流变扰动条件下深部岩巷长期大变形失稳控制基础研究

Surrounding rock of deep tunnel behaves intense rheology, and tunnel's deformation behaves "time effects" obviously. Also, deep tunnel's surrounding rock is unstable because it can be effected by outside disturbance loads easily in the process of rheology. Under these circumstances, the deep tunnel's long-term rheological deformation and abrupt unstable failure which caused by outside disturbance loads are serious dynamic disaster problems in deep mining. Using the methods of rock rheology disturbance experiment, mechanical academic analysis and numerical simulation, This subject study the rock's rheology and disturbance responding characteristics firstly, and analysing the rock's critical stress which disturbance strarted to effecting rock's rheology. Then, analyzing surrounding rock's stress field's evolution law after tunnel be excavated and the rheology disturbanced effected zones' dynamic distribution characteristic. Investigating surrounding rock's failure mechanism at the case of rock rheology and outside disturbance influence. At last, Proposing the conditions to keep deep tunnel's long-term stability at the case of rheology disturbance. Establishing deep tunnel's supporting rule. Determining the reasonable supporting strength to keep deep tunnel's long-term stability. This subject's research findings can solve deep rock tunnel's problem of long-term deformation. Providing theoretical bisis and guidance to deep coal mine's safe and high effective mining.

深井岩巷围岩流变性较强，巷道变形具有非常明显的"时间效应"，同时处于流变状态的围岩极易受到采动等外部扰动荷载的影响，稳定性变得很差，深部岩巷的长期流变及扰动大变形甚至失稳破坏等动力灾害现象是深部安全开采面临的关键问题之一。本项目拟采用岩石流变扰动实验、力学理论分析结合计算机仿真模拟等综合研究方法，探讨深部岩体自身的流变扰动响应特征，分析深部岩石易受扰动影响的阀值应力，确定其抗扰动强度；根据深部岩石流变扰动力学特性与围岩应力场的关系，研究深部岩巷开挖后围岩应力场随时间的演变规律及围岩流变扰动影响区域的动态运移特征，阐明围岩在流变扰动条件下的长期大变形破坏机理。最终提出流变扰动条件下深井岩巷保持长期稳定的条件，建立巷道支护准则，并定量研究巷道保持长期稳定所需的合理支护强度。该课题的研究可解决深井岩巷的长期大变形控制问题，为深部矿井的安全高效开采提供理论依据与指导。

深部开采矿井（尤其是-1000m以下的矿井）受到高原岩应力和强烈的开采扰动影响，巷道围岩的长期流变变形以及扰动变形非常显著，成为制约深部矿井安全高效开采的关键问题。本项目采用岩石流变扰动实验、理论分析结合仿真模拟等研究方法，主要对受扰动影响的深部巷道长期稳定性控制基础问题进行了科学系统的研究。主要研究内容包括深部围岩在流变扰动状态下的动力响应特征、巷道的长期大变形失稳机制以及长期稳定性控制对策等。.通过岩石流变扰动实验发现，不同岩石在流变状态下对外部扰动载荷存在不同的应力和应变敏感区间，其应力敏感阈值定义为岩石的抗扰动强度，该值与岩石的长期强度大体相当；而应变敏感阈值约为岩石极限应变的80%左右。同时研究发现，外部扰动载荷强度的增加会造成岩石内部损伤量的加剧，随着扰动载荷的增大，会导致岩石在低静载应力水平下就开始对外部扰动敏感，使岩石的抗扰动强度下降；而应变阈值虽然亦有所降低，但差别不明显。通过理论研究得到，深部巷道开挖后，当集中应力超过围岩抗扰动强度时，在围岩内会形成扰动影响区，该区域不断向内部的发展发育是扰动作用下深部岩巷长期大变形失稳的本质。在此基础上提出了深部巷道的支护准则为：在巷道内给围岩提供足够的侧向支撑力，通过围岩破裂区向扰动影响区提供足够的围压，相应提高扰动影响区内围岩的抗扰动强度，从而限制其向围岩内部的不断发展。在理论指导下提出了以钢管混凝土构件为主体的高强度深部巷道复合支护技术，建立了深部巷道在流变扰动状态下的承压环支护理论，初步形成了深部巷道流变扰动支护体系。.该课题研究成果充实了矿山岩体力学体系，完善了岩石流变扰动效应理论；同时对于指导深部矿井在高应力以及冲击扰动双重影响下的巷道支护设计具有重要的理论与实践意义，通过评价围岩强度、静载应力水平以及冲击载荷之间的关系，可以定量设计巷道内的支护强度，减少巷道返修量，大大节约深部巷道的支护成本，实现深部矿井的安全高效开采。