1绪论
1.1问题的提出
伴随我国经济持续快速堀起，国家的能源需求也日益迫切。由于中国独特的资源禀赋，一直以来，我国的一次能源生产及消费环节中，煤炭占据很大比例[11。2010年国内煤炭产量为32. 4亿吨，2011年达35. 2亿吨，2012年为36. 5亿吨，2013年36. 8亿吨，2014年为38. 7亿吨，一次能源消费的比重为64 %。[2]。近期雾霾天气频发，对民众的出行和健康都造成了很大的影响，一部《穹顶之下》更引爆了网络，引发了对大气污染的全民讨论。近来，国家出台了诸多措施来扶持太阳能、水电、核电等绿色能源，实现国家能源的多样化供应。但不可否认，由于我们国家煤炭具有资源量大、易于运输、价格低廉等特点，在未来较长一段时间，煤炭依旧会是我国能源供给中非常重要的一部分。随着产业的升级改造，煤炭将由原来单纯的燃料向燃料，原料并重的方向发展，未来我国的煤炭需求仍会增加。随着浅部资源逐渐枯竭，煤炭幵采向深部不断挺进，我国已探明煤炭资源占据全世界探明总储量的11.1%，而深部资源储量丰富，其中1千米及更高埋藏深度的资源量为2. 95万亿吨，占我国煤炭资源总量的53%。以目前我国煤炭资源的开采强度和煤炭资源赋存条件，我国煤矿开釆的釆深以每年8-12in的速度不断向深部进军。伴随矿产资源开发强度的增大，未来一段吋期会有更多矿井深入l00m进行资源开釆。
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1.2研究的意义
随着煤炭资源的开采深度越来越深，井下巷道所经受的地应力增强，工程地质条件愈发复杂，抗压强度减小、节理大量发育，软弱而破碎，呈现出明显的非线性软化现象。原有的力学模型的不足显现出来，不能全面得反映围岩的力学状态。针对深部岩体软弱破碎的力学特性，结合弹塑性力学、损伤力学、断裂力学等，在参考有关文献资料的基础上，确定裂隙岩体应变软化损伤本构关系。以VC++为开发工具，基于FLAC3D模拟软件，开发出裂隙岩体应变软化损伤本构模型。通过一个算例，将自定义模型与现有的本构模型进行对比，并分析验证本构模型的合理性，研究影响围岩损伤的主要因素。将自定义本构模型应用到声岭矿-590m大巷中,该大巷受到釆动的影响，软弱破碎严重，围岩稳定性差，支护十分困难。结合工程实际，通过对比不同支护方案下的巷道围岩的位移、应力及塑性区的变化规律，找出最合理的支护方式，为实际的工程实践提供合理的参考。岩体内含有的裂隙数目众多，断裂力学虽然能对裂纹受力时所处的起裂、扩展等状况进行计算描述，但鉴于其庞大的数目，要想分析和描述每条裂隙的应力应变状态并研究其断裂扩展过程的工作量太大几乎不可能完成。因此，仅运断裂力学的知识是不足以解决问题的，需要引入损伤力学理论来从宏观的角度计算模拟裂隙对岩体总体的损伤效果。
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2考虑应变软化效应的裂隙岩体损伤机理研究
2.1裂隙的统计
岩体是由处于某一地质状况中多种岩性和结构特性的岩石构成的集合体，分为结构面及结构面所分割成的结构体[67]。结构面是岩体中具有一定方向、延展较大、厚度较小的面状地质界面，包含物质分界面以及不连续面，例如裂隙、断层、层面及软弱夹层等_。岩体中的结构面削弱了岩体的力学强度，若以损伤力学的视角来看，岩体属于一种具有初始损伤的连续介质。其中的裂隙又称节理，是指岩体受力断裂后，两侧的岩块无明显位移变化的小型断裂构造_。岩体内含有许多裂隙，这些数量众多的裂隙，形成了岩体的初始损伤。要研究裂隙面，首先要确定裂隙面的形状。P.Bankwitz等考虑裂隙面为楠圆；E.F.Glynn等[71]认为是泊桑面；A.M.Robertson等[72~76]以圆盘来描述裂隙面。本文就以圆盘模型来描述结构面，因此，圆盘的直径成为了度量结构面的重要参数。岩体的裂隙纷繁完杂，无法一一列出，在现实中，选取具有代表性的裂隙作为样本进行观测，可以说现场对裂隙的观测就是一个样本釆集的过程。对于具体的裂隙来说，圆盘的直径无法实际测量，就用裂隙面域露头的交线长度即迹长来推算。
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2.2岩石应变软化特性
