深部大变形巷道塑性区围岩承载能力非线性演化规律研究

Broken rock in plastic zone of deep roadway is a direct source of roadway deformation to instability, the strength weakening degree of the rock mass and its carrying capacity determines roadway stability. Taking the coal mines of Hunan Zhouyuanshan, Guizhou Panjiang, Henan Pingdingshan, Hebei Kailan and other districts which have large deformation roadways in deep as engineering background, focusing on the following: (1) Under a multi-factor, multi-field coupling conditions, the carrying capacity decay laws of deep roadway surrounding rock in different stages of plastic zone formation, expansion and instability; (2) Bearing structure formation conditions and mechanism of plastic zone broken rock in different shapes roadway; (3) Carrying capacity strengthening degree by different supporting components and its internal mechanism of the plastic zone broken rock; (4) The correlation of dynamic evolution laws of surrounding rock plastic zone and its bearing capacity nonlinear evolution in large deformation roadway. Laws of nonlinear of plastic zone and surrounding rock carrying capacity of large deformation roadway in deep revealed by this research project provide a reliable theoretical basis for roadway instability prediction, surrounding timing choose and intensity of support design.

深部巷道围岩塑性区岩体碎裂是巷道变形失稳的直接来源，碎裂岩体强度的弱化程度及其承载能力的大小决定了深部巷道的稳定程度。本项目以湖南周源山、贵州盘江、河南平煤、河北开滦等深部大变形巷道为工程背景，重点研究以下内容：（1）在多因素耦合作用下，深部巷道围岩塑性区的形成、扩展和巷道失稳各阶段其承载能力的衰减变化规律；（2）不同断面形状的巷道围岩塑性区范围内破碎岩体承载能力的形成条件及其力学机制；（3）不同支护构件对提高深部大变形巷道塑性区破碎围岩承载能力的内在力学机理；（4）深部大变形巷道围岩塑性区动态演化规律与破碎围岩承载能力非线性演化的相关性。通过本项目研究揭示的深部大变形巷道塑性区破碎围岩承载能力的非线性时空演化规律，可为深部大变形巷道的失稳预测、支护时机、支护方式及支护参数的选择提供可靠的理论依据。

长期以来，深部巷道围岩大变形已经成为井下煤炭开采过程中最严重的地质灾害问题之一。因此，在控制深部巷道围岩大变形方面积累了许多有意义的经验，并且在工程实践中取得了长足的发展与实践。但是，由于我国地质条件比较复杂，深部巷道围岩大变形灾害层出不穷，对深部资源的顺利开采极为不利，因而，深部巷道围岩围岩大变形极大地阻碍了地下工程工作的顺利开展，寻求控制深井巷道大变形新理论、新方法、新思路是巷道大变形研究人员的共同目标。因此，本项目基于深井巷道大变形实际情况，综合运用现场调研、实验室试验、理论分析和数值计算等手段，针对深部大变形巷道塑性区围岩承载能力非线性演化规律进行研究。研究的主要内容包括：深部巷道应力场及塑性区的动态变化规律、深部破碎围岩承载能力的时空演化规律以及深部巷道支护-围岩共同体承载能力及控制机理等三个方面。.针对深井巷道围岩表现出大范围塑性变形和具有强流变变形特性。分析了不同断面形状巷道周边的局部应力场演化规律，揭示了深井巷道塑性区轴比扩展与大变形失稳之间的关系。通过数值模拟回采巷道开挖和回采过程发现：较高的支承压力和“卸载-加载”的循环作用是造成深井动压巷道围岩弱化的主要原因之一。根据深井巷道开挖，围岩卸荷损伤弱化特点，研究了砂岩在不同加载速率、不同围压以及三轴加载-卸荷-再加载条件下的损伤弱化规律。提出了基于应变能密度的损伤指标和围岩强度弱化计算方法。通过裂隙岩体的锚固试验研究，提出了主控裂纹的概念。锚杆的锚固作用在于有效限制主控裂纹的形成，改变主控裂纹扩展路径以及遏制主控裂纹的快速贯通。水泥浆体的黏结-约束作用是破碎岩体胶结再生的主要机制。在残余二次承载阶段，核心岩柱内弱胶结破碎岩块之间的挤压摩擦作用是二次承载的主要机制。针对锚杆支护煤巷顶板事故经常发生的实际情况，构建了顶板稳定性预测神经网络结构，实现了锚杆支护煤巷顶板稳定性的定量预测。为了便于现场应用，在已建立的BP神经网络预测模型的基础上，开发了煤巷顶板稳定性分类软件识别系统，利用开发的软件系统对矿区分矿井、分煤层、分区域进行了煤巷顶板稳定性分类，根据识别结果，运用surfer软件绘制各矿井开采煤层巷道顶板稳定性等值线图。对于进一步丰富和发展深部巷道围岩控制理论和技术具有重要的现实意义。