圆弧拱形巷道断面积的计算方法

煤矿开拓与准备巷道采用砌(石旋)或U形钢支护时,断面形状有半圆拱形、三心拱形和圆弧(即切圆)拱形三种,巷道断面形状的选择除了以围岩应力分布状态和支架强度的计算作为主要依据外,对于可以采用圆弧拱形的巷道,还存在着如何有效地利用断面面积,以及在保证必需的面积时如何节省支护材料的问题,特别是对采用U形钢支护的巷道,由于钢材价格昂贵,节省支护材料用量的经济效果更为显著。为此,提出圆弧拱巷道断面的计算方法,供选择巷道断面和确定支架定型系列时参考。     

基于复变函数理论的巷道围岩稳定性分析

针对双向不等压直墙半圆拱形巷道围岩塑性区的解析问题,基于Mohr-Coulomb强度准则,通过复变函数中的保角变换的方法将物理平面非圆形弹性区域映射到像平面的单位圆外域进行求解,将确定弹塑性区的交界问题转化为映射函数系数的求解问题。得到巷道围岩应力复变函数解以及巷道围岩塑性区的范围,并通过FLAC^3D数值模拟的手段对理论计算的准确性进行验证分析。研究结果表明：通过复变函数理论能够较为准确地得到直墙半圆拱形巷道塑性区范围的理论计算公式,结合公式可以发现影响直墙半圆拱形巷道围岩塑性区发育的影响因素为巷道断面尺寸（包括巷道宽度,直墙高度以及拱高）、垂直应力、侧压系数、黏聚力以及内摩擦角的大小,将理论应用于工程实例计算分析,采用单因素分析的方法对黏聚力和内摩擦角进行数值模拟分析,提取数值模拟试验的数据,对理论计算和数值模拟水平方向塑性区受黏聚力和内摩擦角影响的范围进行对比和分析。可以得出虽然理论计算与数值模拟的结果存在误差,但已能反映直墙半圆拱形巷道围岩塑性区分布情况,通过研究还发现,当黏聚力和内摩擦角比较小时,巷道呈现“X”形破坏,当黏聚力和内摩擦角增大时,巷道呈现类似...     

基于复变函数法的“三软”煤层回采巷道断面设计

针对"三软"煤层回采巷道维护、替棚困难,以邹庄矿3204工作面为工程背景,提出平顶U形断面巷道设计。应用复变函数法得出了任意断面巷道围岩应力的解析表达式,给出了矩形、梯形和平顶U形巷道围岩应力分布图。应力分布规律表明,平顶U形巷道围岩应力较矩形和梯形巷道更小,更适合"三软"煤层回采巷道采用。现场实测表明:采用平顶U形断面巷道设计,巷道两帮最大移近量为312mm、顶底板最大移近量为267mm,巷道围岩变形得到了有效控制。     

基于共形映射的裂缝井流动问题研究

随着人们对能源需求的日益迫切,更要求对油气田进行高效合理的开发。面对低渗透、高含水、非常规等越来越复杂的渗流问题,应该通过加强对渗流基础求解方法的研究,推动渗流、试井、数模等手段的革新,从而大大提升油气田开发计算问题的速度和精度。共形映射能够将复杂区域(坐标平面)上的工程问题转换到简单区域(坐标平面)上去讨论,从而大大降低了问题的难度。本文运用共形映射的相关理论,针对裂缝井的渗流问题,从流场分布的角度研究了映射前后流线和等势线的对应情况,并且用两种变换方法分别求解得出了裂缝井的产量,两种计算结果一致,验证了求解的正确性。裂缝井流动问题的研究也能为水平井多级压裂、体积压裂等复杂流场下的产能计算提供参考。     

基于ABAQUS数值模拟的采区巷道断面形状优化研究

 选取矩形、梯形、直墙半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、直墙半圆加反拱形6种常用采区巷道断面形状进行数值模拟分析,研究不同巷道断面形状开挖后位移分布,分析表明直墙半圆拱形巷道变形量最小,且加设反拱后对于减少底臌量效果明显。选取矩形和直墙半圆拱形断面作为代表断面,分析不同埋深H及侧压力系数λ对采区巷道变形特征、围岩应力影响。在此类围岩条件下,当采区巷道埋深小于400 m、侧压力系数小于1.6时,矩形巷道和直墙半圆拱形巷道围岩变形量差距较小,此时可以选择矩形巷道断面以满足经济性要求。     

