煤矿深部巷道围岩破裂碎胀大变形机理及数值流形方法

The surrounding rock will appear fracture network propagation and collapse under triaxial high geostress in deep roadway. Combining with laboratory tests, theoretical and numerical analysis, this project focuses on “mechanical mechanism” and “numerical manifold method” of large deformation for dilatency-fragmentation of fractured rock mass. The fractures coalescence types, dilatency-fragmentation mechanism and influence factors of strength will be studied through laboratory tests firstly. Based on the theoretical analysis, the constitutive equations describing dilatency-fragmentation mechanism and critical criterion will be established. Then, the existing NMM platform will be developed based on the numerical manifold representation for constitutive equations, critical criterion and numerical manifold algorithms from continuous to dis-continuous, respectively. The NMM for fracture propagation, coalescence and block large movement of surrounding rock under high geostress will be proposed, lastly. The results of this research are deemed to be significant in forecasting the fracture network propagated and large deformation range in advance so as to support reasonably.

本项目以煤矿深部岩石巷道围岩在高应力作用下破裂碎胀大变形失稳现象为背景，采用室内试验、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，围绕高应力条件下巷道围岩破裂碎胀大变形的“作用机制”与“数值流形分析方法”两大关键科学问题，采用试验研究从深层次上揭示高应力作用下岩体破裂碎胀机制以及强度影响因素；通过理论分析建立反映破裂碎胀机制的本构方程与临界准则，为实现深部巷道裂隙围岩高应力作用下扩展演化过程分析奠定基础。在此基础上，通过理论推导本构方程与临界准则的数值流形表征，并研究裂隙起裂、扩展、贯通以及块体大变形运动模拟的数值流形算法，对现有的数值流形平台进行发展完善，最终建立深部巷道围岩破裂碎胀大变形数值流形分析方法。该项研究对深部巷道围岩破裂碎胀变形失稳范围及过程的分析和预测，以及工程稳定性设计、安全性评价及支护参数优化具有重要的指导意义。

进入深部煤炭开采后，岩石巷道围岩承受的高应力与其自身低强度之间的矛盾十分突出。这种突出矛盾导致巷道开挖后极易出现岩体破裂碎胀大变形灾害。煤矿深部巷道围岩破裂碎胀大变形灾害控制的关键在于获取其孕育发展机理并能有效地对其进行分析预测。本项目针对这一问题，主要开展了以下两方面的研究工作：首先，通过单轴压缩和双轴压缩条件下的岩体破裂试验，并结合声发射连续实时监测，通过分析裂隙网络的扩展轨迹、破裂过程中声发射特征与岩石破裂本身的关系，揭示出岩石破裂过程及裂隙网络扩展机理；在此基础上，通过理论分析建立了反映微裂隙萌生及裂隙网络对材料劣化的损伤本构方程，并基于试验结果提出了能够描述裂隙倾角、破碎程度及侧向压力对裂隙岩体强度造成综合影响的强度准则。另一方面，提出了模拟裂隙扩展的流形覆盖系统全自动生成算法、数值流形接触检索改进算法、数值流形接触力学模型修正算法，建立了以裂尖单元捕捉、破裂单元筛选、裂隙生成显示和新生裂隙调整为主要支撑的裂隙扩展自动控制数值流形算法平台。基于理论研究与算法分析，推导了基于修正N-R方法的平面条件下损伤本构方程数值流形求解的矩阵形式、增量求解方法以及经验强度准则数值流形方法嵌入算法步骤及计算流程，实现了岩体裂隙网络从加载到失稳全过程模拟。最后针对相关工程算例开展模拟研究，对巷道开挖过程中围岩破裂路径及失稳灾变过程进行了有效预测分析。