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收稿日期:2022-08-06作者简介:秦 硕(1993-),男,山西大同人,助理工程师,从事矿山压力与岩层控制工作。
doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.05.022深部煤岩体时效应变规律研究秦 硕(晋能控股煤业集团,山西大同 037003)摘 要:深部岩体流变特征明显且会受到工程施工的影响,造成岩石开裂或局部应力集中。
为深入研究深部围岩的蠕变问题,针对深部煤层岩体巷道围岩进行了相关的研究,本文采用理论分析、数值模拟相结合的研究方法,建立了岩石蠕变损伤模型,对深部巷道围岩蠕变损伤求解,结果表明:在恒定压力的作用下,岩石内部的强度较弱的单元体在90h 时,在岩石试件中出现局部蠕变损伤单元,在90~160h 时,损伤单元进一步贯通发展为剪切破化带。
在进行蠕变过程声发射事件研究时,通过累计声发射计数曲线,发现声发射计数图与岩石蠕变应变过程曲线具有很大的相似性,其中累计声发射数计数曲线拟合度最高,研究成果在研究岩石蠕变破坏,工程灾害预测等方面可以作为重要的参考指数。
关键词:深部岩巷;变形;时间效应;蠕变损伤;声发射中图分类号:TD313 文献标识码:A 文章编号:1005-2798(2023)05-0080-03 近年来,东部地区大量浅层煤炭资源逐渐枯竭,其开采深度越来越深,预计其开采深度将达到1000~1500m [1]。
在深部高应力、强流变特性等复杂条件下,煤岩组合体巷道、硐室围岩的长期稳定性控制的难题不断涌现[2]。
在深部岩体开挖和开采过程中,针对深部煤岩体巷道的稳定性分析,目前大多的研究当作准静态问题处理,忽视了时间效应[2]。
但事实上,地下空间无论是巷道还是地下硐室,忽视时间效应都不能准确地预测其长期稳定性,也无法预测巷道或硐室的变形和老化破坏规律。
近年来,学者对深部煤岩体时效变形规律进行了大量研究,文献[3]基于原位监测和数值计算分析并利用FLAC 3D 研究分析锚索支护岩体开挖过程的变形特性,研究表明,锚索拉力具有明显的时效特征;文献[4]通过室内实验并建立了粘土黏固结流变模型研究黏土岩时效变形特征,分析表明黏土岩具有流变特性且该模型能够很好反映该特性,本文结合前人对岩石蠕变力学特性的研究,采用理论分析及数值模拟法相结合的研究方法,深入研究煤岩体的蠕变变形和力学特性。
围岩变形分析报告1. 引言围岩变形是岩体在受到外力作用下发生的变形现象。
对围岩变形进行分析可以帮助我们评估岩体的稳定性，为工程建设提供有力的依据。
本文将以某个具体的工程案例为例，通过分析步骤来展示围岩变形分析的方法和过程。
2. 工程背景本文所涉及的工程是一座高速公路的隧道项目。
该隧道位于地质条件复杂的地区，周围围岩变形可能较为严重。
因此，对围岩变形进行分析对于隧道的设计和施工具有重要意义。
3. 数据收集为了进行围岩变形分析，我们首先需要收集相关的数据。
在本工程案例中，我们收集了以下数据：1.地质勘探数据：地质勘探数据包括钻孔、岩芯、地质构造等，可以帮助我们了解地下岩体的分布和结构。
2.地下水数据：地下水数据包括水位、水质等，可以帮助我们了解地下水对围岩变形的影响。
3.岩石力学参数数据：岩石力学参数数据包括岩石强度、岩石的变形模量等，可以帮助我们评估岩体的稳定性。
4. 数据分析基于收集到的数据，我们可以进行以下分析步骤：4.1. 地质构造分析通过分析地质构造，我们可以了解岩体的裂隙情况、构造面的走向等。
这对于评估岩体的稳定性非常重要。
在本工程案例中，我们通过地质勘探数据绘制了地质剖面图，并分析了裂隙的走向、密度等信息。
4.2. 岩石力学参数计算岩石力学参数是评估岩体围岩变形的重要指标。
通过分析岩芯数据和实验室试验数据，我们可以计算得到岩石的强度、变形模量等参数。
在本工程案例中，我们进行了岩芯分析和室内试验，得到了岩石的力学参数。