煤矿大断面托顶煤巷道变形机理及控制技术研究

为了解决煤矿大断面托顶煤回采巷道支护问题,以王庄煤矿7105工作面运输巷为工程背景,通过数值模拟分析了大断面托顶煤巷道裸巷平衡时围岩塑性区形态、位移及应力演化规律;基于普氏自然平衡拱理论,建立了两帮稳定时大断面托顶煤巷道顶板冒落拱力学模型,通过数学计算得到了分层冒落拱高度,运用两帮塑性区力学模型计算托顶煤巷道帮部塑性区宽度,结合数值模拟方法,设计了锚杆锚索联合支护参数和支护方案,并应用于工程实践。研究结果表明:巷道周边出现"蛙形"塑性区,顶板拉伸破坏区呈规则穹隆形,与巷道顶板普氏拱效应相吻合,托顶煤离层严重,冒落拱高度超过托顶煤厚度;两帮在该工况下塑性区发展有限,帮部较为稳定;在厚顶煤存在情况下,大断面托顶煤巷道变形特点是顶板最大,帮部次之,底板最小。现场监测结果证明,借助大断面托顶煤巷道顶板冒落拱力学模型、两帮塑性区力学模型理论计算,结合数值模拟比选的巷道锚杆支护参数和支护方案,能有效控制围岩变形,保持巷道稳定。     

经济巷道断面形状设计初探

本文以巷道净宽Ｂ＝ｆ（ｈ３）为基础，用求极值法，求解半圆拱形巷道经济断面形状及其应用，得出运输巷道、通风巷道及支护长度最短巷道经济断面参数确定的计算式。结合煤矿生产实际，提出了巷道断面形状的选择意见。     

经济巷道断面形状设计初探

本文以巷道净宽Ｂ＝ｆ（ｈ３）为基础，用求极值法，求解半圆拱形巷道经济断面形状及其应用，得出运输巷道、通风巷道及支护长度最短巷道经济断面参数确定的计算式。结合煤矿生产实际，提出了巷道断面形状的选择意见。     

复杂应力环境下开采扰动区巷道失稳分析与加固方案

复杂应力环境下大断面巷道开挖必然形成开采扰动区,其围岩介质的变形与失稳行为及过程很复杂,主要涉及到围岩力学性态及强度劣化特征、顶部岩层非稳态下沉与水平挤压变形耦合作用诱致动力失稳、深层围岩离层演化至局部冒落失稳。通过对羊场湾煤矿开采扰动区失稳巷道进行全面的工程地质调查,结合现场围岩变形、应力监测,对冒落区段巷道进行了加固治理,其技术方法对类似工程条件下的失稳巷道加固具有一定的指导意义。     

井巷中巷道的断面设计与支护

巷道断面的设计与支护是煤矿生产中很重要的一个环节,合理有效的巷道断面不仅要充分考虑围岩的力学特性,同时还应兼顾支护材料的力学性质。梯形、圆形、圆弧拱形、半圆拱形等巷道断面广泛应用于煤矿巷道断面设计中,工字钢、U型钢、锚杆、锚喷等支护方式在巷道支护中起了不可替代的作用,不同的巷道断面需要不同的支护方式,正确地科学地设计巷道断面和其支护方式对生产以及后续的维护工作有着重大的意义。     

基于张量坐标转换的矿山巷道三维建模算法

巷道三维建模对实现矿山数字化、信息化及智能化意义重大。考虑巷道断面特征节点坐标计算常受限于坐标系的选择,引入张量运算法则,确定笛卡尔新旧坐标系转换关系。通过细化任意三心拱巷道断面特征节点,并利用断面底板中点及断面参数建立巷道三维建模算法。利用包含张量计算模块的Python语言编译计算代码,并导入以Python为脚本语言的开源动画软件Blender,实现了基于该算法的巷道三维可视化。结果表明,该算法可实现巷道断面特征节点的精确计算,并可快速建立任意方位巷道,且适用于圆弧巷道及交叉巷道的圆滑处理,对智慧矿山巷道特征提取具有一定的借鉴意义。     

开滦范各庄矿巷道断面优化与支护效果分析

针对范各庄矿2429煤巷巷道变形严重,影响矿井安全高效生产的问题,分析了影响该巷道稳定性的因素,研究从巷道断面优化入手,结合范各庄矿2429煤巷巷道的围岩力学性质,运用FLAC3D数值模拟,建立计算模型,将圆角矩形巷道断面替代原来的直角矩形断面。通过对巷道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分析对比,提出了锚网索支护,并进行现场的数据分析观测。得出了将巷道断面优化后,并采用合理的支护方式,巷道的力学效果大为改观。     

巷道断面对东胜矿区侏罗纪4~#煤层掘进巷道稳定性的影响

针对东胜矿区侏罗纪4~#煤层掘进巷道在普通锚网索支护条件下需留顶、底煤以维护巷道稳定性等难题,以双欣煤矿414108工作面辅助运输巷为工程背景,综合运用理论分析、数值模拟及现场实测等方法,研究分析原断面方案下巷道围岩失稳冒落原因,确定了以断面形式计算合理的断面参数来解决掘进巷道冒落问题。结果表明:不同巷道断面的变形情况均表现为极速变化-缓慢变化-趋于平稳的变化过程,直墙半圆拱形巷道较原矩形巷道围岩变形量减小,在冒落区将巷道断面改为拱形断面可提高围岩的长期稳定性。     

