弱胶结软岩巷道锚喷结构加固机理及其动力损伤研究-东篱科研大数据发现系统（DRDS）

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弱胶结软岩巷道锚喷结构加固机理及其动力损伤研究

项目名称：弱胶结软岩巷道锚喷结构加固机理及其动力损伤研究
项目类别：面上项目
批准号：51174128
申请代码：E0409
项目来源：国家自然科学基金
研究期限：2012-01-01-2015-12-31

项目负责人：王渭明
依托单位：山东科技大学
批准年度：2011

中文摘要：

弱胶结软岩在西部矿区分布广泛，由于其胶结差、强度低、遇水泥化、自稳性差，给煤矿巷道支护带来极大的困难，严重威胁生产安全，因此有必要研究这类软岩巷道锚喷结构加固机理；揭示地下水和施工动力对锚喷结构加固的劣化规律；为其可靠、合理的设计提供理论依据和方法。采用模型试验、现场测试、数值模拟和理论分析相结合的研究方法，在试验模型内设置裂隙水通道、测试锚杆和测试元件,观测巷道开挖时在动力荷载和裂隙水作用下锚喷结构加固效应、围岩应力、应变、松动圈的发展规律。选择典型的弱胶结软岩巷道，在不同动、静荷载及物理环境下，测试锚喷结构和巷道围岩相关参数。分析室内、外试验结果，揭示掘进动力、裂隙水渗流、岩体泥化等因素对加固效应劣化和围岩变形失稳的规律，运用流变损伤力学理论建立力学模型和稳定性准则，并将新建的模型和准则嵌入相关计算软件，进行数值模拟分析，结合试验信息分析优化理论模型。

中文主题词：弱胶结软岩；损伤演化；流固耦合；加固机理；界面效应

英文摘要：

weakly cemented soft rock；damage evolution；fluid-solid coupling；strengthening mechanism；interface effect

英文主题词： weakly cemented soft rock；damage evolution；fluid-solid coupling；strengthening mechanism；interface effect

结论摘要：

弱胶结软岩在西部广泛分布，由于其胶结差、强度低、遇水泥化、自稳性差，给矿山工程、水利水电工程和交通工程等相关岩土工程施工和维护带来极大的困难，严重威胁生产安全。针对其中的关键问题，我们进行了弱胶结软岩巷道锚喷结构加固机理及其动力损伤研究，掌握了典型弱胶结软岩变形破坏规律，揭示了围岩开挖劣化和锚喷结构加固机理，为工程加固提出了可靠的设计理论和施工技术。在弱胶结软岩的本构关系、损伤机制、强度理论、灾变机理、工程锚固效应等方面取得系列理论成果，并在煤矿巷道支护中得到应用，产生了重大经济效益和安全效益。发表相关论文29篇（其中SCI和EI收录分别为8和17篇）；授权专利7项（其中发明专利2项）；获省科技进步奖2项；中国煤炭工业协会科学技术奖2项。培养博士生3名（一篇获山东省优秀博士学位论文，二篇获校优秀博士学位论文）。主要成果归纳如下（1）建立了弱胶结软岩、煤单体的本构关系。通过典型矿区弱胶结软岩和煤体的室内物理力学性质试验，建立了弱胶结软岩的损伤本构模型；掌握了峰后劣化规律，提出了弱胶结软岩体的峰后强度演化方程，并将模型嵌入数值分析软件进行了数值分析与工程应用。（2）揭示了煤-岩组合体的等效强度准则及界面效应影响机理。采用变形能等效理论，研究煤、岩交界面的强度影响机制，建立了煤-岩体的等效模型和破坏准则，导出了在界面效应下的应力传递及派生应力解析解，探索了煤-岩体的破坏演化机理、破坏的前兆信息和变化规律。（3）创建了弱胶结软岩巷道复合顶板锚固效应解析方法，揭示其荷载传递机理。采用等效理论和均匀化方法处理锚固区岩体，推出了锚固体的加固效应度量因子和穿层锚杆加固效应与围岩变形状态的定量关系，并进一步得到了复杂应力状态下锚杆屈服失效的参数解析表达式；建立了不同软硬组合下复合软岩顶板的数值计算模型，分析了不同岩层赋存状态、层理面位置和应力水平下锚固体应力的分布规律。（4）建立了西部典型矿区弱胶结软岩巷道围岩的力学模型和锚固模型。针对复合型软弱岩层对巷道围岩稳定性影响的厚度效应、刚度效应和强度效应进行分析，考虑岩体的拉、压弹性模量差异建立了围岩的损伤力学模型，通过数值方法揭示围岩的损伤演化机理和变形破坏规律，推导锚固体解析解，确定加固效应量化指标，分析了锚杆的锚固效应，优化了支护参数。在伊犁矿区、陕西孟村煤矿等和地质条件类似工程中应用。

成果综合统计