4.3. 数值模拟分析基于收集到的数据和计算得到的岩石力学参数，我们可以进行数值模拟分析。
数值模拟分析可以帮助我们预测岩体在不同外力作用下的变形情况，并评估其稳定性。
在本工程案例中，我们使用有限元分析方法进行了数值模拟分析，并得到了围岩的变形情况。
5. 结果和讨论基于数据分析和数值模拟分析的结果，我们得到了围岩的变形情况。
通过对结果的讨论，我们可以得出以下结论：1.在该隧道工程中，围岩的变形较为严重，可能存在一定的稳定性风险。
12011轨道巷掘进期间采用钻屑量（S）、瓦斯解吸指标（Δh2）和钻孔瓦斯涌出初速度（q）进行预测，预测结果如图3所示。
经统计，12011轨道巷在执行措施前预测超标率为23%，在执行措施后预测超标率下降到3.9%。
4.3巷道进尺义安矿在未采取巷帮截流抽放与主巷超前排放措施技术以前煤巷掘进月进尺不足40m，12011轨道巷采用巷帮截流抽放与主巷超前排放措施后，月进尺达到了100m以上。
5几点看法（1）在突出煤层巷道掘进中，应用巷帮截流抽放与主巷排放钻孔相结合的防突技术比单项技术措施更具有安全性和可靠性。
（2）巷帮截流抽放技术、主巷排放钻孔技术与有效的管理相结合，可以实现了突出区域煤巷快速掘进，提高了生产率。
（3）巷帮截流抽放技术和主巷排放钻孔技术都涉及到钻孔布置合理性问题，因此，不同煤层赋存条件和地质条件的区域，抽放钻孔和排放钻孔间距需要在考察抽放半径和排放半径的基础上设计。
作者简介王念红，男，河南省宜阳县人，1971年7月生，1993年7月毕业于淮南矿业学院矿井通风与安全专业，现任洛阳义安矿业有限公司总工程师，工程师。
（收稿日期：2009-4-2）深部软岩巷道围岩变形研究现状与存在问题分析中国矿业大学矿业学院赵红超王维中国矿业大学化工学院刘璐摘要目前，我国煤矿开采已经向深部发展，与之相伴的软岩巷道变形现象更加明显，综合国内外关于软岩巷道的理论研究现状，提出一种关于改变软岩微结构面的方式来解决相关问题的设想，并从理论上给予证明。
关键词深部矿井软岩巷道蠕变1引言目前，我国煤矿开采已经向深部发展。
我国的煤炭资源埋深在1000m以下的储量为2.95×1012t，占煤炭资源重量的53%。
据初步统计现阶段我国已经有数百对矿井开采深度超过1000m，其中，山东新汶孙村矿延伸水平深度已达到1300m。
同时，我国国有重点煤矿平均开采深度正在以10~25m/a的速度逐年增加[1]。
预计在未来20年我国将有更多煤矿进入1000~ 1500m的深度。
0(1当代化工研究OU Modem ChemicalReiseardt技术应用与研究2021•05深部高应力软岩巷道围岩爽形破坏常见问题及控制措施探析*阴雷彪（西山煤电股份有限公司西曲矿山西030200）摘要：深部巷道围岩变形破坏问题是当前煤炭深部开采过程中面临的严峻挑战，从深部巷道支护来看，很多在浅部较为坚硬的岩石，在深部支护中表现出软岩特征，很多在浅部巷道支护时，表现出较好支护效果的支护方案，在深部巷道支护中表现出明显的不适应问题。
本文从深部高应力软岩巷道围岩变形破坏常见问题分析入手，研究了深部高应力软岩巷道围岩变形破坏机制，并针对性提出了增强深部高应力软岩巷道围岩变形破坏控制效果的相关措施。
关键词：深部；高应力软岩；巷道；围岩变形破坏；常见问题；控制措施中图分类号：TD文献标识码：ACommon Problems and Control Measures of Surrounding Rock Deformation and Failurein Deep High Stress Soft Rock RoadwayYin Leibiao(Xiqu Mine,Xishan Coal and Electricity Co.,Ltd.,Shanxi,030200)Abstracts The deformation and damage of s urrounding rock in deep