基于复变函数不同形状的巷道围岩应力分析

深埋巷道开挖后围岩应力重新分布,影响巷道稳定。因此分析巷道围岩二次应力分布状态对于评估围岩稳定性或设计支护参数具有重要意义。目前岩石力学相关理论中讨论了圆形巷道、椭圆形巷道和矩形巷道二次应力弹性分布特征,缺乏对六边形巷道的分析。本文从弹性力学的孔口问题为切入点,基于复变函数理论,通过保角变换将矩形、六边形巷道转化为单位圆,结合弹性力学理论建立了矩形、六边形巷道围岩分析的力学模型,并分析得到巷道围岩应力分布的解析解。将解析结果与数模拟分析结果对比可知,相同结构巷道围岩二次应力分布一致且大小基本相同,就应力集中情况而言,六边形巷道优于矩形巷道。     

王庄煤矿1304工作面顺槽锚杆支护稳定性分析

在现场实测围岩位移与收敛的基础上,采用相似模拟试验与边界单元数值计算方法,分析了顺槽全锚支护的稳定性问题。首先现场实测巷道开挖后围岩的位移与收敛值;然后利用位移反分析原理确定初始应力与围岩变形模量等参数,根据边界单元法数值分析结果确定围岩松动圈范围,利用全长锚固原理设计锚杆参数;再通过相似模拟试验模拟巷道支护后围岩变形情况,对锚杆支护顺槽围岩稳定性进行分析。     

基于约束收敛法的Hoek-Brown岩体巷道大变形分析

轴对称圆形巷道的弹塑性理论分析是深部软岩巷道施工过程的基础问题和重要问题。基于约束收敛法、有限变形次弹塑性理论、Hoek-Brown破坏准则、应变软化本构模型等基本理论,开展了深埋软弱围岩圆形巷道开挖诱致挤压大变形现象的基础研究。在相关大变形研究的基础上,以巷道开挖后围岩脆塑性解析解来表征岩体应变软化区划分圆环岩体响应解析解的方法,简述Hoek-Brown岩体深埋软岩巷道围岩各分区应力与变形解析解求解思路。通过现场监测数据和不同力学模型的计算结果分别进行模型有效性对比验证,并对m、s、a等岩体强度相关参数进行了影响分析。基于大变形和小变形理论下围岩特征曲线差别,提出软弱破碎岩体的支护建议,为深部不利赋存条件下软弱围岩支护工程设计提供理论分析手段和指导。     

基于BP网络的采矿巷道围岩力学参数反分析

为较理想地处理巷道的收敛变形与围岩力学间的复杂非线性关系,应用反分析方法研究了大冶铁矿龙洞-74 m水平采矿巷道的围岩力学参数.首先应用正交试验理论确定有限元正分析的围岩力学参数取值样本,运用2D-Sigma有限元软件计算巷道的收敛变形值;然后将有限元计算位移值作为输入样本,相应的围岩力学参数作为输出样本训练BP神经网络;再将实测位移带入训练好的神经网络反分析得到相应围岩力学参数,以此围岩力学参数作为二次正分析的计算参数进行有限元计算,并比较分析位移计算值与实测值的误差.结果表明,采用该方法获取围岩力学参数是可行的,其结果符合工程实际要求.     

超千米深部全断面岩石掘进机卡机机理

为了解决超千米深井巷道建设面临的严峻挑战,拟将全断面岩石隧道掘进机（TBM）在解决关键岩石力学问题和机械制造问题的基础上加以改进引入到超千米深井巷道建设。然而深部高应力挤压变形将导致TBM的护盾极易被卡塞。揭示了TBM的卡机机理：当护盾周围围岩变形量超过开挖预留的变形量,围岩开始与护盾接触并挤压护盾,进而在TBM推进时围岩对护盾产生摩擦阻力,当TBM推力无法克服围岩对护盾产生的摩擦阻力时,便导致TBM护盾被卡。提出了相应的卡机状态判据。提出了判断护盾被卡状态的理论计算方法及过程：考虑工作面空间效应,基于Hoek-Brown准则研究了护盾周围围岩收敛变形沿巷道轴向的变化规律,计算出作用在护盾上的围岩压力,进而计算围岩对护盾的摩擦阻力,最后根据卡机状态判据判断护盾是否被卡。     

综放工作面大断面沿顶巷道支护设计优化研究

针对古城煤矿巷道断面面积不断增加和矿井地质情况复杂变化的问题,提出合理的巷道支护方案设计。以S1301运输巷道为工程背景,运用理论分析的方法建立巷道锚固承载体的力学模型。然后,提出合理的巷道支护参数,并通过相似模拟实验验证其合理性。最终,在现场监测中得出巷道支护方案设计较为合理,巷道变形量在允许范围内,保证矿井正常生产。     

大断面巷道开挖稳定性分析与支护研究

根据某煤矿复杂地质条件下,针对大断面硐室开挖之后拱顶下沉严重、两帮收敛位移较大、底鼓明显的问题进行了分析,提出了关键部位特殊加固+锚杆补强+长短锚杆+锚网喷的加固方式,并通过对巷道关键部位位移变化量、塑性区面积变化及顶板离层数据证明了加固措施的的有效性,指导了现场施工。