朱集煤矿巷道围岩流变性状及本构模型研究

朱集煤矿巷道围岩流变性状及本构模型研究煤矿巷道工程的长期稳定和安全与围岩的流变特性密切相关,深部围岩的流变力学特性的研究及其本构方程的建立是深部岩石力学研究中的重要课题。当前,流变力学相关研究工作进展迅速,在试验和理论方面均取得了一定的成就。但是岩石的流变力学理论至今还不是特别成熟,诸如重大大坝、隧道、煤矿等岩土工程的开展使岩石流变力学理论的研究面临新的问题,而岩石流变特性和流变本构模型等相关研究仍为难点问题与热点问题。朱集煤矿1112(1)运输顺槽顶板高抽巷千米深井围岩的流变现象突出,在巷道开挖和运行当中不断出现了顶沉、底臌现象,严重制约了矿井的安全生产和经济效益。有鉴于此,本文综合采用试验研究、理论分析和数值试验模拟分析等研究方法,对淮南矿业集团朱集煤矿千米深井巷道围岩的流变力学特性和本构方程的构建进行了分析研究,利用TAW-2000岩石三轴压力试验机对泥岩、粉砂岩和细砂岩等围岩岩样进行了常规单轴和三轴压缩试验,研究其基本力学性质、变形特点和破坏形式,分析围压对力学参数和变形的影响规律;在此基础上,采用TAW-2000M岩石多功能试验机开展了围岩岩样单轴压缩流变试验研究以及高围压条件下的三轴压缩流变试验研究,探讨了围岩岩样在不同应力状态和应力水平下的流变力学特性、变形规律和破坏形式;基于试验结果的分析研究,建立了能够模拟岩石三阶段蠕变特性的六元件非线性组合模型,推导了该模型的本构方程,利用蠕变方程拟合了试验曲线并获得了围岩岩样流变模型的力学参数;利用FLAC3D有限差分软件对巷道围岩的长期稳定性进行数值模拟,预测巷道的长期稳定性。论文的主要研究内容和成果如下:1.为了确定岩石的基本力学性质和梯级加载流变试验的应力水平以及分析与时间相关的岩石流变力学特性,有必要对岩石进行常规单轴压缩试验和不同围压的三轴压缩试验。通过围岩常规力学特性和荷载长期作用下的流变力学特性的对比研究,可以获得更多的岩石流变特性的影响因素及其规律性。采用TAW-2000微机控制电液伺服岩石三轴压力试验机对完整性良好、声波相近的岩样进行常规单轴压缩试验和常规三轴压缩试验研究,探讨不同岩性的围岩岩样的强度和变形特性以及破坏形式,分析不同围压作用下岩石的力学特性、变形特性和破坏形式,研究围压对岩石瞬时强度、轴向和侧向变形、弹性模量和泊松比的影响规律。主要研究结论如下:(1)单轴压缩和三轴压缩条件下,三种围岩岩样的全应力-应变曲线均可划分为孔隙压密阶段、线弹性阶段、弹塑性阶段和破坏阶段等四个阶段。不同压缩条件下,围岩岩样的宏观破坏形态和破坏程度差异较大。单轴压缩时围岩岩样的破坏形式主要表现为整体的张拉破坏,并伴有一定程度的局部剪切破坏,宏观裂纹开展有限,岩样能够保持完整的形状。三轴压缩条件下,围岩岩样破坏形式比较复杂,破坏程度较单轴条件严重。(2)围岩岩样的峰值强度、峰值应变、弹性模量和围压基本为线性关系。在相同围压条件下,围岩中的泥岩峰值应力和弹性模量最小,粉砂岩次之,细砂岩最大;泥岩峰值轴向应变和峰值侧向应变最大,细砂岩变形最小,粉砂岩介于两者之间。有围压时,围岩岩样的泊松比明显提高,但和围压的关系不明确。2.岩石流变力学试验能够控制试验条件,便于长期观察,可多次重复,是了解岩石流变力学特性的最重要手段和构建岩石流变本构模型的重要基础。流变试验研究结果可为岩土流变本构模型的建立、岩土工程流变数值分析和岩体的稳定性评价提供依据。采用taw-2000m岩石多功能试验机,对围岩岩样开展不同应力水平下单轴和三轴压缩流变试验研究,获取了两种试验条件下不同应力水平的岩石蠕变曲线。