顶板冒顶机理...............................- 61 - 5.1.2 软弱破碎围岩高预紧力锚固流变力学原理...........................................- 64 - 5.2 基于滚动摩擦原理的锚杆预紧技术...................................................................- 66 - 5.3 软弱破碎顶板安全控制的实践..........................................................................- 67 - 5.3.1 巷道地质概况...........................................................................................- 67 - 5.3.2 回采巷道冒顶状况及原因分析...............................................................- 68 - 5.3.3 锚梁网索支护方案...................................................................................- 69 - 5.3.4 锚梁网索支护施工方法...........................................................................- 71 - 5.3.5 锚杆预紧装置及锚梁网索现场应用效果检验.......................................- 72 - 5.4 本章小结..............................................................................................................- 74 - 第六章第六章 结论与展望结论与展望...........................................................................................................- 75 - 6.1 主要结论..............................................................................................................- 75 - 6.2 主要创新点..........................................................................................................- 76 - 6.3 研究展望..............................................................................................................- 76 - 参考文献参考文献.............................................................................................................................- 77 - 附录附录 攻读硕士期间发表的论文与科研成果清单攻读硕士期间发表的论文与科研成果清单...........................................................- 81 - 致谢致谢.....................................................................................................................................- 83 - 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 选题背景与研究意义选题背景与研究意义 岩石的流变性是指岩石变形过程中表现出的具有时间效应的特性， 包括蠕变、 应力 松弛和长期强度等[1]。在工程实践中，巷道的开挖往往会产生一定范围的破裂区，由于 岩体的非均质性、不连续性和各向异性，在支护等各应力作用下，其受力与变形总是表 现出很强的时间效应， 导致巷道围岩的流变既有完整围岩的流变， 也有破裂围岩的流变 [2-4]。从工程岩体稳定安全的角度出发研究岩石的流变特性成为迫切需要解决的岩石力 学重要课题。目前，国内外学者围绕巷道围岩破裂区分布、破裂区变形、破裂区围岩强 度特征以及破裂围岩控制开展了广泛的研究。 然而， 从流变的角度研究巷道破裂围岩变 形效应依然较少， 流变模型一般是根据完整岩石或结构面流变试验建立的， 导致岩石力 学理论分析和数值计算结果与现场实测位移产生了量级之差， 由此导致的支护盲目性也 经常造成围岩片帮和冒顶伤人事故。 因此， 从流变角度出发研究巷道破裂围岩变形规律 具有重要的理论价值，对工程设计中确保巷道长期稳定有着十分重要的实用价值。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 岩石流变特性试验研究岩石流变特性试验研究 开展岩石流变方面研究，岩石室内流变试验是有效途径，它具备控制试验变量、重 复多次试验、排除其他因素、可操作性强等优点，试验结果分析可以反映不同条件下的 破裂围岩流变特性，为建立符合流变特征的本构模型提供有力的数据基础。 在国外，早在 20 世纪就已经对岩石进行了流变特性方面的研究，并取得了大量研 究成果[5-9]。Vouille 等[10]进行了不同偏应力、围压以及温度下的盐岩蠕变试验，并以松 弛特性研究为基础讨论了蠕变破坏准则。Okubo 等[11]通过伺服刚性试验机进行了砂岩、 大理岩以及安山岩的压缩蠕变试验， 获取了较完整的加速蠕变阶段蠕变曲线， 并基于曲 线提出了描述蠕变三阶段的本构方程。Malan[12-14]对深部硬岩开展了时效研究，结果表 明硬岩在高应力下发生了明显的流变变形。Marnainri[15]通过石灰岩的单轴、三轴蠕变 试验，研究了石灰岩的流变变形规律，并基于 Csritesuc 理论提出了非关联粘塑性蠕变 本构方程。Sun Jun[16]基于软岩的非线性流变试验提出了三维非线性流变模型。 Gasc-Barbier[17]开展了不同温度、不同应力路径下的三轴压缩蠕变试验，试验发现应变 第一章 绪论 - 2 - 和应变率与偏应力和温度呈正相关，加载历史对蠕变率存在一定的影响。 在国内，近年来由于大型工程的兴建，促使更多的学者开展岩石流变试验研究。对 于工程巷道岩石的蠕变试验，刘传孝等[18]进行了深井煤岩的分级加载短时蠕变试验， 分析了不同围压下煤岩的细观损伤特征。姜德义等[19]通过砂岩蠕变试验采用统计学的 方法研究了试验全程的声发射信号统计规律， 结果表明蠕变试验声发射信号能量概率密 度服从幂律分布。王永刚等[20]对炭质板岩进行了流变试验，分析了层理面和轴向荷载 的夹角对流变特性的影响机理。刘迪等[21]通过层状岩盐单轴蠕变试验，发现全程声发 射特征包含 3 个阶段， 累计声发射事件数和蠕变量之间近似服从线性关系， 建立的基于 声发射损伤演化模型较好地描述了蠕变三阶段特性。王振等[22]基于绿片岩的单轴、三 轴蠕变试验提出并验证了以极限应变法和等应变速率曲线拐点法来求解岩石的长期强 度的新方法， 两种方法求得结果均较好地复合经验值， 且发现长期强度随着围压的增大 有一定程度的增大。张素敏等[23]进行了不同含水率的全风化花岗岩分级加载流变试验， 结果发现含水率越高，剪切模量越小，蠕变速率变大，过渡蠕变段缩短。王萍[24]对泥 页岩开展了不同含水率下的蠕变试验， 研究发现在相同应力水平下岩石的瞬时应变、 总 应变量随着含水率的增大而增大，长期强度变小。杨永杰等[25]通过石膏的蠕变试验发 现其蠕变强度为瞬时强度的 7277。蒋昱州等[26]开展了三峡库区的典型砂岩分级加 卸载的蠕变试验，结果发现蠕变量值