深部巷道开挖应力演化特征分析

深部高地应力赋存条件下,巷道开挖使围岩的应力受到扰动而重新分布,围岩应力的 变化会导致岩体破坏和损伤,甚至造成巷道的整体失稳。为研究全断面法、台阶法2 种不同开挖 方法下,围岩掌子面轴心、顶底板、边墙、拱肩等关键点位的应力演化规律,依托某煤矿巷道, 运用FLAC3D软件进行数值模拟,定量分析了2种不同开挖方法下关键点位应力大小及应力方向的演 化特征。研究表明：对于2种开挖方法,开挖后各主应力大小趋于稳定时差别较小;对于参考面轴 心监测点,全断面法开挖时最小主应力旋转成平行巷道轴线方向,受下台阶的影响,台阶法开挖 最小主应力最终旋转成竖直方向;对于边墙、拱肩、拱顶、底板、底角等其他关键监测点,最终 的应力状态相差不大,但应力演化路径相差显著,破坏机理也不同;与全断面法开挖相比台阶法 开挖下巷道底板位置处塑性区体积明显偏小,下台阶对底板围岩具有一定的保护作用。深入研究 应力变化对围岩稳定的影响对理论和工程研究具有重要意义,为开展室内实验以及现场工业实验 提供依据。     

西鞍山铁矿深部立井围岩稳定性数值模拟分析

针对西鞍山铁矿辅助井开挖诱致井筒围岩变形破坏问题,以700～1 000 m深度范围辅助井掘进为依托,运用FLAC3D有限差分模拟软件对竖井开挖过程进行了三维数值分析,阐明了不同深度辅助井开挖诱致井筒围岩变形破坏演化特征,揭示了辅助井掘进过程井筒掘进工作面支护效应下围岩应力及位移释放规律,分析获得了辅助井掘进诱致井筒围岩弹性应变能积聚、迁移与释放演化机理。研究表明：在辅助井开挖过程中,井筒围岩塑性区破坏方式以剪切破坏为主,塑性区范围随着竖井掘进深部的增加不断增加,且最大主应力峰值位置位于井筒围岩弹、塑性区交界处;井筒围岩径向位移随深度呈线性增加,最大径向位移值为90.64 mm,且最小水平主应力方向围岩位移大于最大水平主应力方向;随着竖井掘进深度增加,井筒掘进工作面以上距其2 m位置井筒围岩应力释放率达到95%,且井筒围岩径向位移随距井筒掘进工作面距离增加呈非线性增加,并在距井筒掘进工作面24 m处径向位移达到最大;受开挖扰动影响,井筒围岩弹性应变能密度呈非线性增加,并根据岩爆判据预测竖井掘进至1 050 m处井筒围岩存在岩爆发生可能性。     

深部高应力软岩巷道断面形状优化设计数值模拟研究

选取矩形、梯形、直墙拱形、马蹄形、椭圆形和圆形等共6种不同断面形状的巷道进行优化研究,基于FLAC3D模拟研究了这6种典型巷道开挖后的巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布规律,分析了不同侧压力系数对它们的影响。数值模拟结果表明,巷道断面形状对高应力巷道围岩变形特征及围岩塑性区分布影响较大;根据侧压力系数的大小及主应力方向,圆形、椭圆形为深部高应力巷道最优断面形状,选择圆形、椭圆形巷道可改善巷道围岩应力状态,降低围岩变形量,减少围岩塑性区损伤破坏范围,有利于深部高应力软岩巷道的长期稳定。     

