水岩耦合作用软岩巷道蠕变失稳机理及其控制研究

Aiming at the problem of soft rock roadway wall rock control under the action of water, centring on the creep deformation-unstability mechanism of soft rock roadway under the coupled effect of water-rock, with a serious of soft rock creep experiments and model experiments indoor, by using the multi-subject method of porous media poromechanics, rock rheology, groundwater dynamics, mine rock mechanics, mine pressure and ground control, that the soft rock roadway creep-unstability mechanism under the coupled effect of water and rock is uncovered; that the effect to the soft rock creep properties by water ratio, pore water pressure, soaking time and confining pressure is made clear; that the key parameters of soft rock roadway creep control under the coupled effect of water and rock are provided; that the nonlinearity creep model of creep parameters dynamic changing with time and moisture condition is gived out; that the model parameters inversion identification method is given; that the creep-seepage coupled model of soft rock roadway wall rock under the coupled effect of water and rock is established; that the numerical calculation method of the model is pointed out, and the numerical simulation results are checked with the experiment results. This provides theoretical basis and technical support for soft rock engineering, especially the wall rock control work of soft rock engineering under the water action.

针对水作用下煤矿软岩巷道围岩控制中的科学问题，围绕水岩耦合作用软岩巷道蠕变变形-失稳机理，通过一系列室内软岩蠕变试验和模型试验，采用多孔介质渗流力学、岩石流变学、地下水动力学、矿山岩体力学、矿山压力与岩层控制等多学科研究方法，揭示水岩耦合作用软岩巷道蠕变失稳机制，弄清含水率、孔隙水压力、浸水时间及围压对软岩蠕变性质的影响，给出水岩耦合作用软岩巷道蠕变控制的关键参数；提出蠕变参数随时间、含水状态动态变化的非线性蠕变模型，并给出模型参数反演识别方法，建立水岩耦合作用软岩巷道围岩变形的蠕变-渗流耦合模型，提出模型的数值计算方法，并将数值模拟结果与实验结果相验证，为软岩工程、尤其是水作用下软岩工程的围岩控制提供理论依据和技术支持。

煤矿软岩巷道支护问题是困扰矿井高效安全生产的主要技术环节之一，深部开采条件下高地应力和高孔隙水压力因素的影响下，软岩巷道的治理工作愈加困难。项目对水岩作用下软岩巷道蠕变失稳机制及其控制技术进行了深入的研究。.水岩作用条件下的软岩变形失稳特征取决于成岩矿物成分及矿物间的结构，通过浸水实验表明：浸水条件下软岩将发生泥化、碎裂、膨胀和强度弱化等不同性状。故对软岩巷道或软岩工程的研究首先要弄清软岩成分及其浸水性状，这是确保研究成功与否的根本条件。.水岩作用下的软岩蠕变特性的变化体现在含水率和孔隙水压力对蠕变性质的影响。实验研究表明，随着含水率的增加，降低了软岩的蠕变起动应力水平，增加了瞬态蠕变量，增加了衰减蠕变时间，增加了极限蠕变量和衰减蠕变曲率半径，降低了软岩的长期强度。孔隙水压力作用下，降低了软岩的蠕变变形量。在水岩力学作用机制下，加速了岩石的破坏。同等条件下，考虑孔隙水压力作用巷道最大位移增加22.7%，且孔隙水压力的集中位置与集中程度与应力场几乎同步。.基于FLAC3D数值计算平台，二次开发了西原模型算法，并与渗流模块实现了耦合计算，模拟分析了水岩作用软岩巷道的蠕变变形规律，量化了软岩巷道支护时间和支护阻力。.水岩作用软岩巷道变形失稳的根本原因在于围岩自稳能力的丧失，在软岩膨胀压力作用下，支护结构失效，围岩加速蠕变快速形成，巷道整体失稳。基于水岩作用恶劣的工程效果，防止水岩作用是控制软岩巷道变形，实现巷道有效治理的关键。首先利用防堵技术将水源与软岩隔离，其次及时对揭露软岩层进行封闭，第三要利用数值平台分析确定合理的支护时机与支护阻力，限制加速蠕变变形的启动。在大安山煤矿利用煤层作为软岩底板的保护层，喷浆封闭配合锚网索支护技术取得了成功，对煤矿软岩巷道治理具有一定的借鉴意义。.通过项目研究，弄清了水岩作用的软岩巷道失稳机制，建立了水岩耦合作用蠕变变形的数值算法，提出了软岩巷道的蠕变控制理念和基本方法。对于完善煤矿巷道支护技术体系和指导现场实践具有重要意义。