煤矿深部巷道高应力软弱围岩碎胀扩容大变形致灾机理及分析方法

本项目围绕煤炭深部开采中的高应力软弱围岩巷道大变形失稳灾变的"孕育演化机理"和"分析方法"二个关键科学问题开展研究，采用试验监测（室内岩石卸荷试验、现场试验监测、数值试验）和模拟仿真（物理模拟和数值模拟）相结合的研究方法，从深层次上揭示深部巷道围岩破裂碎胀-损伤扩容大变形失稳灾变过程的力学机理，通过理论分析建立反映大变形灾变机理的破裂碎胀-损伤扩容过程本构模型和临界条件准则，为实现深部巷道扩容碎胀大变形失稳灾变分析预测奠定理论基础；在此基础上，以数值流形算法程序为平台，通过研究表征围岩破裂扩展和锚杆注浆对围岩裂隙加固修复作用的块体开裂算法、粘结修复算法、理论模型调用程序的编制和相关软件的开发，建立深部巷道扩容碎胀大变形失稳灾变过程数值仿真分析方法及计算分析软件。本项研究成果将为我国深部煤炭资源的安全高效开采和煤炭工业的可持续发展提供科学理论支撑，并促进相关学科基础理论的发展。

本项目围绕煤炭深部开采中的高应力软弱围岩巷道大变形失稳灾变的"孕育演化机理"和"分析方法"二个关键科学问题开展研究，采用试验监测和模拟仿真相结合的研究方法，取得了如下成果：（1）提出了一种适用于深部软弱围岩地应力测试的流变应力恢复法；提出了表征深部裂隙岩体结构特征的非连续离散介质模型；（2）开展了三轴压缩及卸围压试验，揭示了深部巷道围岩损伤扩容-破裂碎胀变形机理；通过含裂隙类岩石材料试样单、双轴压缩试验，揭示了裂隙网络扩展机理；建立了反映裂隙萌生扩展对材料劣化的损伤本构方程，提出了裂隙岩体强度准则；（3）揭示了浆液扩散机理和注浆修复加固机理，提出了裂隙网络中浆液扩散的动力学算法；建立了描述注浆前后力学特性的非线性本构方程，提出了注浆后裂隙岩体浆液扩散和注浆加固效果数值方法；（4）揭示了深部软岩巷道锚固作用机理及时效性，建立了锚杆（索）-围岩相互作用模型；（5）基于有限元-离散元耦合的FDEM方法，提出了节理单元剪切强度改进算法及破裂前后接触检索算法，建立了能模拟围岩破裂碎胀过程的FDEM方法，研究了FDEM锚固注浆加固模拟算法；（6）研究了NMM单元破裂算法和接触算法改进；引入杂交裂隙单元，利用最大切向应力准则模拟岩体裂隙的萌生和扩展过程；引入Voronoi方法在破裂碎胀区生成随机离散块体，从而为真实模拟破裂碎胀大变形过程及锚注控制提供一种全新有效的数值方法。研究成果将对深部围岩碎胀大变形预测控制，促进生产安全具有重要意义。