高應(yīng)力環(huán)境下泥巖注漿加固機理及數(shù)值仿真研究

本項目以淮南礦區(qū)煤礦深部巷道圍巖注漿加固工程為背景，通過理論分析、室內(nèi)試驗和現(xiàn)場監(jiān)測，對煤礦深井泥巖巷道注漿擴散模型以及注漿固結(jié)體的力學(xué)特性進行了分析研究，在此基礎(chǔ)上對摩爾-庫倫本構(gòu)模型進行修正，開發(fā)了適合進行注漿加固評價的數(shù)值仿真分析方法。 (1)煤礦深部高應(yīng)力環(huán)境下漿液擴散受應(yīng)力水平和結(jié)構(gòu)面的分布影響較大，在單一裂隙擴散模型基礎(chǔ)上，結(jié)合結(jié)構(gòu)面滲流-應(yīng)力耦合特性建立的滲流-應(yīng)力耦合注漿擴散模型能夠較好的反映煤礦深部高應(yīng)力環(huán)境下的注漿擴散規(guī)律，是注漿加固擴散模型的一種新的嘗試。 (2)注漿固結(jié)體主要包括兩種膠結(jié)模式：包裹模式和搭接模式。注漿固結(jié)體的力學(xué)特性與其膠結(jié)模式之間存在密切聯(lián)系?？紫堵蕦ψ{固結(jié)體的強度和變形特性有重要影響。隨著孔隙率的增加，注漿固結(jié)體的彈性模量逐漸增大，單軸抗壓強度也呈增大趨勢；相同圍壓下，隨著孔隙率的增加，注漿固結(jié)體峰值應(yīng)力逐漸增加。注漿固結(jié)體的粘聚力隨著孔隙率的增大呈增長趨勢，符合對數(shù)函數(shù)關(guān)系；而內(nèi)摩擦角隨孔隙率增大而減小。 (3)以摩爾-庫倫模型為基礎(chǔ)，通過模量修正和強度修正，建立了適合注漿固結(jié)體的修正的摩爾-庫倫本構(gòu)模型，并通過FLAC3D自定義本構(gòu)模型功能，建立了煤礦深部巷道注漿加固數(shù)值仿真分析方法。該方法能很好反映煤礦深部巷道注漿加固過程中的應(yīng)力和位移變化特征，可為煤礦深部巷道注漿加固設(shè)計和施工提供分析評價方法。 2100433B

注漿加固是確保煤礦深部巷道掘進安全和穩(wěn)定控制的關(guān)鍵技術(shù)。泥巖是煤礦深部巷道中常見的圍巖類型，其物理力學(xué)性質(zhì)特殊，在深部高應(yīng)力環(huán)境下，注漿加固機理變得極為復(fù)雜。開展深部高應(yīng)力環(huán)境下泥巖注漿加固機理及數(shù)值仿真研究是保障煤礦安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵課題。本項研究以淮南礦區(qū)為依托，通過室內(nèi)滲透試驗和現(xiàn)場注漿試驗，對泥巖滲透特性和漿液擴散規(guī)律進行研究；通過室內(nèi)三軸試驗和掃描電鏡，對注漿固結(jié)體的微結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性進行研究；綜合試驗研究結(jié)果，應(yīng)用巖石力學(xué)、滲流力學(xué)、非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)和統(tǒng)計理論，建立泥巖注漿加固漿液滲流-應(yīng)力耦合擴散模型和固結(jié)體本構(gòu)方程，揭示高應(yīng)力環(huán)境下泥巖注漿加固機理；最后，以數(shù)值分析軟件FLAC3D為平臺，通過二次開發(fā)，建立數(shù)值仿真分析方法，對高應(yīng)力環(huán)境下泥巖巷道注漿加固效果進行分析評價。研究成果將為我國煤礦深部泥巖巷道和其他高應(yīng)力軟巖區(qū)大型工程注漿加固的設(shè)計和施工提供理論指導(dǎo)。

