高应力巷道围岩系统动力变形破坏效应模拟

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煤矿动力扰动作用下的动力灾害防治随矿井向深部延伸越发突出。本文分高应力巷道围岩动力扰动为瞬态卸压扰动和应力波扰动,以砂岩为研究对象,以理论计算、数学建模和数值分析为手段,研究巷道掘进面不同高应力状态岩体爆破成单自由面的卸压扰动过程和单自由面巷道边帮岩体在不同高应力状态下受爆炸应力波扰动过程岩样的变形破坏特性,揭示高应力巷道围岩系统动力作用下变形破坏规律,提出高应力工程岩体施工注意事项。通过研究,取得了如下进展:  1)构建高应力巷道围岩动力环境。利用“三准则”理论和应力评价体系,研究并认为砂岩接近高应力状态并具有冲击破坏性,将其物理力学参数赋予数值岩样。同时,分析了岩体中爆炸应力波产生及传播过程,并将应力波简化为三角形波。另外,在分析了岩石加载动力学评判准则基础上,根据现有瞬态卸压研究资料和简化压缩弹簧卸压过程产生的加速度场,提出岩石“卸载动力学”概念,并初步分析岩石“卸载动力学”需解决的关键问题。  2)开展了数值岩样瞬态卸侧压成单自由面过程实验研究。为了确定瞬态卸侧压过程,讨论并计算了砂岩爆破过程卸压时间,确定了线性卸压方式,建立了不同应力状态下真三轴模型,在计算其三轴抗压强度的基础上确定了峰前卸侧压值。实验结果表明:瞬态卸载3后,岩样轴向应力1跌落和横向应变3突跳,且3随着初始应力的增大而增大,并对2较敏感。根据能量理论,定性分析了含高弹性应变能的数值岩样瞬态卸侧压过程能量的耗散途径。另外,对比分析了现场高应力工程岩体爆破开挖瞬态卸压过程岩体大变形实例,发现其大变形有突变性特点,与本文研究结果吻合,也证实数值模拟软件的在研究岩石动力学方面的可行性。  3)进行了单自由面数值岩样应力波扰动实验研究。为了选择平衡稳定性较好的单自由面数值岩样进行应力波扰动实验,建立了不同应力状态单自由数值岩样,并进行了平衡计算。同时,确定了相等梯度增大的不同应力波峰值,以模拟爆炸应力波对远近不同巷道边帮岩体的作用。经过多次扰动实验,在对平衡数值岩样初始发生不可恢复变形、发生最大变形和塑性区扩展范围的变量分析中发现岩样初始应力越大,初始发生不可恢复变形时应力波峰值越小;相同应力状态下数值岩样侧向平均应变?3最大时,应力波峰值最大;岩样破坏是应力波加载阶段和卸载阶段共同作用的结果。
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