深井软岩巷道围岩时效损伤机理与支护响应特征研究

The continuous damage and failure of deep soft rock roadway is one of the main problems in the eastern coal mine in China. The design of the support for the deep roadway relies on the experiences from the shallow roadways and cannot control the deformation of the surrounding rock mass. In order to provide theory basis for deep soft rock roadway supporting, research on the time related damage evolution and response characters of support structure should be carried out. Firstly, the damage controlled creep and damage coupling experiments will be performed to investigate the relation between the creep and damage of rock. Based on the experiments, a new creep-damaged coupled constitutive model for rock will be proposed. Then, the borehole elastic modulus instrument will be modified, and the elastic parameter of the rock mass will be tested in the roadway to investigate the evolution of damage in the surrounding rock mass. For comparison, the crack distribution will be explored using borehole acoustic and imaging system. At the same time, Using self-developed rock bolt non-destructive detecting instrument and strain gauges, the force changes of rock bolts, cables and U-shaped steel brackets will be measured. Then, the relation between damage evolution in the surrounding rock mass and reacting character of support structures will be analyzed. Finally, the transient and long-term stability of the roadway will be studied through numerical method and support schemes will be proposed according to the service life of the roadways.

深井软岩巷道持续损伤破坏是我国东部矿区巷道支护面临的主要问题之一，目前仍沿用浅部巷道支护方法，部分巷道经数次返修仍持续变形，威胁安全生产，亟需进行高应力下已损伤软岩的时效损伤和支护结构支护机理研究，为巷道支护设计提供理论支撑。首先，进行损伤状态可控的煤岩流变损伤耦合试验，揭示煤岩损伤与其流变相互作用规律，建立能反映煤岩流变损伤耦合特征的本构模型及数值分析方法；其次，改进钻孔弹模仪，对巷道围岩在开挖和开采扰动下的损伤演化进行现场测试，结合钻孔声波仪和钻孔成像系统对围岩内部裂隙发育情况的探测结果和理论模型分析结果，揭示围岩损伤时效演化机理；同时，利用自行研制的锚杆无损检测仪和应变传感器等检测锚杆(索)和U型钢支架等支护结构的受力变化，依此分析围岩损伤演化和不同支护结构响应特征的相互关系；最后，通过数值分析研究不同支护条件下深井软岩巷道开挖瞬时及长期稳定性，根据巷道服务年限提出支护方案和参数。

随着煤炭资源开采逐步向深部发展，所面临的地质环境也变的更为复杂，巷道围岩体往往表现出大变形、持续流变等特征。特别地，对于开挖后围岩内具有一定初始损伤的岩体，在长期荷载作用下更易发生时效变形和破坏，给巷道支护和维护带来极大困难，给煤矿安全生产带来严峻的挑战。鉴于此，首先开展了考虑岩石初始损伤效应的蠕变试验，构建相应的蠕变损伤模型；然后，基于构建的蠕变损伤模型采用数值模拟的方法，分析了不同支护条件下考虑围岩初始损伤效应的软岩巷道时效变形规律及损伤演化特征；最后，设计新型具有柔性承载板的钻孔弹模仪用以现场测定围岩损伤区范围，并最终提出基于围岩损伤区定量测定的巷道动态支护设计方法。主要成果如下：（1）对砂岩开展考虑初始损伤效应的蠕变试验，研究初始损伤以及围压对砂岩蠕变变形、蠕变速率和蠕变破坏应力的影响，并基于试验结果，提出了考虑初始损伤效应的非线性蠕变损伤力学模型，这一模型能够很好的反映出蠕变三阶段的特征，并且能够表示初始损伤对蠕变破坏应力阈值的影响；（2）利用建立的非线性蠕变损伤模型，对不同支护条件下考虑围岩初始损伤效应的软岩巷道时效变形特征及损伤演化规律进行分析，得到了不同支护结构对巷道长期稳定性的影响；（3）为了定量评价开挖后围岩的损伤状态及损伤区范围，设计了具有柔性承载板的新型钻孔弹模仪，并对其测试原理进行理论分析，对其可靠性进行试验验证，结果表明所研发的新型钻孔弹模仪测试结果不需要修正，适应性强。结合钻孔弹模测试技术，提出以现场岩体弹性模量为基础的围岩损伤区定量评价方法，用以评价区域地质条件，在现场取得了较好的应用效果。（4）利用设计的新型钻孔弹模仪，并结合围岩损伤区定量评价方法，提出了基于围岩损伤区定量评价的动态支护设计方法，并在海孜煤矿开展了工程实践。现场支护效果表明，本文所提出的动态支护设计方法，能依据地质条件动态调控支护结构，有效控制软岩巷道围岩的稳定性。