煤矿深部巷道围岩扩容碎胀破裂过程演化机理及分析方法

Combining with field and lab test, theoretical analysis and numerical simulation, the research focuses on the failure evolution and dilatancy-bulking character analysis methods of surrounding rock in deep roadways from the essence of rock mass deformation and failure evolution. Through field geological investigation, a semi-random distinct model which can reflect the structural characteristics of cracked rock mass is established firstly. Then a mechanical model reflecting mechanism of dilatancy- bulking character of rock is put forward based on experiments and theoretical analysis. Lastly，a systematic analysis method which can simulate rock dilatancy-bulking progressive failure leading to collapse from continuous state to discontinuous state is developed based on the UDEC platform, and it is applied to analyze the stability of deep roadways. The research results provide theoretical basis for the design of roadway support and to predicting and preventing the instability of surrounding rock in deep roadway.

本项目围绕煤矿深部巷道围岩扩容碎胀"破裂演化过程"及其"分析预测"两个关键问题，从变形和破裂过程这个涉及岩体失稳的本质出发，采用现场调查、室内试验、理论分析和数值仿真相结合的研究方法，开展系统的理论和方法研究。首先依托现场工程地质调查，研究构建表征深部巷道裂隙岩体结构特征的半随机离散结构模型，其次通过试验及理论分析提出描述岩石损伤扩容和破裂碎胀演化机理的力学模型。在此基础上，以离散单元软件UDEC为计算平台，将上述模型编制相应程序嵌入其中，形成一套系统的模拟围岩扩容碎胀破裂演化过程的分析方法，并通过模拟分析从深层次上探讨围岩扩容碎胀破裂演化过程对煤矿深部巷道工程稳定性的影响。相关研究成果为煤矿深部软岩工程破坏失稳预测及稳定性设计分析提供有效手段。

由于存在着高赋存地应力和围岩体低强度之间的突出矛盾，煤矿深部巷道开挖后造成的应力集中和应力重分布将导致很大范围内的岩体破坏失稳进入峰后破裂状态。为控制巷道变形和围岩稳定而施作的支护结构，必然和围岩的扩容碎胀行为发生相互作用。本项目围绕煤矿深部巷道围岩扩容碎胀“破裂演化过程”及其“分析预测”两个关键问题，通过现场调查、室内试验、理论分析和数值等手段，对涉及深部巷道围岩扩容碎胀的相关问题展开研究，取得了一定成果，具体如下：.1）依托煤矿深部典型巷道，研究了典型深部巷道岩体结构特征，提出表征深部裂隙岩体结构特征的半随机离散块体模型。.2）选取煤矿深部巷道典型代表性岩样，开展了三轴压缩试验及峰前卸围压试验，分析了岩石损伤扩容-破裂碎胀演化机理。同时，研究全应力–应变曲线各特征应力值随围压变化的演化特征，提出岩石进入峰前损伤扩容与峰后破裂碎胀阶段的临界条件准则，并考虑扩容碎胀破裂演化过程中岩样力学性质劣化规律，建立了描述卸荷条件下岩石损伤扩容和破裂碎胀演化机制的本构模型，采用VC++编程语言将该模型嵌入到UDEC软件中，实现其非线性数值计算功能。同时，通过室内岩石试验曲线的模拟拟合，验证该模型在描述岩石扩容碎胀特性方面的合理性。.3）基于经典的弹塑性理论，以块体接触界面抗拉、抗剪屈服函数为屈服准则，且考虑块体接触界面屈服破坏后粘聚力、抗拉强度的渐近软化，建立了考虑块体胶结界面粘结、开裂失判据的弹塑性本构模型，并推导了上述本构模型的增量迭代格式，进而采用VC++语言编制了相应的自定义本构模型，将其嵌入到离散元软件UDEC中。.4)以顾北煤矿南翼回风大巷为依托工程，在前述对岩石变形破坏机理认识以及提出的岩石扩容－碎胀渐近本构模型、块体胶结界面弹塑性本构模型以及Voronoi离散块体模型基础上，研究巷道围岩开挖破坏过程中内部的应力及变形情况，获得深部巷道围岩破裂演化规律，为寻求合理的支护方案提供依据。