深部巷道破裂围岩锚固机理与强度演化特征

Based on the universal phenomena of rock failure of deep underground tunnels and guided by the nonlinear theory of non-equilibrium, the bolting mechanism and strength evolution of broken surrounding rocks are to be investigated with three dimensional large-scale bolted rock mass and the emerging method of transparent model test. The mechanical behaviors of rock bolts are in situ tested with optical fibers and the changing law of strength parameters of bolted rock mass is measured with rock borehole shear tester (RBST). The forming conditions of compressive arch in bolted rock mass are analyzed and the evolution law of stress and displacement fields of the bolted rock mass is obtained. On the other hand, the transparent soil test method is introduced into rock tunnel tests to visually measure the internal deformation of rock mass. Furthermore, the three dimensional large-scale tests on bolted rock mass are made to reveal the mechanism of interaction between bolts and broken rocks, and to obtain the strength property and thickness of compressive arch in the bolted rock mass. Finally, the safety criteria and key control techniques of rock stability of high-stress tunnels are set up to provide theoretical basis for the development of effective bolting support.

本项目以千米埋深高应力巷道锚固围岩破坏失稳为背景，以远离平衡态非线性理论为指导，采用三维大比尺锚固体与透明岩体模拟试验的新方法，紧紧围绕深部巷道围岩变形破裂演化与锚杆支护相互作用机理这一关键科学问题开展研究。通过现场采用原位光纤实时监测巷道围岩的锚杆力学性能，以及原位钻孔剪切强度仪持续实测围岩锚固岩体强度参数的变化规律，获得其锚固体应力场与位移场的演化规律，分析巷道锚固支护组合拱厚度的形成条件和规律；进而，借鉴透明土的实验方法，研究建立透明岩体试验新技术，解决目前岩体内部变形与破裂无法直接观测的难题，并结合多组三维大比尺锚固体试验揭示锚杆支护与破裂岩体相互作用力学行为的内在机理，获得锚固体组合拱支护结构厚度与强度演化的特征，提出建立高应力下巷道围岩稳定的安全判据与关键控制技术，为巷道合理锚固支护结构的研发提供理论基础。

本项目以深部巷道锚固围岩破坏失稳为背景，以远离平衡态非线性理论为指导，采用原位监测、物理模型试验、室内岩样试验、理论分析等相结合的方法，紧紧围绕深部巷道围岩锚固机理与强度演化这一关键科学问题开展研究。通过现场原位实测获得了巷道围岩破裂演化及不同锚固支护条件下强度参数(黏聚力和内摩擦角)的变化规律，探讨了巷道围岩锚固支护体的强度演化特征；在此基础上，模拟现场岩体结构，研究建立了透明岩体试验新技术，并结合多组锚固体试验揭示锚杆支护与围岩相互作用力学行为的内在机理，开展了不同结构的围岩锚固模型试验，研究了不同预紧力、长度、间排矩等锚杆支护参数对锚固结构强度的敏感性因素变化规律以及加锚前后应力分布、变形破坏机制与模式；获得了锚固体应力场与位移场的演化规律，分析了巷道围岩组合拱厚度的形成条件与规律。基于现场工程条件及试验获得的巷道围岩锚固支护强度准则，分别对FLAC与UDEC两种数值分析软件进行了二次开发，研究了不同锚杆支护参数对围岩锚固承载结构的影响规律，提出了巷道锚固体强度的失稳判据及其结构补偿原理和方法，形成了巷道围岩稳定控制的技术体系，并在平煤矿区与大同矿区等得到推广应用，取得了良好的社会效益与经济效益。.课题组历经4年的研究，圆满完成了计划任务书规定的研究工作，达到了预期研究目标，取得了以下学术成果：在国内外主流期刊上发表学术论文32篇，出版专著3部；培养博士研究生7名、硕士研究生15名、出站博士后3名；获得授权发明专利7项；参加国内国际学术会议14人次；先后获得国家科技进步二等奖1项、河南省科技进步二等奖1项、山西省科技进步二等奖1项。