《高溫作用下泥巖的損傷演化及破裂機理研究》共分7章，主要講述了泥巖隨溫度升高和加載速率增加的力學(xué)性能變化規(guī)律；給出了高溫作用下泥巖試樣的組分與物相變化，揭示了高溫作用下泥巖宏觀破裂特征的微觀機制；針對所測泥巖巖樣的力學(xué)特性，給出了相應(yīng)的損傷本構(gòu)模型。全書結(jié)構(gòu)緊湊，內(nèi)容合理?！陡邷刈饔孟履鄮r的損傷演化及破裂機理研究》可供礦山生產(chǎn)、設(shè)計、科研單位的有關(guān)技術(shù)人員和相關(guān)院校師生參考使用。

1 緒論

1．1 研究目的及意義

1．2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1．3 研究內(nèi)容與方法

2 高溫作用下泥巖力學(xué)特性的實驗研究

2．1 實驗條件及方法

2．2 高溫作用下泥巖的變形特征

2．3 高溫作用下泥巖的強度特性

2．4 高溫作用下泥巖的熱膨脹效應(yīng)

2．5 高溫作用下泥巖的脆延轉(zhuǎn)化

2．6 本章小結(jié)

3 加載速率對高溫作用下泥巖力學(xué)性能的影響

3．1 試驗方法與方案

3．2 不同加載速率下泥巖的變形特征

3．3 不同加載速率下泥巖的強度特性

3．4 不同加載速率下泥巖的脆延轉(zhuǎn)化特性

3．5 本章小結(jié)

4 高溫作用下泥巖的微觀損傷機制分析

4．1 溫度作用下泥巖的組分結(jié)構(gòu)變化特征

4．2 溫度作用下泥巖試樣斷口形貌的微觀特征分析

4．3 加載速率對泥巖斷口形貌微觀特征的影響

4．4 本章小結(jié)

5 高溫作用下泥巖的損傷演化及本構(gòu)方程

5．1 損傷力學(xué)基礎(chǔ)

5．2 巖石的損傷力學(xué)模型

5．3 巖石破壞的統(tǒng)計強度理論

5．4 泥巖的損傷演化方程

5．5 泥巖的損傷本構(gòu)方程

5．6 泥巖損傷本構(gòu)方程參數(shù)的確定

5．7 損傷本構(gòu)方程驗證

5．8 本章小結(jié)

6 高溫作用下泥巖的蠕變特性

6．1 巖石的流變特性

6．2 高溫作用下泥巖蠕變特性的試驗測定

6．3 高溫作用下泥巖蠕變方程

6．4 本章小結(jié)

7 結(jié)論與展望

7．1 結(jié)論

7．2 展望

參考文獻2100433B

破碎巖體注漿加固機理是地下工程災(zāi)害控制的重要理論難題。本項目擬采用理論分析、室內(nèi)試驗、模擬試驗、數(shù)值仿真與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法開展研究。采用室內(nèi)試驗與微觀測試方法，研究破碎巖體注漿前后巖-巖、巖-漿膠結(jié)界面特征，獲得考慮充填介質(zhì)類型的破碎巖體膠結(jié)模式。開展不同注漿材料與注漿參數(shù)的破碎巖體注漿加固模擬試驗，揭示被注巖體膠結(jié)強化的微觀力學(xué)機制及宏觀力學(xué)參數(shù)變化規(guī)律?；谄扑閹r體注漿加固前后力學(xué)性能變化規(guī)律，研究注漿加固對破碎巖體的強化機制，建立注漿因素與破碎巖體力學(xué)指標改善的定量關(guān)系。運用理論分析與數(shù)值模擬方法，建立考慮注漿因素的破碎巖體加固力學(xué)模型，分析開挖擾動下地下工程圍巖失穩(wěn)破壞的注漿抑制機制，揭示破碎巖體注漿加固機理，提出破碎巖體注漿加固的關(guān)鍵技術(shù)并應(yīng)用于工程實踐，保障地下工程建設(shè)與運營安全，具有重大的理論與實踐意義。