深部软弱煤岩围岩变形及松动圈随时间演化规律研究.pdf

分 类 号TD821 密级公开 单位代码10878 学号20143301031 硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目深部软弱煤岩深部软弱煤岩围岩围岩变形及松动圈随时间变形及松动圈随时间演化演化 规律研究规律研究 学科门类学科门类工学硕士工学硕士 学科专业学科专业结构工程结构工程 研究方向研究方向地下结构理论计算与应用地下结构理论计算与应用 作者姓名作者姓名曹日跃曹日跃 导师姓名导师姓名吴德义吴德义 完成时间完成时间2017 年年 3 月月 万方数据 深部软弱煤深部软弱煤岩围岩岩围岩变形及松动圈随时间演化规律研究变形及松动圈随时间演化规律研究 Deep Soft Coal and Rock Roadway Deation Law of Creep and Numerical Simulation 学科门类学科门类工学硕士工学硕士 学科专业学科专业结构工程结构工程 研究方向研究方向地下结构计算理论与应用地下结构计算理论与应用 作者姓名作者姓名曹日跃曹日跃 导师姓名导师姓名吴德义吴德义 完成时间完成时间2017 年年 3 月月 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 安徽建筑大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合安徽建筑大学硕士学 位论文质量要求。 答辩委员会签名 主席 委员 导师 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 独独 创创 性性 声声 明明 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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 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 安徽建筑大学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 签字日期2017 年 5 月 20 日 导师签名签字日期 2017 年 5月 20 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 安徽建筑大学 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 建筑大学 。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。本人授权安徽建筑大学可以将学 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） 学位论文作者签名签字日期2017 年 5 月 20 日 导师签名签字日期 2017 年 5 月 20 日 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 I 摘摘要要 随着煤矿开采规模的增大，全国大部分矿区开采深度均超过 800m，而深部巷道 70布置在软弱煤层中。与一般软岩巷道不同，由于埋置深、两帮煤体软弱松散破碎 以及构造应力存在使帮部煤岩呈现大变形及强流变性，深部开采带来的难度及问题， 已是我国煤炭行业不得不面对的问题，研究表明深部岩石具有持续的强流变特性， 表现为变形量大、持续时间长，即具有明显的时间效应。因此采用科学的研究方法对 深部软弱煤岩的蠕变特性及其变化规律开展研究， 对解决实际工程中与蠕变相关问题 具有理论和工程双重价值。 本文在综合分析国内外岩石蠕变试验及蠕变数值模拟的基础上， 开展了以下研究 并得出一些结论 （1） 采用 SD-20 岩石蠕变仪对煤岩进行单轴分级加卸载蠕变压缩试验， 并通过非 线性拟合获取煤岩的蠕变参数。 通过对煤岩单轴压缩蠕变试验曲线的分析， 可以看到 在较低应力水平下，煤岩试件蠕变由初始蠕变阶段很快进入稳定蠕变阶段，当应力水 平超过其屈服极限时， 蠕变进入等速蠕变阶段， 随着时间的增加， 位移变形逐渐增大， 若应变值超过其极限应变值时，试件将发生破坏。 （2）采用有限差分软件 FLAC3D 选择摩尔-库伦扩展模型的 CVISC 蠕变模型模 拟了不同条件下（不同应力、不同岩性、不同断面尺寸）深部软弱煤岩巷道表面蠕变 变化规律。模拟结果表明随着应力水平的提高，巷道顶板、底板及帮部的位移量逐 渐增大，埋深较深的巷道表面垂直应力在一定时间内逐渐增大，增长速度先增大再减 小， 岩性越差的工况下， 其变形量越大。 蠕变变形是深部高应力巷道破坏的主要形式。 （3）在巷道帮部水平某一方向上布置监测点，以位移梯度作为判断围岩蠕变阶段 变化规律。研究结果表明不同应力水平、不同断面尺寸、不同岩性条件下，巷道帮 部水平方向围岩的位移梯度与松动圈大小是一一对应的，对于高应力、大断面及岩性 差的巷道围岩达到蠕变稳定所需的时间较长， 在不同的蠕变时间， 当位移梯度为 0.002 时，此时巷道围岩的位移变化是处于等速蠕变阶段，通过位移梯度可以反映出巷道松 动圈大小，当松动圈大小增加速度小于 0.003m/d 时，可以判别巷道松动圈发展基本 处于稳定阶段。 图[51]表[4]参[49] 关键字深部开采、单轴压缩蠕变试验、蠕变数值模拟、位移梯度 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 II Abstract With the increase of coal mining scale, most of the country of mining depth of more than 800m, while 70 is disposed of deep roadway in soft coal seam. Soft rock roadway and general different, because buried deep, soft coal with the help of two broken loose and the presence of tectonic stress with the help of the Ministry of coal and rock deation and render large strong rheology, difficulty and problems caused by deep mining, is Chinas coal industry have to face the problem, studies show deep rock has sustained strong rheological properties, the perance of large deation, long duration, which has a significant time effect. Therefore, the use of scientific research s on the creep characteristics and variation of deep soft rock of coal research, to solve theoretical and practical engineering project and double the value of the creep-related issues. Based on a comprehensive analysis of domestic and foreign rock creep testing machine and creep numerical simulation, carried out the following studies and draw some conclusions （1） using the SD-20 instrument for rock creep grade coal and rock uniaxial loading and unloading creep compression test, and obtain creep parameters of coal by nonlinear fitting. Through the analysis of coal and rock uniaxial compression creep test curve, you can see at lower stress levels, coal and rock specimens transition from the initial stage and quickly into stable creep stage, when the stress level exceeds its yield the limit, the rock comes into the constant creep stage, the strain increases with time going by, if the strain value exceeds its limit strain value, the specimen will damage; sectional shape of the roadway has the greater inpact on roadway displacement, the displacement of rectangular roadway largest, followed by a curved wall and circular roadway minimum； （2）Using the finite difference software FLAC3D select Moore - CVISC creep model of Coulomb expansion model simulation under different conditions different stresses, different lithologies deep creep weak variation of coal and rock roadway surface. The simulation results show that with the increase of stress levels, displacement of roadway roof, floor and help section is gradually increased depth deeper roadway surface vertical stress increases within a certain time, the growth rate first increases and then decreases lithology worse the conditions, the greater the amount of deation. Creep deation is the main of deep tunnels with high stress damage； 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 III （3）The monitoring points are arranged in a certain direction of the roadway gangs, and the displacement gradient is used to judge the variation rule of the creep stage. The