深部高应力软岩巷道破裂围岩流变特性及稳定性研究

A range of broken rock zone always appears in surrounding rockmass around the deep softrock roadways with high-stress level. The rheological behavior exists not only in the intact surrounding rock but also in the broken surrounding rocks for the deep softrock roadway. Presently, the research on regularities of both evolution of broken rock zone and rheological behavior of broken surrounding rocks is inadequate. The important factor of an increment in confining pressure is not considered in post-failure creep experiments. An improved test method will be used to study the post-failure creep behaviors. The rock post-failure creep constitutive model is set up. Secondary development and application of this model is carried out with FLAC3D, and the numerical simulations and analysis are conducted with this model. At the same time, the rheological law of the broken surrounding rocks of deep roadways will be studied with combined means of field tests, theoretical analysis, numerical simulations and equivalent material simulations. The regularities of both evolution of broken rock zone and rheological behavior of broken surrounding rocks will be gotten. The influences of the supporting type, supporting strength and supporting time on the broken surrounding rocks stability will be found. The approaches of controlling the broken surrounding rocks stability are suggested.

深部高应力软岩巷道围岩中通常存在一定范围的破裂区，巷道围岩的流变不仅表现为尚未破坏的完整围岩的流变，而且表现为已经破坏的破裂围岩的流变。目前，对破裂区随时间演化规律及破裂围岩流变规律的研究还较少，在峰后蠕变试验中未考虑围压增量这一重要因素。本项目将在改进现有软岩峰后蠕变试验方法的基础上，系统地研究软岩峰后蠕变规律，以对破裂岩石的蠕变特性有比较全面的把握，并建立软岩峰后蠕变本构模型，应用FLAC3D数值模拟软件二次开发平台，开发相应的计算模块，实现软岩峰后蠕变本构模型的数值解算，进行破裂围岩流变数值模拟的探索；同时，采用现场实测、理论分析、数值模拟和相似材料模拟相结合的手段研究破裂围岩流变，获得破裂区随时间演化规律及破裂围岩流变规律，揭示支护方式、支护强度、支护时间等因素对破裂围岩稳定性的影响，提出破裂围岩稳定性控制途径。

深部高应力软岩巷道围岩塑性区、破裂区范围大，长期流变导致支护非常困难。本项目采用实验室试验、理论分析、数值模拟与现场测试相结合的手段，从破裂岩石流变特性、破裂围岩稳定性分析及围岩稳定性控制三个维度对深部高应力软岩巷道围岩稳定性问题进行了深入研究：. （1）开展了岩石峰后三轴蠕变试验，得到了岩石峰后蠕变特性、相关规律和蠕变机制。峰后蠕变一般由等速蠕变和加速蠕变两个阶段组成，径向蠕变特征相比轴向蠕变特征更显著；应力水平、损伤程度与峰后蠕变速率正相关；初始围压与峰后蠕变速率负相关；围压增量对峰后蠕变有显著的影响，能够降低蠕变速率，延长蠕变失稳时间，促使峰后蠕变由非稳定蠕变向稳定蠕变转化。岩石的峰后蠕变是岩石进入峰后破裂状态后再破坏的过程，存在X状剪切破坏、主剪切面破坏两种形式。采用改进的西原体力学模型描述岩石峰后蠕变规律，各级应力水平下模型曲线与试验曲线拟合较好。. （2）开展了数值模拟计算，分析了支护强度、支护方式对围岩稳定性的影响。支护强度的提高能够减少围岩的强度软化和流变损失；综合性的支护方式有利于保护围岩强度和控制流变行为。. （3）提出了深部高应力软岩巷道破裂围岩稳定条件，通过现场实测数据的分析得出了支护结构促使破裂围岩稳定的挤压作用机理。提出了深部高应力软岩巷道围岩稳定性控制途径和支护原则。途径包括减小巷道围岩应力、控制破裂区的扩展和促使破裂区围岩稳定；控制破裂区扩展的原则是“及时支护，高阻让压”；促使破裂区围岩稳定的原则是“高强度、高刚度支护”。. （4）提出了软弱破碎围岩高预紧力锚固的力学模型及流变力学原理，认为高预紧力是控制破裂围岩流变失稳的关键；研发了锚杆预紧技术及装置，通过理论分析、室内试验和现场实测验证了该技术及装置的效果，并在工程实践中取得了成功。. 获得的理论及技术成果对于深部高应力软岩巷道围岩控制有一定的理论和实际意义。