高地應力條件下深部巷道圍巖分區(qū)破裂形成機制和錨固特性研究.pdf

1、近年來，隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)穩(wěn)定增長，國家對地下洞室開發(fā)利用逐漸趨向于深部。在高地應力、高滲透壓、高溫和開挖擾動等復雜惡劣地質條件下，深部地下工程產(chǎn)生了諸如大變形、強流變等特殊的變形破壞方式。其中，分區(qū)破裂是最引人關注的問題。分區(qū)破裂是深部巷道圍巖在高地應力下的特殊工程地質現(xiàn)象，如果處理不當將會造成大范圍的巷道破壞。因此，國內外專家學者對此進行了大量研究，但對分區(qū)破裂的形成機制仍沒有統(tǒng)一的結論。本文結合國家自然科學基金項目“高地應力深部巷

2、道圍巖非線性變形破壞機理及錨固特性的研究”，以淮南礦區(qū)丁集煤礦-910m深部巷道為工程背景，通過采用真三維地質力學模型試驗和理論分析相結合，并輔以現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的手段，全面系統(tǒng)研究了高地應力條件下深部巷道圍巖分區(qū)破裂形成機制以及分區(qū)破裂形成過程中圍巖的變形破壞規(guī)律。以此為基礎，建立了分區(qū)破裂形成的條件判據(jù)，并研究了深部巷道圍巖分區(qū)破裂的錨固特性。主要的研究內容和創(chuàng)新點如下：
　　 ⑴通過鉆孔電視對淮南丁集礦深部巷道進行圍巖破

3、壞觀測證實，深部巷道圍巖存在分區(qū)破裂現(xiàn)象。觀測結果初步表明深部巷道圍巖分區(qū)破裂的破裂形態(tài)、破裂區(qū)半徑、分布特征等與開挖巷道半徑密切相關。
　　 ⑵開展了預留洞室軸向壓縮破壞的模型試驗，發(fā)現(xiàn)軸向高壓力下洞室圍巖出現(xiàn)了多條間隔破壞線。初步表明軸向高壓力是導致產(chǎn)生分區(qū)破裂的重要因素。
　　 ⑶通過相似材料三維地質力學模型試驗，再現(xiàn)出高地應力條件下深部巷道開挖導致圍巖形成分區(qū)破裂現(xiàn)象，并獲得巷道圍巖位移和徑向應變呈現(xiàn)波峰與波谷交

4、替分布的波浪形變化規(guī)律。試驗得到的分區(qū)破裂形態(tài)特征及圍巖位移分布規(guī)律與現(xiàn)場監(jiān)測基本一致。
　　 ⑷自主研制的高地應力真三維加載模型試驗系統(tǒng)可用于同步、獨立地向模型施加三軸高地應力。
　　 ⑸研究得到巷道圍巖裂紋的擴展軌跡。首先提出了受壓裂紋擴展的計算方法，然后通過擴展有限元將其應用于裂紋擴展軌跡的計算，計算結果表明圍巖裂紋擴展到一定長度將最終趨向于形成環(huán)狀斷裂。高地應力條件下深部巷道圍巖分區(qū)破裂形成機制和錨固特性研究

5、r>　　 ⑹通過對深部巷道圍巖應力應變場和能量場的研究，揭示了分區(qū)破裂的形成機制。即圍巖彈塑性區(qū)邊界存在著切向應力峰值、徑向應變不協(xié)調性和應變能的聚集，使該區(qū)域形成與開挖洞室呈同心圓的環(huán)狀斷裂，從而導致圍巖卸荷及應力重分布并使圍巖產(chǎn)生新的彈塑性區(qū)邊界。該過程不斷循環(huán)、遞進，便形成了分區(qū)破裂現(xiàn)象。揭示了分區(qū)破裂產(chǎn)生后圍巖位移與應變呈波峰波谷波浪形分布的原因在于新的塑性區(qū)的不斷形成，使得新形成的塑性區(qū)的應變和位移值出現(xiàn)突變。
　　

6、 ⑺通過研究得到形成分區(qū)破裂的地應力特征為軸向地應力第一或第二主應力，各破裂區(qū)形成具有時間上的遞進性；當?shù)貞Σ蛔阋赃_到判據(jù)時分區(qū)破裂過程停止；分區(qū)破裂形態(tài)與開挖洞室半徑、圍巖力學參數(shù)等有關，各破裂區(qū)半徑之間符合等比關系。這基本解釋了試驗和現(xiàn)場觀測到的現(xiàn)象。
　　 ⑻建立了分區(qū)破裂的起裂判據(jù)。首先提出了極坐標系下的滑移裂紋模型，并將其擴展到一定程度后等效為圓弧形裂紋，通過復變函數(shù)計算了其受圓形洞室影響下的應力強度因子，認為當其大

7、于圍巖斷裂韌度時分區(qū)破裂開始形成。
　　 ⑼基于能量平衡原理建立了分區(qū)破裂的形成判據(jù)：首先通過研究認為圍巖開挖卸荷釋放的應變能為圍巖破壞的能量來源，并計算了圍巖的可釋放應變能；然后通過極坐標系下滑移裂紋模型計算了環(huán)狀斷裂形成所耗散的能量。當圍巖可釋放應變能大于塑性區(qū)邊界環(huán)狀斷裂形成所耗散的能量時，分區(qū)破裂將會形成。
　　 ⑽將得到的分區(qū)破裂起裂判據(jù)程序化，將其嵌入擴展有限元平臺，初步經(jīng)過對高應力下深部巷道的模擬，得到了圍