roadway is a severe challenge faced by deep coal mining at present. From the perspective of deep roadway support,many hard rocks in the shallow part show the characteristics of s oft rock in deep support.Many support schemes that show good support effect in the shallow roadway support show obvious maladjustment problems in the deep roadway support. In this p aper,based on the analysis of c ommon problems in the deformation andfailure ofsurrounding rock in deep high stress soft rock roadway,the deformation andfailure mechanism of s urrounding rock in deep high stress soft rock roadway is studied,and the relevant measures f or enhancing the control effect of d eformation andfailure of s urrounding rock in deep high stress soft rock roadway are p roposed.Key words z deep；high stress soft rocki roadway%deformation andfailure of s urrounding rock；common problems\control measure引言随着煤矿开釆深度的不断增加，巷道围岩出现的大变形破坏问题更加突出，已经成为制约煤矿深部开采的重要因素，不仅支护成本增加明显，同时支护效果也相对不佳，制约了煤炭行业现代化发展质效。
矿井深部开拓巷道围岩变形原因分析及防治研究本文对于现阶段矿井深部开拓巷道围岩变形原因进行了分析，并且提出了相应支护技术的发展趋势，通过采用预拉力钢绞线来作为施工的锚杆，有效的对锚杆的承载力与约束力进行了保障，并且达到了控制变形，减少受爆破振动，提高强度，降低成本等目标。
本文对于矿井深部开拓巷道围岩变形原因分析及防治的相关问题进行了分析与探讨。
标签：矿井深部开拓巷道围岩变形原因防治矿井深部开拓施工当中，对于围岩变形进行控制是非常重要的，并且如何做好主动支护技术的应用是其中的关键。
主动支护形式中较为常见的一种，就是锚杆支护。
锚杆支护支护已经广泛的应用于施工当中，并且锚杆支护的方式发生了较大的发展与进步，主动式的防护模式已经逐渐替代了传统被动的棚架支护方式。
针对于一些深度软岩的苛刻作业环境，需要针对于其中开裂现象进行深入的研究，并且采用具有针对性的支护。
经过大量的理论实践分析验证，针对于预拉力进行调整，可以有效的对支护效果不佳的情况进行改善，并且提高支护约束力，减少有害变形。
下文对于矿井深部开拓巷道围岩变形原因进行了深入的分析，并且就防治矿井深部开拓巷道围岩变形的相关措施进行提出和探讨。
1 矿井深部开拓巷道围岩变形原因分析围岩变形产生的主要原因，是受到围岩压力的作用。
围岩压力主要是指在地下开挖过程中，所开挖空间的周围支护与岩体受到破坏的一种力。
围岩压力包括了松动压力、形变压力、膨胀压力以及冲击压力等，并且受到多种因素的影响。
围岩压力的影响因素主要包括了地质因素与工程因素两种，因此要想真正的对围岩变形问题进行解决，就必须从不同的角度入手，改进施工策略，保证施工质量。