等效断面支护原理与其应用

围岩自承载能力的利用对于井工巷道的支护起到关键作用。在加固拱理论基础上,结合轴变论得出的巷道围岩自组织平衡过程中巷道断面轴比的演变特征,提出等效断面支护原理。认为人工支护的目的是促使围岩内部形成具有一定轴比的"椭圆状"自承载结构,且将真实承受外部载荷作用的承载结构的剖面中心线构成的曲面称之为等效断面;借助弹性力学对巷道围岩进行建模,分析了巷道围岩内部形成的等效断面边界的受力响应特征,得到了巷道所在区域内水平主应力与垂直主应力的比值(λ)与巷道围岩内部形成的等效断面的轴比(k)之间理论关系的表达方程;分析认为,当等效断面("椭圆状"承载结构)的轴比(k)与巷道所在地质区域内水平主应力与垂直应力的比值(λ)接近或者相等时,等效断面上的应力最小且均匀分布,可以使该等效断面内巷道围岩处于低位应力环境中;最后运用等效断面支护原理对山西某矿四采区胶轮车巷道支护设计进行有效性评价,且理论分析结果和现场具有良好的对应性。等效断面支护原理可以对现有的支护方法进行重新解构和分析,为巷道支护设计参数的选取提供半定量化的理论支撑:①在保证巷道功能性的基础上尽量将巷道断面的最大内切椭圆的轴比设计为巷道所在区域地应力场条件下椭圆的最佳轴比(k=λ);②高度重视锚杆(索)预紧力的施加等级,在巷道内断面端角部位补打锚杆(索)来维持顶板与两帮的应力扩散范围的联通,形成完整的应力椭圆;③围岩破碎条件下的巷道在掘进过程中要及时一次支护,后续进行注浆加固,然后再次对围岩施加预紧力;④巷道在应力较大且特殊地质条件下采取全断面支护,封闭式的全断面支护有利于促使巷道围岩内部形成完整的应力椭圆承载结构(等效断面)。     

深部大断面硐室围岩应力演化及变形破坏规律研究

针对深部大断面硐室围岩变形机理复杂的难题,以葛亭煤矿230采区扩容泵房的地质条件为背景,运用FLAC3D数值模拟软件分析了采动过程中深部大断面硐室围岩应力演化及变形破坏规律。研究表明:硐室开挖后水平应力主要集中在巷道的顶底板部位,而在拱角和巷帮位置处垂直应力集中现象比较明显;在掘进面后方,巷帮处的水平应力及顶底板处的垂直应力逐步向硐室方向释放,且随着时间的增加,降低的程度及范围进一步加大,但降低梯度逐渐变缓最后趋于稳定。     

深部大断面硐室围岩应力演化及变形破坏规律研究

针对深部大断面硐室围岩变形机理复杂的难题,以葛亭煤矿230采区扩容泵房的地质条件为背景,运用FLAC~(3D)数值模拟软件分析了采动过程中深部大断面硐室围岩应力演化及变形破坏规律。研究表明:硐室开挖后水平应力主要集中在巷道的顶底板部位,而在拱角和巷帮位置处垂直应力集中现象比较明显;在掘进面后方,巷帮处的水平应力及顶底板处的垂直应力逐步向硐室方向释放,且随着时间的增加,降低的程度及范围进一步加大,但降低梯度逐渐变缓最后趋于稳定。     

深部超大断面硐室群围岩变形破裂演化规律试验研究

深部超大断面硐室群因初始地应力高、断面尺寸大、硐室间距小等原因,控制难度很大。本文采用相似材料试验方法,以龙固煤矿井下煤矸分离系统硐室群为背景,设置3条超大断面硐室,利用数字散斑测试系统、声发射监测技术、应力监测系统等进行综合监测,得到深部超大断面硐室群围岩变形破裂演化规律。结果表明:单一超大断面硐室开挖后围岩整体变形较小且呈对称分布,裂隙发育较少;相邻硐室开挖导致围岩变形呈非对称性,裂隙发育明显增多。上部硐室开挖后其围岩变形以底鼓和两帮收敛为主,下部硐室围岩应力集中和变形均有较大幅度减小,即对下部围岩应力集中起卸载作用,有条件时硐室群应优选"品"字形布置以有利于维护。硐室群开挖前后锚杆受力变化与围岩应力、变形近似呈正相关关系,不同部位受力差别较大,应根据硐室群不同部位特点针对性设计支护参数。本研究揭示了深部超大断面硐室群围岩破裂演化规律,可为其围岩控制设计提供参考。     

真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为试验研究

借助于多功能真三轴流固耦合试验系统,基于深部初始高地应力状态还原思路,对砂岩进行了不同应力路径、不同模拟深度下的真三轴正交力学试验,获得了真三轴不同工况下砂岩变形全过程应力-应变曲线,深入分析了砂岩在Z,Y,X三个方向上的渐进变形演化规律,表征了真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为演化特征,较好地反映了与之相对应的深部矿井巷道开挖后围岩的渐进变形演化特征及其渐进破坏力学机制。研究结果表明:①同一应力路径、不同模拟深度下的砂岩峰值强度随模拟深度的增加而不断增大,这表明深部效应对砂岩强度演化规律存在显著影响;②同一模拟深度、不同应力路径下的砂岩Z向主应变随Z向主应力的增大而不断增加,X向主应变却是随Z向主应力的增大而不断减小,这表明应力加载路径是影响砂岩X方向与Z方向渐进变形破坏机制的一大因素;③路径2与路径3下的砂岩Y向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,而路径1下的砂岩Y向主应变却是随着模拟深度的增加呈现出先增大后减小的渐变规律,这说明应力卸载程度会显著影响砂岩Y方向的渐进变形特征。另外,不同应力路径下的砂岩X向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,深部效应显著。     

