深部复杂应力条件下巷道围岩分区破裂化机理研究

我国煤矿开采深度日益加大，千米深矿山不断增多，在复杂的地应力条件下，巷道围岩破坏频繁，支护越发困难，深部观测到与传统的"松动圈理论"不同的分区破裂化现象。本项目的宗旨是以若干典型矿山工程为背景，采用现场监测、岩石试验、模型试验、理论分析和数值模拟等综合方法揭示深部巷道产生分区破坏的原因和条件，研究分区破裂化的机理。通过已取得的和补充的现场监测和相似模型试验资料，考虑地应力大小和方向、围岩类别、巷道形状和大小、开挖支护方法以及巷道轴向与主应力夹角等因素，深入研究深部巷道围岩产生分区破裂化的影响因素和分区破裂的发生、发展及最终破坏模式和特征，揭示分区破裂化产生的条件和时间演化过程。通过断裂、损伤力学和能量理论研究建立反映深部巷道分区破裂化围岩的非线性本构关系和岩体破坏强度准则的力学，并嵌入数值软件进行验证，模拟深部巷道围岩的分区破坏过程及破坏模式。研究结果将对分析深部巷道稳定性有重要意义。

通过原有和补充的现场实测资料，分别在淮南矿区和兖州矿区埋深1000m的岩巷和煤巷监测验证了深部高地应力条件下围岩存在分区破裂化现象，给出了分区破裂半径预测估算公式，并初步揭示了深部巷道围岩的分区破裂机制。开展了现场岩样的物理力学参数并研究了高围压单侧卸载条件下岩石易产生劈裂变形和破坏的特性。研制了新型柔性均布压力加载装置和多路高精度液压加卸载伺服控制系统，以监测巷道为原型，开展了不同条件下深部高地应力巷道围岩机破坏理相似模型试验和深部巷道瞬间卸载动力响应模拟试验，得到巷道轴向方向为最大主应力方向和瞬间卸载是围岩发生分区破裂的条件。采用数值模拟方法补充了不同条件下巷道围岩变形破坏规律，得到不同围岩系统锚喷网支护后在支护层后面形成损伤区和巷道轴向与地应力夹角为25-30°时围岩的变形破坏产生突变的规律。建立了深部开挖的动力分析模型，导出巷道围岩体扰动应力、应变和位移的近似解析表达式，很好的解释深部开挖过程中围岩体产生的分区破裂化现象。通过FISH语言初步开发了Flac3D分区破裂计算程序，嵌入了基于能量损伤建立的非线性本构关系和破坏强度准则；较好的模拟了深部巷道瞬间开挖卸荷后围岩内产生的拉压应力呈波浪分布特性。采用编制的高地应力动态卸载计算程序，系统研究了不同卸载时间、不同卸载路径、不同隧洞形状、不同地应力和不同巷道直径等条件下，巷道围岩动态卸载的动态响应规律和围岩破坏机理。最后提出了分区破裂围岩控制新方法与新技术，并在现场得到验证。