静载与冲击组合作用下西部白垩系冻结软岩动态损伤演化机理

In China's Inner Mongolia Xinjiang Ningxia Shaanxi and other Western mine area,the coal bearing strata is largely poor cemented and low strenght Cretaceous filling water soft rock. Because of lacking theoretical basis and engineering experience, freezing design and construction control still use the parameters of middle east deep soil freezing sinking. The engineering accidents of frozen wall rupturing and water leakage whick caused by blasting shock often happened and make large ecnomic loss and construction schedule delay. It is urgently needs to solve this problem in western mine construction. So firstly we will sample the typical soft rock locally, such as mudstone sandstone and interbedded mud-sand stone. Secondly, those samples with different moisture content will be artifically frozed. And then make different impact test with SHPB of rock. Based on the the CT and acoustic emission test data, the damage modulus is given and the relationship between moistyre content freezing temperature and damage modulus is built. Lastly, based on the thermodynamic framework and deformation energy equivalent principle, the dynamic damage constitutive model will be made and the model parameters will be identied. It has the important theory value and the practical significance.

在我国内蒙、新疆、宁夏、陕西等西部矿区，煤系地层多是弱胶结、低强度的白垩系富水软岩。在这些矿区进行冻结凿井由于缺乏理论依据和施工经验，冻结设计和施工控制仍采用中东部深厚表土冻结凿井设计参数，多次出现因爆破冲击造成的冻结壁失稳大量出水工程事故，严重影响施工进度，带来巨大经济损失，是西部矿区冻结凿井迫切需要解决的工程难题。为此本项目首先在西部典型富水软岩矿区现场取样（泥岩、砂岩及泥砂岩互层三种典型软岩），在室内进行不同含水状态下预加压人工冻结，然后借助岩石类材料SHPB试验系统进行不同强度的冲击荷载试验，根据试验数据，基于CT扫描和声发射测试，构建损伤变量，并建立含水率、冻结温度与损伤变量的变化关系,在此基础上基于热力学框架和形变能等效原则，推出软岩考虑含水率和冻结温度的动态损伤本构关系并进行参数辨识，借助CT扫描和高速摄影从微观层面分析冻结软岩破坏机制，研究成果具有重要理论价值和工程指导意义

白垩系弱胶结软岩是我国西部矿山广泛分布的一类特殊软岩，由于其强度低、胶结差、易水解、易风化等特征，在这些矿区进行冻结凿井由于缺乏理论依据和施工经验，冻结设计和施工控制仍采用中东部深厚表土冻结凿井设计参数，多次出现因爆破冲击造成的冻结壁失稳大量出水工程事故，严重影响施工进度，带来巨大经济损失，是西部矿区冻结凿井迫切需要解决的工程难题。为研究这类软岩的力学特性，通过施工现场采集中粒砂岩和粗粒砂岩并在实验室内加工成标准试件，先后进行了不同含水率和不同冻结温度的热物理参数测试，分析了含水率及冻结温度对两种岩石的导热系数、体积比热和热扩散系数的影响；通过室内不同冻结温度不同围压的三轴压缩试验分析了冻结砂岩峰前峰后应力应变规律，借助等效应变原理分析三轴压缩过程中损伤变化规律，并根据峰后应变软化特征给出了考虑刚度劣化的本构模型；采用SHPB试验系统对不同冻结温度的饱和砂岩进行不同应变率的冲击试验，分析了砂岩的动态力学参数与应变率的变化关系，采用声波测试技术分析了冲击加载前后砂岩的波速变化，并建立损伤变量进行了定量分析，最后通过对目前常用动本构模型进行分析了，构建了冻结砂岩的动本构关系。在工程应用分析方面，考虑冻结围岩的径向温度差异，建立了基于围岩力学参数径向差异性的力学模型，并借助于摩尔库伦理论分析了围岩应力分布规律，塑性区范围及变形特征；基于巷道顶板离层模型分析了有限段高范围内的冻结凿井围岩损伤引起的围岩断裂问题；采用正交试验设计了冻结凿井空帮稳定性试验方案，并充分考虑了各影响因素的内在关联性，分析了各影响因素对冻结壁变形的敏感性，结果表明掘砌段高影响最大，为22.7%，而冻结强度为-24.0℃时，冻结强度的增加对控制冻结变形并不明显。