[发明专利]一种岩石弹蠕模量及其确定方法

说明书

本发明提供一种岩石弹蠕模量及其确定方法，弹蠕模量是基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型中弹性阶段1与塑性硬化阶段2的替代直线段5的斜率；大量实验表明，对于某一具体的岩石，在基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型中，弹性阶段1和塑性硬化阶段2的斜率非常接近，故可近似将该两段直线用线段5替代；因2阶段在发生稳定蠕变前后应力状态可视为不变，而稳定蠕变发生前的围岩变形属快速加载情况下的弹性变形，故整个2阶段的应力状态可按弹性理论计算，并且可用弹蠕模量作为计算用的弹性模量。该方法可大幅简化地下岩石工程中巷道围岩的变形分析及围岩支护的量化研究工作，且误差较小。

技术领域

本发明涉及煤矿巷道支护技术领域，具体涉及一种岩石弹蠕模量及其确定方法。

背景技术

岩石的弹性模量一直是煤矿巷道支护设计的重要参数依据，长期以来，用于围岩变形与受力计算用的弹性模量都是对应于单一岩石试件在快速加载作用下获得的岩石全应力——应变曲线的峰值点的割线弹性模量，显然这种方法得到的弹性模量并没有考虑实际煤矿巷道围岩中岩石的蠕变特性，从而使得巷道具体支护参数的计算结果与实际存在较大误差，这也是时至今日，煤矿软岩巷道偏帮、冒顶、断面大幅减小、严重底鼓等现象仍然普遍存在于我国煤矿开采之中的重要原因之一。由此可见，以往使用的弹性模量事实上并不适用于发生有蠕变情况的巷道围岩。

因此，需要提供一种新的基础参数的计算方法，使得以其为计算依据获得的煤矿巷道相关支护参数数值更加符合实际巷道围岩的受力与变形情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种岩石弹蠕模量的确定方法，使用岩石的弹蠕模量替代原始的弹性模量进行具体巷道围岩的变形分析计算，简化煤矿巷道围岩支护的量化分析过程和难度，计算方法简便且误差小。

本发明实现发明目的采用如下技术方案：

一种岩石弹蠕模量的确定方法，所述弹蠕模量是基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型中弹性阶段与塑性硬化阶段的替代直线段的斜率；所述替代直线段为图1中的线段OC，所述O点为坐标原点，所述C点为稳定蠕变上阈值点，大量实验表明，对于某一具体的岩石，在所述的基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型中，弹性阶段的线段OE和塑性硬化阶段的线段EC的斜率非常接近，故可近似将该两段直线用线段OC替代，因所述塑性硬化阶段EC段在发生稳定蠕变前后的应力状态可视为不变，而稳定蠕变发生前的围岩变形属快速加载情况下的弹性变形，故整个EC阶段的应力状态可按照弹性理论进行计算，并且可用弹蠕模量作为计算用的弹性模量。因此，塑性硬化阶段的应力状态完全可按照弹性理论进行计算，并且可用弹蠕模量作为计算用的弹性模量。若将弹蠕模量用E_ec表示，则其计算公式可用公式E_ec＝(σ₁)_ec/(ε₁)_ec表示。式中，(σ₁)_ec是围岩稳定蠕变上阈值，MPa；(ε₁)_ec是围岩稳定蠕变上阈值对应的环向应变值；两者均可依据实验室试验获得。

作为优选，本发明提供的一种岩石弹蠕模量的确定方法，所述的基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型表现为图1所示的4个阶段，即OE、EC、CB、BA4个阶段，其中OE表示弹性阶段，EC表示塑性硬化阶段(稳定蠕变阶段)，CB表示塑性软化阶段(非稳定蠕变阶段及岩石剧烈破坏阶段)，BA表示塑性流动阶段(裂隙已经贯通，岩块错动变形阶段)。

作为优选，本发明提供的一种岩石弹蠕模量的确定方法，所述的实用围岩3阶段应变软化模型是由所述的基于蠕变前提的围岩4阶段应变软化模型简化得到的，由于如图1所示的直线段OE和EB与直线段OC非常贴近，完全可以用直线段OC替代直线段OE和EC，以此简化围岩变形分区的理论计算；该模型具体表现为OC、CB、BA 3个阶段，其中，OC为弹性阶段的线段OE和塑性硬化阶段的线段EC的近似替代线段，CB表示塑性软化阶段(非稳定蠕变阶段及岩石剧烈破坏阶段)，BA表示塑性流动阶段(裂隙已经贯通，岩块错动变形阶段)。