深部巷道围岩非线性劣化特性与控制响应研究

As the deep mining has become a normal state of current coal mining, the deep roadway surrounding rocks undergo significant fracture-induced post-peak weakening and failure, therefore, the scientific description and modelling of its nonlinear progressive weakening is the key of the research and numerical analysis on deep roadway ground control. By employing research methods of triaxial loading-unloading test, borehole fracture hologram, ultrasonic in-situ test, 3D discrete element numerical test, numerical developed analysis and SVM data mining, this presented project focuses on the following subjects: (1) Investigation on the nonlinear evolution and strength-weakening of load-bearing rock mass mechanical properties, the mechanism of progressive fracturing and induced weakening; (2) Establishment of the nonlinear relationship between deep roadway fracturing characteristics and equivalent Young’s modulus in tension; (3) Establishment and implementation of the progressive nonlinear weakening model, whereby achieve to the reasonable equivalent simulation of fracture-induced rock mass weakening in numerical analysis; (4) Investigation on the nonlinear weakening effect and its control response, research on the matching support principle and technology among reinforcement support, rock mass weakening and instability-inducing key location. This project can provide reference and technique for deep roadway ground stability analysis and control.

深部开采已成为煤炭资源开发的常态，深部巷道围岩破裂引起峰后力学特性的显著劣化甚至严重破坏失稳，其非线性渐进劣化力学特性的科学描述和建模再现，是深部巷道围岩稳定性及控制研究的关键。本课题采用三轴加卸载试验、钻孔全景及超声波原位测试、大试件三维离散元数值试验、数值模拟二次开发及研究、数据挖掘等方法，深入系统研究深部巷道围岩承载破裂过程中强度特性的非线性演化规律及渐近弱化模式，揭示渐进破裂与强度特性的非线性劣化机制；研究深部巷道围岩采动破裂演化特征，建立围岩破裂特征与拉伸杨氏模量的非线性关系；构建峰后非线性强度弱化和刚度劣化的模型算法，开发嵌入岩体非线性渐进劣化计算模型，实现岩体破裂引起力学特性劣化的合理等效模拟；探究深部巷道围岩渐进劣化效应与破坏失稳控制响应，研究加强支护与围岩劣化特性及失稳诱发关键部位的匹配控制原理与技术。研究成果可为深部巷道围岩稳定性分析和控制提供理论依据和关键技术。

深部开采已成为煤炭资源开发的常态，深部巷道围岩破裂引起峰后力学特性的显著劣化甚至严重破坏失稳，其非线性渐进劣化力学特性的科学描述和建模再现，是深部巷道围岩稳定性及控制研究的关键。本课题采用三轴加卸载试验、钻孔全景及超声波原位测试、大试件三维离散元数值试验、数值模拟二次开发及研究、数据挖掘等方法，研究了复杂裂隙结构作用下工程岩体力学特性非线性响应，探究了裂隙特征参数对裂隙岩体拉伸、压缩宏观力学特性的影响规律，揭示了裂隙特征参数对岩体力学特性劣化效应；创新性地构建了连续介质、工程尺度数值模拟中岩体破裂劣化的模拟方法，提出了采动应力场与覆岩两带耦合模拟方法，实现了采动应力场与采空区覆岩“两带”特征耦合分析，提高了采动应力场和围岩采动响应研究的严谨性和可靠性；提出了基于煤巷基础刚度效应的“控帮护巷”支护原理：通过加强两帮支护提高锚固煤体的基础刚度，控帮支护的直接控制两帮煤体的变形和破坏，并进一步通过基础刚度效应改善整个巷道围岩的应力状态，抑制顶底板变形破坏，提高围岩承载能力和稳定性；研究了加强支护与围岩劣化特性及失稳诱发关键部位的匹配控制原理与技术。研究成果可为深部巷道围岩稳定性分析和控制提供理论依据和关键技术。.项目研究成果在国内外高水平学术期刊发表学术论7篇，其中SCI检索论文6篇，中文EI检索论1篇，出版专著1部；授权国家发明专利2项，PCT专利2项；协助培养博士研究生3名，培养硕士研究生5名。