results show that the displacement gradient of the horizontal strata in the horizontal direction of the roadway is different from that of the loosening circle, and the relationship between the high stress, the large section and the lithology of the roadway with different stress level, different section size and different lithology conditions The time required for the rock to reach the creep stability is longer. At different creep times, when the displacement gradient is 0.002, the displacement of the surrounding rock is in the constant creep stage, and when the stabilization phase is greater than the displacement gradient Can be used to determine the roadway into the accelerated creep stage, through the displacement gradient can reflect the size of the roadway loosening circle, when the loosening circle size increases in the rate of 0.003m / d, you can determine the development of roadway loosening basically in a stable stage. Figure[51]table[4]reference[49] Keyword deep mining、uniaxial compression creep test、numerical simulation of creep、 displacement rate 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 IV 目录目录 摘要.................................................................................................................................I Abstract..........................................................................................................................II 目录...............................................................................................................................IV Contents.......................................................................................................................VII 插图清单.................................................................................................................... VIII 插表清单........................................................................................................................x 第一章 绪论..................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义..............................................................................................1 1.2 研究现状与发展..............................................................................................2 1.2.1 岩石蠕变研究现状................................................................................2 1.2.2 岩石蠕变力学模型研究现状................................................................4 1.2.3 围岩蠕变发展方向................................................................................5 1.3 研究内容..........................................................................................................5 1.4 技术路线图......................................................................................................6 第二章 岩石蠕变的理论基础......................................................................................7 2.1 岩石蠕变概述..................................................................................................7 2.1.1 岩石蠕变的定义....................................................................................7 2.1.2 岩石蠕变影响因素及蠕变曲线............................................................8 2.2 岩石蠕变机理................................................................................................10 2.3 岩石蠕变模型................................................................................................11 2.3.1 蠕变基本模型.......................................................................................11 2.4 本章小结........................................................................................................17 第三章 深部煤岩物理力学参数测定与蠕变特性试验............................................18 3.1 煤岩物理力学参数测定.................................................................................18 3.1.1 煤岩弹性模量、泊松比测定..............................................................19 3.1.2 煤岩真密度测定 ................................................................................20 3.2 蠕变实验.........................................................................................................21 3.2.1 蠕变试验设备......................................................................................21 3.2.2 蠕变试验方法与步骤..........................................................................21 3.2.3 蠕变试验数据处理方法......................................................................22 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 V 3.2.4 煤岩蠕变参数确定..............................................................................23 3.3 本章小结........................................................................................................24 第四章 深部软弱煤岩巷道蠕变数值模拟................................................................25 4.1 FLAC3D 软件简介........................................................................................... 25 4.1.1 FLAC3D 计算基本原理.......................................................................25 4.1.2 FLAC3D 内置模型...............................................................................27 4.2 数值模型建立................................................................................................28 4.3 数值分析计算与数据处理............................................................................29 