【摘 要】
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马头门位处矿井咽喉部位,其断面大、结构复杂、服务年限长,在施工过程中,围岩反复受到施工扰动,造成马头门及其上下连接段井壁变形破坏的现象时有发生,严重威胁矿井生产安全。论文以袁店二矿西风井马头门为工程背景,采用室内试验、理论分析、相似模型试验与数值模拟相结合的方法,开展煤矿立井马头门施工围岩应力场时空演化规律及围岩历时稳定性研究,旨在为今后煤矿立井马头门科学设计,以及安全施工与运行提供理论支撑。论文
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马头门位处矿井咽喉部位,其断面大、结构复杂、服务年限长,在施工过程中,围岩反复受到施工扰动,造成马头门及其上下连接段井壁变形破坏的现象时有发生,严重威胁矿井生产安全。论文以袁店二矿西风井马头门为工程背景,采用室内试验、理论分析、相似模型试验与数值模拟相结合的方法,开展煤矿立井马头门施工围岩应力场时空演化规律及围岩历时稳定性研究,旨在为今后煤矿立井马头门科学设计,以及安全施工与运行提供理论支撑。论文完成的主要研究工作和成果如下:（1）通过粉砂岩的室内物理力学试验、常规三轴压缩试验获得了不同应力状态下的峰值强度、弹性模量、粘聚力及内摩擦角等强度参数,揭示了粉砂岩在常规三轴压缩试验中的能量演化与变形破坏机理。（2）基于巷道围岩开挖过程中应力的实际调整路径设定试验加载方式,开展了粉砂岩在不同初始围压下的加轴压分级卸围压蠕变试验,系统分析了粉砂岩在不同围压下的蠕变特性。试验结果表明:当应力水平低于粉砂岩长期强度时,其蠕变只表现出衰减和稳态2个蠕变阶段,且稳态蠕变速率接近0;随着围压的逐级卸除,稳态蠕变速率逐渐增大至大于0的常数;当应力水平高于其准破坏应力时,试样进入非线性加速蠕变阶段,发生蠕变破坏;粉砂岩在三种不同初始围压下的长期强度约为其对应蠕变破坏强度的70%左右。（3）基于广义开尔文模型结合分数阶理论,引入带屈服极限的分数阶黏塑性体,构建了可描述粉砂岩全过程蠕变特征的分数阶黏弹塑性蠕变模型。根据相关连流动法则将模型推广到三维应力状态,提出简单易行的参数辨识方法,根据粉砂岩三轴压缩分级卸荷蠕变试验曲线对模型参数进行辨识,并通过与西原模型对比及偏差分析验证了该模型的合理性。（4）开展了煤矿立井马头门施工围岩应力响应规律的三维相似模型试验研究。结果表明:马头门底板以下浅部围岩受到拉应力的作用,深部围岩受到压应力的作用,马头门顶板以上围岩均受到压应力的作用;马头门巷道顶底板围岩应力在立井和马头门巷道开挖与支护过程中逐渐释放,底板围岩中的应力释放较为明显,当底板围岩应力减小量达到上部油缸施加的荷载时逐渐趋于稳定,顶板围岩应力释放率为25%～40%左右。（5）研究了分数阶黏弹塑性蠕变模型在FLAC 3D中的自定义过程,推导出分数阶黏弹塑性蠕变模型的三维有限差分形式,基于Visual studio 2010平台,利用C++语言对自定义蠕变模型进行编译,生成动态链接库文件（.dll）并嵌入到大型有限差分软件FLAC 3D中完成对分数阶黏弹塑性蠕变模型的二次开发,最后通过三轴压缩分级卸荷蠕变实例,验证了二次开发的准确性。（6）以袁店二矿西风井马头门为工程原型,利用FLAC 3D软件建立考虑蠕变效应的煤矿立井马头门三维数值计算模型,调用粉砂岩的分数阶黏弹塑性蠕变模型进行计算,分析了煤矿立井马头门施工围岩的历时稳定性,揭示了马头门围岩位移场、应力场及塑性区分布,以及煤矿立井马头门围岩“历时三区转化”规律,数值计算表明二次支护的合理时间为开挖完成之后的35天左右。（7）提出了煤矿立井马头门围岩历时稳定性评价方法。即运用Lambe应力路径法与主应力空间法,分别分析围岩的二维与三维应力重分布路径,根据围岩的二维与三维应力重分布路径分别建立二维与三维安全系数,进而对马头门的围岩稳定性进行评价。图[139]表[34]参[178]
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