深部高应力大断面煤巷围岩控制技术研究

某矿1305工作面埋深超过850 m,工作面上、下平巷支护困难,在综合分析深部高应力、大断面、软弱厚顶煤复杂巷道围岩条件下地应力场分布规律基础上,通过FLAC3D数值模拟研究了高应力大断面厚顶煤巷道围岩变形破坏机理,提出了高预紧力支护、斜拉锚索顶板控制、两帮加强控制等围岩稳定性原理,为该条件下煤巷支护提供了理论依据。     

基于应力椭圆的巷道变形破裂特征及优化布置

原岩应力是影响巷道围岩稳定的决定因素,通过选择合理的巷道布置方式,改善巷道横断面应力分布状态,是解决巷道围岩变形破裂问题的关键所在.采用理论分析方法得到了表征巷道断面应力分布的应力椭圆表达式,并利用FLAC3D数值模拟软件,分析了不同巷道布置情况下,围岩变形破裂特征与应力椭圆的关系.研究结果表明:巷道断面应力椭圆大小和分布随其走向不同存在显著差异,应力椭圆越大,巷道开挖后应力集中越明显;随着巷道断面主应力和的增大,巷道围岩变形和破坏范围也随之增大,且破坏主要发生在垂直最大主应力方向上,因此,最优的巷道布置方式应使应力椭圆最小.在平顶山十二矿井下进行原岩应力、巷道变形和松动圈实测,验证了理论分析和数值模拟结果.     

基于数字散斑技术的深部巷道围岩岩爆倾向相似材料试验研究

借助数字散斑观测技术,采用相似材料模拟方法通过对深部岩巷开挖过程中围岩应力演化特征、变形破坏规律的分析,揭示了深部岩巷围岩稳定性控制机理。分析不同支护作用下开挖速度影响的围岩变形破坏规律,寻求岩爆发生与深部岩巷变形破坏的内在联系。分析实验结果得如下规律：开挖速度加快后,围岩变形塑性区逐渐扩大,深部岩巷岩爆倾向和围岩破坏程度逐渐增大;弱锚网支护对围岩变形有一定的控制作用,强锚网对围岩支护作用明显,支护强度提高,深部岩巷抵抗塑性变形的能力增强,整体变形减小、围岩稳定性提高。     

巷道埋深对大断面巷道围岩变形及应力分布规律影响

针对断面大巷道难以支护、巷道变形严重等特点，采用三轴压缩试验和巴西劈裂试验对巷道围岩力学参数进行测试，利用数值模拟分析了大断面巷道围岩变形及应力分布规律。研究得出，随着巷道埋深的增加，巷道垂直位移越来越大、垂直应力集中系数逐渐减小、垂直应力逐渐向深部延伸、巷道底板泥岩出现软岩的性质，巷道围岩破坏深度和破坏面积也逐渐增加。     

深部巷道围岩变形破坏机理数值模拟研究

针对深部复杂地质条件回采巷道围岩与支护结构变形破坏较严重的难题,山东七五生建煤矿3_上煤层深部回采巷道为研究对象,运用FLAC~(3D)数值模拟软件,建立数值模型,对不同埋深条件下的巷道围岩塑性区及应力分布状态做了数值模拟分析,阐述了深部巷道围岩变形破坏机理。结果表明:随着埋深的增加,巷道围岩垂直应力及水平应力均有显著增加,且容易出现应力集中现象,进而增强巷道围岩塑性区向巷道围岩深部发展的趋势;深部回采巷道开挖后,应对巷道位移加以控制,防止变形破坏。     