围岩压力主要是指对于其支护结构所产生的压力，并且具有明显的力学特点，包括了多种支护情况。
2 锚杆支护技术中预拉力钢绞线锚杆的应用来防治变形针对于这种变形的原因，锚杆支护技术中预拉力钢绞线锚杆的应用可以有效的对其防治，并且减少变形速度，控制变形量，保证围岩运动的平缓化。
煤矿深部开采巷道围岩变形破坏特征试验研究及其控制技术随着深部煤炭资源的不断开发以及深部矿井的建设,高地应力问题的出现成为危及井巷工程围岩体安全的主导因素,浅部开采的巷道支护理论及技术在深部开采巷道围岩受高应力状态下很难适应巷道围岩的稳定及支护问题,给巷道围岩稳定性及井巷施工安全提出了新的研究课题。
因此,对深部开采巷道围岩变形破坏特征以及对其支护加固技术等问题的研究显得尤为重要和迫切。
以此为出发点,本文结合国家自然科学基金面上项目“深部巷道围岩变形、破坏全过程及稳定控制机理”(50674083)、山东郓城煤矿委托项目“深井高应力巷道围岩破坏机理与控制技术的研究”及山东郓城煤矿埋深900m的井下掘进巷道为工程背景,以采矿学、岩体力学、弹塑性力学、断裂力学等理论为基础,通过相似材料模拟、理论分析、数值模拟、现场实测及工程实践等手段对煤矿深部开采巷道围岩变形破坏特征开展了试验研究,提出了适合于煤矿深部开采巷道围岩支护技术和方法。
本文的研究内容主要包括以下几个方面:利用大尺度三维地下工程综合模拟实验系统对煤矿深部开采条件下的巷道开展了“先加载,后开挖”的相似材料模拟试验。
采用自行设计制作的气压芯模支护结构、可缩支护结构及无支护模拟了不同支护方式下的巷道围岩的破坏特征,利用主方向应变传感器获得了试验加载过程中的荷载传递规律和巷道围岩周围主应力大小及其方向的演化规律,采用位移计获得了有支护和无支护巷道围岩的收敛变形规律;分析了相似材料模拟试验获得的深部高水平应力条件下不同支护形式的巷道围岩破坏特征,研究了巷道围岩内部和掘工作面的主应力大小及方向演化与巷道围岩变形破坏的关系,通过巷道围岩表面位移的收敛规律对不同支护形式的支护作用进行了分析;根据相似材料模拟试验中深部开采巷道围岩的变形破坏特征及破坏区的范围,并采用钻孔摄像测量系统对郓城煤矿已掘巷道的变形破坏特征进行了观测,结果表明与相似材料模拟所获得的现象是一致的。
深部围岩变形破坏时效性分析1.引言围岩应力场和位移场的分布规律是地下工程设计中必须解决的主要问题。
地下洞室的失稳破坏，往往是从洞室周边开始、由于围岩应力超载或围岩位移过量所致，而岩石的流变性使得围岩的变形具有很强的时效性。
一方面由于岩石和岩体本身的结构和组成反映出明显的流变性质，另一方面也由于岩体的受力条件(包括长期受力和三轴应力状态)使流变性质更为突出，因此，在矿山和地下工程中表现的力学现象，包括地压、变形、破坏等等几乎都与时间有关。
巷道或隧道开挖后，在地应力的作用下，围岩往往会向巷道或隧道内慢慢地移动收敛，具体表现是:侧墙逐渐向内移动，底板慢慢隆起，顶拱则进一步开裂。
各种长期监测资料表明，自洞室开挖至数月或数年内，围岩的变形和应力分布均随时间发生变化。
现在己经认识到岩体流变的普遍性，并用塑性流动和粘性流动来解释地下工程的时间效应问题。
岩石的流变变形也是导致岩体地下工程中支护结构产生变形和破坏的主要原因，作用于地下结构衬砌上的载荷会随时间而增长，大型边坡和地下洞室的变形会逐渐加大，甚至会引起灾难性的后果。
因此，对地下洞室变形时效性的研究，也是我们在地下工程中合理选择支护类型及支护结构的前提，对于研究开挖后的工程岩体的动态特征以及岩体工程的设计，均具有十分重要的意义。
2.岩体时效(Rock Timeliness)的影响因素岩体流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。
根据大地构造测试结果，地壳目前的平均蠕变速率为106l/s。
不少大断层至今仍有持续移动的迹象。
在边坡、隧洞、基坑、矿井、铁路路基等岩体工程中，岩体流变现象很常见。