根据《煤与岩石物理力学性质试验规程》的要求，在RMT岩石力学试验系统上对岩石的力学性质进行测试，系统对测量数据进行记录、整理，得到下图：由上图可发现，在单轴和较小围压作用下，岩石所受压力达到峰值强度后，随着变形的增大，岩石强度值逐渐变小，当强度到达某一水平时即残余强度值，随着变形的增大，岩石强度基本稳定。基于以上分析，并根据实际工程中的应用，可将上图的本构关系进行概化处理，概化后的主要本构关系有理想弹性体、弹脆塑性、应变软化等。下图8显示了 4种基本的简化模型类型。岩石在应力达到峰值强度之后，变形继续增大，但岩石强度迅速降低到一个较低的水平，这种随变形的增大岩石性能劣化的现象称为应变软化f78]。在岩土工程中，工程岩体大多呈现应变软化现象。高应力状态下，岩石塑性破坏严重，变形量大，应变软化现象更为显著。岩石的全过程曲线能较全面地体现岩石的力学特性。可将曲线分为两个部分：弹性特性部分以及塑性特性部分。现有的资料显示：首先，在弹性部分，CT-S为线性关系，裂隙几乎无扩张。其次，在塑性部分，0"-e关系呈现非线性特征，可再细分为脆性部分、软化部分和残余强度部分。岩石脆性部分体现为当应力抵达岩石强度后，岩石的强度快速减小，这个过程变形量很小；在软化部分，岩石强度不断降低，在这个进程中，应变值较大，承载能力不断减弱；残余强度阶段表明岩体在损伤后仍有一定的承载能力。
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3裂隙岩体应变软化损伤本构模型及数值模拟研究........ 22
3.1 FLAC31及计算原理........ 22
3.2应变软化本构模型........ 22
3.3裂隙岩体应变软化损伤本构方程的FLAC3D格式........ 24
3.4自定义本构模型的编写........ 25
3.5本构模型的加载与运行........ 29
3.6裂隙岩体应变软化损伤本构模型的验证........ 30
4釆动影响下的软弱破碎巷道的数值模拟研究........ 39
4.1工程背景 ........39
4.2数值模型的建立........ 41
4.3岩石力学参数的选取........ 41
4.4不同支护方案下数值模拟结果分析........ 42
4.5 软弱破碎巷道围岩稳定性的现场研究........ 56
5.1巷道围岩变形破坏主要原因........56
5.2巷道维护设计方案........ 57
5.3巷道观测方法原理........ 59
5.4巷道观测及分析........ 59
5.5小结 ........63
5软弱破碎巷道围岩稳定性的现场研究
5.1巷道围岩变形破坏主要原因
分析-590m大巷围岩的变形破坏情况和目前的支护治理方案，发现之所以出现较大的变形是受多个因素的共同作用，主要的因素有：-590m大巷在设计时是沿着煤层的走向来布置的，上覆II927工作面的机巷在布置时也与-590m大巷大体上保持平行。-590in大巷与机巷这两条巷道垂直方向高度差距在60~100m左右，水平间距离大约在15~60m范围内。当II927工作面开始釆动时，沿工作面的走向和倾向都会出现支撑压力增高区，在局部可能会出现增高区的重合。产生应力集中现象。伴随着工作面的持续推进，这用应力变化会一直对下方的-590m大巷产生影响。现在的支护方式也存在不足，目前的支护方案是利用U29型钢棚进行维护。由于主要依靠钢棚支护，没有改善围岩的状况，受到水、高温等的影响，钢棚腐烛明显，使得支护强度降低，围岩的稳定性维护难度加大。
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结论
本文针对软弱破碎巷道围岩的力学特性，考虑到裂隙的存在，对岩石的强度参数和变形模量都产生了劣化作用，将应变软化模型和裂隙损伤模型相结合，开发出考虑应变软化效应的裂隙岩体损伤本构模型，通过调用自定义本构模型对巷道围岩的变形及破坏进行了分析研究，总结影响巷道围岩变形破坏的主要因素。以芦岭矿为-590大巷为背景，研究了不同支护方式下，软弱破碎巷道围岩的稳定性。将理论分析和数值模拟的成果，应用到工程实践中，有如下结论得出；
1)以损伤力学及断裂力学为基础，将原生裂隙看作是初始损伤，将裂隙的扩展看作是损伤的演化。考虑应变软化效应下，原生裂隙及其演化对岩体的损伤作用，及其发生扩展后损伤的演化，得到裂隙岩体硬变软化损伤本构方程。
2)以VC++为开发平台，利用FLAC3D的二次开发功能，将裂隙岩体应变软化损伤本构方程代码化，幵发出了裂隙岩体应变软化损伤本构模型。通过对一个圆形巷道进行模拟，分析它的位移、塑性区、安全度的分布规律，表明裂隙岩体应变软化损伤模型能反映出裂隙存在对岩体力学性质的劣化作用。探讨了裂隙参数对对最后模拟结果的影响规律。发现，存在一个最不利裂隙倾角，在该角度下围岩位移最大，破坏也最严重。伴随裂隙长度的加大，围岩的位移和塑性区有明显的增大。
3)利用开发的本构模型对芦岭矿受釆动影响下的-59大巷进行数值模拟，分析研宂了在不同的支护方式下，围岩的位移、应力、塑性区的变化规律。通过比较，找出最佳支护方式，为维护围岩的稳定性提供科学合理的建议。
4)釆用设计好的支护方案对巷道进行支护，深入现场，实际测量芦岭矿-590大巷的位移变化，结果表明，现有方案支护后，有效地控制了岩体的变形破坏，维护了巷道的稳定性，验证了支护方案的可行性；促进了煤矿的安全生产。
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参考文献（略）