屈曲型岩爆的发生机制及其时效性研究

为分析深部巷道围岩层裂薄板结构的形成机制和屈曲型岩爆发生的力学机理,采用数值模拟方法对深部巷道开挖过程中围岩主应力的分异演化规律进行了研究。基于三参量黏弹性本构关系,以屈曲型岩爆的层裂薄板结构为力学模型,推导出了二向受力下屈曲型岩爆的压屈时效方程,探讨了不同应力状态下屈曲型岩爆的时效特征。结果表明:在以垂直应力为主导的巷道在掘进过程中,巷道顶部和底部的主应力水平在逐步减小,岩体能量逐步释放;而巷道两侧边墙的主应力出现严重的分异现象,切向应力变大而轴向应力减小,岩体能量向两侧转移并大量积聚。以水平应力为主的巷道在掘进过程中,围岩应力状态的演化过程及能量积聚特征与此相反。围岩层裂薄板结构形成后,在切向应力和轴向应力的二向应力作用下发生蠕变弯曲变形,经过一段时间,当变形达到某一限值时,层裂薄板结构就会发生屈曲失稳破坏并释放岩体内积聚的弹性变形能,产生延迟岩爆现象。     

湖西矿深部大断面软岩巷道支护参数优化设计

深部软岩巷道应力环境复杂,围岩性质多变,尤其是大断面巷道支护异常困难。文章针对湖西矿800m采深的31102大断面巷道,在对其围岩力学性质及高应力下的蠕变特性实验研究基础上,通过数值模拟研究不同支护参数条件下巷道围岩变形规律,获得了优化后的支护方案,并对现场支护效果进行了监测分析,巷道支护效果显著,达到预期效果。     

潞宁煤矿深部巷道原岩应力分布规律研究

针对潞宁煤矿深部巷道地质条件复杂等问题，文章通过原岩应力原位测试技术开展相关测试。结果表明，潞宁煤矿深部巷道原岩应力场为最大水平主应力主导型应力场。文章分析了潞宁煤矿深部巷道最大主应力与最小主应力之差与垂直主应力的比值等不同侧压比及最大剪应力随埋深变化规律，为潞宁煤矿巷道布置及支护设计提供可靠基础参数。     

深部厚煤层巷道失稳破裂演化过程离散元模拟研究

为研究深部厚煤层巷道围岩失稳破裂演化过程,以某煤矿厚煤层巷道为工程背景,采用离散元中随机分布三角形单元块体集合模型研究巷道开挖失稳。对深部厚煤层巷道围岩失稳破裂过程中位移、应力演化规律分析发现:两帮围岩水平应力释放相对于顶底板剧烈,竖向应力反之;围岩竖向应力释放的主要部位是巷道中部。结果表明,深部厚煤层巷道失稳破裂演化的2个主要特征为:1)顶板出现"尖顶型"垮冒,巷中是围岩失稳的关键部位;2)顶底板离层破坏严重。并对其相应机制进行分析:顶底煤岩松散破碎,自稳能力差,顶底板径向应力释放相对剧烈,巷道矩形断面顶、底板受力能力差等因素,导致围岩顶底板离层变形。基于深部厚煤层巷道失稳破裂的演化规律,给出锚索悬吊组合支护方式,结果表明该支护方式可有效地控制厚煤层巷道变形。     

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。     

白音呼布矿区三维地应力测量及巷道布置优化研究

白音呼布矿区进入深部开采后,巷道岩爆、变形等地压灾害变得愈发严重。为保障生产安全,现场采用空心包体应力解除法测量了对矿区7个测点三维地应力,基于测量结果及地应力场构建对矿区深部巷道布置优化进行了研究。首先根据等应力轴比理论优化了巷道布置方向,给出了100m中段巷道轴向与最大水平主应力方向最优夹角为26°;然后采用数值模拟方法研究不同夹角时巷道围岩的应力、位移变化特征,并指导了新中段的巷道布置。结果表明:实测最大水平主应力是自重应力的1.57～1.89倍,矿区深部以水平构造应力为主导;夹角为26°时,巷道围岩变形最小,数值模拟与理论计算结果相符;新中段巷道优化布置后,围岩变形、位移明显变小,地压灾害得到有效控制。     

深部高应力立井连接硐室群围岩稳定控制与支护技术

针对深部高应力立井连接硐室群围岩稳定控制和支护中出现的问题,通过硐室围岩调查取样并进行室内物理力学试验,基于Hoek-Brown强度准则选取了深立井硐室群围岩计算参数,利用GTS对硐室群开挖过程中围岩位移场和应力场分别进行了数值模拟分析,提出优化的支护设计方案。通过围岩表面收敛监测,确定了围岩滞后注浆的最佳时间,围岩变形和支护结构受力的实测验证了支护的可行性,满足了生产需要。