近年来，由于能源开发的扩大和环境保护要求的提高，所进行的天然气、液化气、油料以及核废料地下储藏课题研究，将岩石材料在不同荷载水平和不同温度条件下的长期变形与稳定问题提到了十分紧迫和重要的地位。
一般认为，岩体工程中的时间效应主要是由以下几个方面的因素所引起的：(l)、岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变、松弛、滞后以及弹性后效等。
一般的软岩，如盐岩、泥岩、粘土岩等，其粘滞系数都达到106-109MPa.S。
硬岩的流变性态相对较弱，如测得的花岗岩的粘滞系数为1013MPa .S。
然而，由于受到成岩过程中的地质构造运动影响，岩石材料中存在各种裂隙、节理、层理等构造面，这一结构特点导致脆性岩体亦呈现较强的流变性态。
同时，结构面在岩石中的随机分布特点，也使得有关岩石材料流变规律和变形特征的研究变得十分复杂和困难。
(2)、岩石材料所受到的应力水平和加载方式。
在岩体开挖与支护过程中，按所处的空间位置和时间间隔，岩石材料各质点所受到的应力水平和加载速率都是不同的，而这些因素都直接影响到材料的流变规律。
己有观测资料表明，当施加的应力水平相对于材料强度较低情况下，岩石材料一般表现为蠕变速率持续衰减的情况，只有在应力水平达到或超过某一限值时，材料的应变速率才维持在某一常值或持续增大，并很快导致材料的破坏。
室内试验中采取不同的加载速率、加载路径以及加载形式(如单轴压缩、常规三轴等)，所获得的岩石材料应力-应变-时间曲线间存在很大差别。
(3)、温度、湿度和其他赋存环境。
一般情况下，温度的提高使得岩石材料的延性性态增强，导致蠕变量值的明显提高。
地下水溶解和软化了充填在结构面和介质孔隙中的某些粘土质矿物颗粒。
量测所得的变形值表明，与干燥试样相比，饱和岩石无论是在初始蠕变量值上，还是在稳态蠕变速率上都有相应的增长。
3.破碎岩石变形时效性研究在各种岩体工程中，岩体的应力状态、变形和失稳，都具有明显的时间效应，其根本原因是岩石具有流变性。
岩石的流变性常涉及以下一些基本概念:蠕变、应力松弛、长期强度、弹性后效、粘性流动等。
人们研究较多的是蠕变。
蠕变是在应力不变的条件下，应变随时间逐渐增长的现象。
随着煤炭资源的开采不断向深部发展，在高地应力、高水头作用下深部围岩的大变形问题日显突出。
高地应力下地下工程围岩的松动破碎岩体其破坏的主要方式为岩爆和大变形。
围岩的大变形不是瞬间发生的，而是长时间缓慢流变的结果，其中蠕变是流变的主要形式;另一方面，破碎岩体的导水性强，且遇水后力学性质发生弱化。
破碎岩石的含水状态是影响其蠕变力学性质的一个重要因素，随着时间的增加，松散岩体极易产生失稳导致重大工程事故的发生。
因此，含水状态下围岩的长期稳定性及蠕变一渗流祸合作用下采空区上方的地面沉降一直是深部开采中重大的研究课题。
对于岩体变形的时间效应，目前主要集中于干燥状态的蠕变试验研究及特性分析。
A. K. Parkin采用压缩仪研究了粗粒料的流变特性，认为其沉降规律与时间呈对数关系。
沈珠江等对母岩为灰岩的堆石料进行了流变试验研究，提出了堆石料蠕变的三参数模型;程展林等通过试验提出了九参数堆石料蠕变的数学模型及相应的参数指标;粱军等在大型压缩仪上也进行了有关堆石的蠕变试验，得到其蠕变规律随时间呈指数衰减，认为堆石在应力的持续作用下，细化破碎的颗粒滑动充填孔隙是发生蠕变的主要原因。
蒋鹏等在大型万能试验机上对成都地区风干状态的卵石土进行了直剪蠕变试验。
根据蠕变试验结果，分析了卵石土的流变特性和长期强度特征。
王勇对面板坝堆石体的瞬间变形部分采用椭圆一抛物线双屈服面模型来模拟，对堆石体的粘塑性变形部分利用沈珠江的研究成果，用双曲线模型拟合蠕变试验曲线，并利用对Cethana坝的观测资料进行反演分析，得到堆石流变模型的参数。
根据所得模型及参数，进一步分析了面板坝中堆石流变对面板应力变形的影响.郭兴文等粗粒料的瞬间变形采用邓肯一张E-B模型模拟，提出了粗粒料流变的修正三参数模型，并对清江水布娅面板坝进行了有限元分析。
