高应力巷道围岩碎胀变形机理及适时让压支护原理

针对复杂地质条件下的岩石力学与控制问题，以深部高应力工程围岩的碎胀变形机制及其适时让压支护原理（特别是支护时机）为研究对象，采用现场调查、力学实验和损伤力学理论等方法，揭示高应力巷道围岩的工程特征及机理路径，研究碎胀岩体的宏观蠕变及破坏行为与细观损伤之间的演化关系，分析围岩在高应力和地质构造共同作用下随时间增长的碎胀变形时空演化规律及变形机制；通过流变理论，建立适用于高应力巷道围岩的碎胀流变本构模型，并提出合理支护时机判别原则和标准；根据锚杆的中性点理论、锚索的力传递机理及现代岩石力学理论，分析深部高应力工程围岩的支护特点，研究"围岩-支护"结构共同体的强化理论；采用数值计算和相似材料模拟的方法，对开挖与支护进行系统地、科学地研究。.研究成果将应用于复杂地质条件下的深部高应力岩石工程当中，具有重要意义，为研究高应力工程围岩的力学特点和稳定问题提供科学依据。

本项目以深部高应力工程围岩碎胀变形机制及其适时让压支护原理为研究对象，以实际矿山为依托，采用大量现场调查、力学实验和理论分析等方法揭示了高应力巷道围岩的工程特征及机理路径，研究了碎胀岩体的宏观蠕变及破坏行为与细观损伤之间的演化关系，建立了适用于高应力巷道围岩的流变本构模型，得到了合理支护时机判别原则和标准，提出了“围岩-支护”结构共同体的强化理论。圆满地完成了本项目的任务，达到了预计目标。. 主要成果如下：①对于高应力碎胀围岩，普遍含粘土矿物较多，岩块的微观结构极为松散，裂隙和孔洞十分发育，受构造和高应力共同作用较为明显，形成了破碎岩体的扩容现象，即碎胀应力扩容；②高应力巷道变形特征主要表现为两帮内挤严重，顶板下沉突出和底鼓量大等；③高应力巷道围岩稳定性受围岩本身强度、结构面切割型式、地应力状态与释放方式、支护形式及施工等因素的影响，岩体被开挖后，靠近开挖壁面应力被释放，产生拉、剪等应力，出现变形大；随着埋深的增加，地应力水平也越来越高，导致巷道开挖后所形成的岩体松动范围也越大；④运用岩石工程系统RES理论，采用BP神经网络建立了高应力巷道围岩碎胀变形的非线性耦合作用矩阵，并提出了高应力巷道碎胀围岩的岩石工程系统稳定性能评价指标Sp，该指标能动态跟踪岩石工程开挖、支护、二次支护等一系列过程的稳定性分级与评价，并能提出合理的支护建议；⑤根据现场实测统计结构面参数分布函数，运用Monte-Carlo方法模拟真实岩体的性质；基于大变形计算理论，分析了胀碎岩体损伤演化的统计本构模型，考虑结构单元由弹性状态进入塑性状态的区域，研究了大变形有计算分析方法，提出了深部巷道围岩的碎胀大变形力学模型和大变形损伤计算的稳定性评价准则；⑥根据现场调查与变形监测结果，建立了适用于高地应力巷道围岩碎胀变形的非线性流变模型，分析了二次支护时机问题，给出了支护时机判别原则和解析式；⑦基于弹塑性理论，提出了“叠加压缩拱”强度理论，认为锚杆和锚索共同作用形成了一种叠加拱的力的传递承载系统，这种结构通过锚索与上覆岩体融为一体，充分体现了“围岩-支护”共同体特点；并直观地推导了承载体强度、等效耦合围岩力学参数等的解析式；⑧针对深部采场的地质、采矿应力环境，提出了以预应力锚索为核心以及与之相配套的地压控制措施和施工工艺的综合控制技术。