基于试验结果,分析围岩岩样在不同受力条件下的流变特性及其变化规律,探讨了不同应力水平下的流变速率的变化趋势,掌握了朱集煤矿1112(1)运输顺槽顶板高抽巷围岩流变特性的基本规律。主要研究结论如下:(1)围岩岩样单轴和三轴压缩流变试验中,岩样的轴向变形和侧向变形由瞬时弹性变形和蠕变变形组成。当施加的应力水平较低时,轴向蠕变曲线和侧向蠕变曲线由衰减蠕变过渡为稳态蠕变;当应力水平超过屈服阀值时,蠕变曲线由衰减蠕变进入等速蠕变阶段以及加速蠕变阶段。围岩岩样在单轴和三轴压缩流变条件下,各级荷载下的弹性模量波动较小,有一定增大趋势。有围压时各围岩岩样的变形模量平均值均比无围压时的数值显著增加。(2)单轴和三轴压缩流变条件下,围岩岩样的轴向和侧向由蠕变而产生的变形在总体变形中所占比例随荷载水平的提高而呈现增大趋势。单轴流变压缩条件下,围岩岩样的轴向变形均以加载期间瞬时变形为主,流变性质不明显;侧向变形均以蠕变变形为主,流变性质明显。三轴流变压缩条件下,岩石的轴向和侧向蠕变性质均较单轴条件下显著。(3)围岩岩样单轴和三轴压缩流变的轴向和侧向蠕变速率曲线在低应力水平时有衰减阶段和稳态阶段,稳态蠕变速率有随应力水平提高而增大的趋势;当应力水平高于屈服阈值时,蠕变速率曲线在衰减阶段和稳态阶段后可出现加速阶段,此时的稳态蠕变速率一般比低应力水平下的蠕变速率提高一个数量级。(4)单轴和三轴压缩流变条件下的应力-应变曲线可以划分为裂隙压密阶段、弹性变形阶段、裂隙扩展阶段、宏观破裂四个阶段。在单轴应力状态下,围岩岩样在破坏时均表现为明显的体积扩容或有显著地体积扩容趋势。在高围压状态下,泥岩、粉砂岩和细砂岩的侧向应变增加明显,体积扩容现象更加突出。在围压和流变特性的共同作用下,岩样开裂更彻底,破坏更严重。围岩岩样在单轴常规压缩破坏后完整,在三轴常规压缩破坏后形状较完整,在单轴流变压缩破坏后基本完整,在三轴流变压缩破坏后不能保持完整的形状。3.岩石流变本构模型的建立是岩石流变理论研究中的重要组成部分,岩石流变模型理论一直是是岩石流变力学研究中的热点和难点问题之一。一些重大的、服务年限较长的岩土工程建设均需了解岩石的流变特性,建立合理的流变模型理论,以保证工程的顺利进行和长期的稳定性和安全性。基于围岩岩样的三轴压缩流变试验结果,将非线性黏塑性模型与线性流变模型串联建立了非线性黏弹塑性流变模型,并采用新的非线性流变模型对岩样的蠕变曲线进行了拟合和参数辨识。主要研究结论如下:(1)采用线性粘弹性流变模型和线性黏弹塑性流变模型的蠕变方程对泥岩、粉砂岩、细砂岩的蠕变曲线进行了拟合和参数辨识。结果表明,当应力水平低于屈服应力时,两种线性流变模型的拟合效果良好;当应力水平高于屈服应力时,两种线性流变模型拟合效果均较不理想。(2)提出改进的和应力以及时间有关的指数函数形式的非线性粘塑性元件,将之与Burgers流变模型串联形成能够模拟岩石三阶段蠕变特性的六元件组合模型,并分别采用一维和三维形式的蠕变方程对蠕变曲线进行拟合,确定了一维和三维模型的力学参数,验证了模型的合理性。对新的六元件非线性黏弹塑性流变模型进行了研究,推导了其流变方程和松弛方程,并给出了松弛方程基于四阶龙格-库塔法的数值解和拟合函数。4.基于非线性模型参数辨识结果,采用FLAC3D有限差分软件进行数值模拟,将围岩岩样流变力学特性的试验和理论研究成果应用于朱集煤矿1112(1)运输顺槽顶板高抽巷工程实践中,预测了复杂应力状态下岩石工程的长期稳定性。论文主要创新点:(1)通过常规单轴压缩和三轴压缩试验,获得了千米深井巷道围岩的强度、变形、弹性模量、泊松比、粘聚力和内摩擦角等基本力学参数,分析了压缩条件和围压对围岩岩样的峰值强度、峰值应变、弹性模量和泊松比的影响规律。(2)通过单轴和三轴流变特性试验,获得了千米深井巷道围岩岩样不同流变