4.3.1 不同应力下巷道表面位移蠕变-时间曲线........................................ 29 4.3.2 不同应力下巷道围岩应力分布时间曲线......................................35 4.3.3 不同断面尺寸巷道表面位移时间曲线..........................................37 4.3.4 不同岩性下巷道表面位移时间曲线..............................................42 4.4 本章小结........................................................................................................46 第五章 深部软弱煤岩巷道松动圈分布随时间演化模拟分析................................48 5.1 松动圈理论....................................................................................................48 5.1.1 围岩松动圈形成原因及物理状态......................................................48 5.1.2 围岩松动圈的性质..............................................................................49 5.2 数值计算模型的建立与监测点布置............................................................50 5.3 不同应力条件下巷道围岩位移梯度及松动圈变化分析............................51 5.3.1 应力 P14MPa 时，位移梯度及松动圈范围在不同蠕变时间下的变化分 析....................................................................................................................51 5.3.2 应力 P16MPa 时，位移梯度及松动圈范围在不同蠕变时间下的变化分 析....................................................................................................................52 5.3.3 应力 P20MPa 时，位移梯度及松动圈范围在不同蠕变时间下的变化分 析....................................................................................................................54 5.4 不同断面尺寸条件下巷道围岩位移梯度及松动圈变化分析.....................56 5.4.1 断面尺寸为 5m3m 时， 位移梯度及松动圈范围在蠕变时间下的变化分 析....................................................................................................................56 5.4.2 断面尺寸为 6m5m 时， 位移梯度及松动圈范围在蠕变时间下的变化分 析....................................................................................................................58 5.5 不同岩性条件下巷道围岩位移梯度及松动圈变化分析.............................60 5.5.1 围岩黏聚力为 0.8MPa 时，位移梯度及松动圈范围在蠕变时间下的变化 分析................................................................................................................60 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 VI 5.5.2 围岩黏聚力为 1.0MPa 时，位移梯度及松动圈范围在蠕变时间下的变化 分析................................................................................................................61 5.6 本章小结.........................................................................................................63 第六章 结论与展望....................................................................................................64 6.1 结论................................................................................................................64 6.2 展望................................................................................................................65 参考文献........................................................................................................................67 致谢...............................................................................................................................70 作者简介及读研期间主要科研成果..........................................................................71 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 VII Contents Abstract...........................................................................................................................I Contents........................................................................................................................IV Illustration list.............................................................................................................VII Insert list........................................................................................................................X Chapter1Introduction ................................................................................................1 Chapter2Research of rock creep theory.....................................................................7 Chapter3 Deep coal and rock mechanics parameters measurement and creep properties test .......................................................................................................................18 Chapter4Numerical simulation of deep soft coal and rock roadway creep..............25 Chapter5 Simulation analysis of deep soft coal and rock roadway loose circle distributed with time evolution.......................................................................................49 Chapter6Conclusion and Prospect............................................................................65 Reference......................................................................................................................67 Thank............................................................................................................................70 About the Author and the main research during graduate school................................71 万方数据 安徽建筑大学硕士学位论文 VIII 插图清单插图清单 图 1- 1 技术路线图................................................................................................ 6 图 2- 1 岩石蠕变曲线............................................................................................ 7 图 2- 2 不同颗粒直径岩石蠕变曲线..........................................