汪明元等综述了粗粒料的流变现状，认为对粗粒料的试验研究不充分，并提出考虑到室内试验的缩尺效应，有必要研究粗粒料变形的微细观机理。
利用破碎岩石渗透特性试验系统，分5级应力水平对粒径为10-15mm的破碎岩石进行了如下5种试验:（1)饱和灰岩的变形时间相关性试验;(2)饱和砂岩的变形时间相关性试验;(3)自然含水砂岩的变形时间相关性试验;(4)饱和砂岩在各级应力水平下的渗流蠕变时间相关性(每一级应力水平下先渗流后蠕变)试验;(5)饱和砂岩在各级应力水平下的蠕变渗流(每一级应力水平下先蠕变后渗流)试验。
得到了孔隙度及其变化率的时间历程曲线、孔隙度与孔隙度变化率的关系曲线、各级应力水平下终点孔隙度与轴向应力的关系曲线、孔隙压力时间历程曲线;分析了岩性、含水状态及渗流对蠕变特性的影响;确定了试验中饱和砂岩蠕变模型的三个参数;并对试验结果及其误差进行了分析，得出以下结论:(a）散体孔隙度的变化率比散体在某个方向的应变率更适合于用以描述散体的蠕变特性。
(b)岩石散体的蠕变特性主要是由当前孔隙度和应力水平决定的，当前孔隙度越大、应力水平越高，孔隙度的变化率就越大。
（c)同一应力水平下，孔隙度的变化率与当前孔隙度之间可用三次多项式拟合;所得孔隙度变化率关于当前孔隙度及应力关系的蠕变方程为研究散体蠕变-渗流的耦合作用提供了一个必不可少的状态方程。
(d)相同应力水平及初始孔隙度下，自然含水状态和饱和含水状态的最终稳定孔隙率有很大差异，饱水砂岩的最终稳定孔隙率明显低于自然含水状态的孔隙率。
这说明破碎岩样与时间有关的变形受含水量的影响是极其明显的。
水极大地增强了岩石的时效性，可以从根本上改变岩石的蠕变性质。
(e)初始孔隙度相同的饱和砂岩与饱和灰岩，因灰岩的单向抗压强度相对砂岩较大，所以相同的应力作用下，灰岩的变形小，其孔隙率相对较高。
(f)每一级相同应力水平下，饱和破碎砂岩先渗流后蠕变试验的终点孔隙率都明显高于先蠕变后渗流的终点孔隙率，可以根据太沙基有效应力原理进行解释。
4.结论岩体流变性质和时效特征是岩石材料的固有力学属性，也是用以解释和分析地质构造运动现象和进行岩体工程长期稳定性预测的重要依据。
（1）岩体时效的影响因素(a)岩石材料本身所具有的粘性性质，如蠕变、松弛、滞后以及弹性后效等。
(b)岩石材料所受到的应力水平和加载方式。
(c)温度、湿度和其他赋存环境。
(2)破碎岩石变形时效性研究(a)破碎岩样与时间有关的变形受含水量的影响是极其明显的，水极大地增强了岩石的时效性。
相同应力水平及初始孔隙度下，自然含水状态和饱和含水状态的最终稳定孔隙率有很大差异，饱水砂岩的最终稳定孔隙率明显低于自然含水状态的孔隙率。
(b)相同的应力水平下，饱和破碎砂岩先渗流后蠕变试验的终点孔隙率都明显高于先蠕变后渗流的终点孔隙率。
参考文献[1] 黄先伍,缪协兴.巷道围岩应力场及变形时效性研究.博士学位论文,2008.10[2] 石文博,张蓓.隧道施工过程中围岩变形时效性研究.硕士学位论文,2012.5[3] 谭鹏,曹平.金川深部巷道变形及支护时效性研究.硕士学位论文,2012.4[4] Parkin A K. Creep of rockfill (Part A). Maranhadas Neves E. Advances in rockfill structure[M].London: Kluwer Academic Publishers,1992. 221-239[5] 沈珠江，左元明.堆石料的流变特性试验研究(A).第6届土力学及基础工程学术会议论文集，上海同济大学出版社，1991: 443-446[6] 蒋鹏，杨淑碧.成都地区卵石土流变特性及长期强度研究[[J].地质灾害与环境保护，1998, 9(1):38-42[ 7] 土勇，殷宗泽.面板坝中堆石流变对面板应力变形的影响分析}J].河海大学学报2000,11(6) : 60-64。
