基于超声相控阵探测的深部巷道围岩裂隙演化机理试验研究

To solve the problem of deformation and failure of deep underground high-stress roadways, this project is to investigate the key issues of rock fracturing process and its mechanism of deep underground roadways. Using the fault ultrasonic imager and the low-frequency high-voltage phased array ultrasonic testing system which has the advantages of intelligent scan, spatial orientation and rapid three-dimensional imaging, the all-around detection will be carried out to obtain the rock crack evolution process of deep underground roadways when excavating in large-scale model experiments. In addition, the stress evolution law corresponding to the crack evolution process is to be gained through stress gage. Based on the test results, the intrinsic relation of crack propagation and principal stress rotation will be quantitatively analyzed to establish mechanical models for describing the rock crack evolution; furthermore, the mechanisms of crack evolution and different failure modes of rocks around deep underground roadways are expected to be found. The desired research findings will provide theoretical basis for better design of excavation and support of deep underground roadways.

本项目以深部高应力巷道变形破坏为背景，围绕深部巷道围岩破裂演化过程这一关键科学问题展开研究。以研究大尺度模型试验内部裂隙扩展和应力变化过程量测技术为出发点，基于超声相控阵智能扫描、大范围空间定位和便于快速三维成像的特点，利用低频高压相控阵超声检测系统和断层超声成像仪测试技术，建立大尺度模型试验中内部裂隙定位的超声相控阵测试新方法，对深部巷道在开挖卸载过程中的裂隙演化过程进行由表及里的全方位、多角度的探测。结合利用单元应力计实测获得的应力演化规律，定量分析裂隙发展与主应力轴旋转之间的内在联系，建立描述深部巷道围岩破裂演化特征的力学模型，揭示深部巷道围岩裂隙演化机理和复杂应力状态下形成不同破坏模式的力学本质，为深部巷道支护设计和施工方案改进提供理论基础。

本项目以深部高应力巷道变形破坏为背景，围绕深部巷道围岩破裂演化过程这一关键科学问题展开研究。以研究大尺度模型试验内部裂隙扩展和应力变化过程量测技术为出发点，基于超声相控阵智能扫描、大范围空间定位和便于快速三维成像的特点，利用低频高压相控阵超声检测系统和断层超声成像仪测试技术，建立大尺度模型试验中内部裂隙定位的超声相控阵测试新方法，对深部巷道在开挖卸载过程中的裂隙演化过程进行全方位、多角度的探测。.项目研究了六种配比条件下河沙（H组）、石英砂（S组）和石英粉（F组）三组类岩石材料的力学和声学特性，确定了石英砂（S组）最适合利用超声相控阵探测和声发射定位分析的相似材料和配比，并确定了不同应力状态下的波速修正方法。利用MIRA超声成像与AEwin声发射三维测试与定位分析方法，获得了预制不同裂隙岩体变形破坏过程中的声学响应特征，初步建立了利用超声相控阵技术探测和识别裂隙的方法。计算分析不同裂隙参数对声波传播特性，对利用超声波检测岩体内部裂隙缺陷提供了依据。结合单元应力计实测获得的应力演化规律，定量分析裂隙发展与主应力轴旋转之间的内在联系，建立描述深部巷道围岩破裂演化特征的力学模型，揭示深部巷道围岩裂隙演化机理和复杂应力状态下形成不同破坏模式的力学本质，为深部巷道支护设计和施工方案改进提供理论基础。.根据深部巷道围岩渐进破坏演化的特点和破坏模式分析，建立了基于应力减低比、体积膨胀比的围岩强度衰减力学模型，提出了基于围岩破裂演化规律的“过程控制”设计思路和深部巷道围岩非连续大变形灾害的控制技术，并成功地在平煤集团、同煤集团的地下工程稳定控制中进行了推广应用。