锚杆支护顺层岩体边坡地震动破坏分析

运用FLAC3D探讨了地震作用下顺倾层状岩体边坡软弱夹层参数(数量S、间距D、厚度H和倾角α)对边坡稳定性与锚杆轴力的影响。研究表明:地震作用下顺倾层状岩体边坡仅沿某一软弱夹层以倾倒-滑移的破坏模式失稳破坏,软弱夹层参数的改变并不会改变其破坏模式和主要破坏面位置;S、H越大,地震作用下坡面永久位移和锚杆轴力越大,D、α越大,永久位移和锚杆轴力越小;轴力沿杆身呈"山峰"式分布,主软弱夹层处"峰值"最高;研究可为地震作用下多层软弱夹层边坡的支护和抗震设计提供有益参考。     

几何因子作用下反倾边坡倾倒变形响应规律研究

为分析层状反倾岩质边坡在坡度、岩层厚度、岩层倾角等3种常见几何特征因子作用下的倾倒变形响应规律,选取总位移指标作为倾倒变形评价指标,对几何特征因素下的144种组合方案进行了数值模拟研究,结果表明:随着坡度增加,反倾边坡易倾倒区变化路径为一条"C"型曲线,且总位移值逐渐增加;随着岩层倾角增大,易倾倒区面积逐渐减小、数值逐渐增加,在岩层倾角由30°增加至40°过程中,易倾倒区位置发生较明显的变化,岩层倾角增大到40°以后,易倾倒区位置相对较固定,变化较小;当岩层厚度为0.1,0.4 m时,易倾倒区主要平行坡度坐标轴呈条状分布;当岩层厚度为0.2~0.3m时,易倾倒区向坡度80°附近迁移,岩层厚度为0.2m时易倾倒区的总位移值最大。     

边坡层状岩体三维横观各向同性数值分析

建立层状岩体的三维横观各向同性连续介质力学模型,把三维Hoffman强度准则引入到层状边坡稳定性分析中,模拟不同岩层倾角下三维边坡破坏模式。结果表明：岩层为水平分布,剪应力起主导作用,易发生以剪切为主的损伤破坏;岩层为竖直分布,主应力起主导作用,易发生以拉应力为主的倾倒破坏;当层状岩体的走向与坡面走向一致,岩层倾角在0°~90°变化时,岩体从剪应力为主的破坏到拉剪组合破坏再到以拉应力为主的破坏过渡。另外,顺倾岩层的边坡更容易发生剪切滑移型破坏,而反倾岩层的边坡整体不易发生剪切滑移破坏,多存在局部小范围损伤,整体相对较稳定。研究结果可为层状岩体边坡的设计、支护和监测提供借鉴意义。     

含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究

隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0. 008 1～0. 012 37变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°～45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°～90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。     

岩质高陡边坡结构特征及变形特征分析

营盘山高陡边坡最大坡高110 m,沿坡面走向宽400m,是典型的缓倾内层状岩质高边坡。利用离散单元方法(DEM),模拟分析了该岩质边坡采石切坡前及采石切坡后的变形破坏及其演变过程。     

安太堡露天矿背斜影响区内排土场边坡稳定性研究

安太堡露天矿三采区背斜前煤岩赋存平缓,首采区内倾角仅为3~5°,具备内排条件。随着采场向东推进,会遇到芦子沟背斜,由于受背斜的影响,煤层底板急剧下降,从现在的1 250 m标高降到背斜影响区东侧的1 020 m左右,局部下降270 m,覆盖层厚度显著增加,采深增加,剥采比增大,背斜区域的倾斜基地平均倾角在11°左右,当内排土场推进到背斜区域时对内排产生不利影响,局部区域倾角大于内排土场工作帮坡角16°。由于开采后背斜影响区域基底为一顺滑面,而且排弃后为一相对整体的岩体与松散排弃物的交界弱面,加上渗水、爆破振动等多方面影响,可能产生滑移变形,因此有必要对内排边坡稳定性进行分析。     

多宝山铜矿设计境界稳定性分析及最终边坡角优化

为实现多宝山铜矿最终边坡角的优化工作,以多宝山铜矿为依托,基于矿区初步设计文件和工程地质分区,以B-B和D-D剖面为分析主体,从安全的角度分析了不同整体边坡角下的边坡最小安全系数,并给出了最终边坡角的建议值。多宝山铜矿采场初步设计境界在荷载组合Ⅰ和荷载组合Ⅱ作用下,其稳定性均不满足边坡安全要求,当边坡角在51.5°～46°范围内变化时,边坡最小安全系数随整体边坡角的减小近似呈线性增加,建议Ⅱ_2区域整体坡面角不超过46.4°,Ⅳ区域整体边坡角不超过47.8°。     

地下开采扰动条件下露天矿边坡岩体结构变异与失稳模式分析

现场高密度电法探测表明受老虎台早期地下开采影响,东露天矿边坡岩体赋存状态及岩体结构、力学特性发生了较大变异,对边坡开挖稳定性有重要影响。应用开采 “三带”理论分析了地下开采扰动区域分布及其与边坡的相对位置关系,指出了边坡岩体各部位结构变异特征及主要失稳模式：垮落带区域边坡岩体完整性差,碎裂严重,易发生局部塌陷破坏及块体倾倒破坏;断裂带区域边坡岩体离层多,竖向节理裂隙发育,主要发生弯曲倾倒破坏;弯曲下沉带区域边坡岩体完整性较好,保持其层状结构,局部可能发生楔形体破坏;张拉带区域边坡岩体受张拉作用强烈,主要发生张拉破坏。     

不同倾角层状岩体巷道围岩变形破坏特征及机制研究

利用UDEC软件对不同层理面倾角层状岩体巷道围岩的变形位移情况进行了模拟,分析了围岩的内部应力分布,提出了不同层理面倾角巷道围岩的变形破坏机制。研究结果表明:相比于均质岩体,层状岩体由于层理面的存在致使围岩的变形破坏特征更加复杂,层理面倾角大小对围岩的破坏失稳模式有显著影响,随着层理面倾角的增大,围岩变形破坏的非对称性逐渐增强。具体表现为沿层理面的垂直方向变形位移最大,当层理面倾角大于60°时,边墙的变形位移显著增大。当巷道开挖后,在地应力诱导和层理面影响的叠加作用下,先是层理面的剪切滑移、离层破坏,逐渐演化成穿过层理面的剪切—拉伸破坏,并最终过渡成基质的拉伸破坏。研究成果对深部层状岩体巷道围岩如何采取有效的加固措施具有理论和现实指导意义。     

不同倾角结构面对巷道稳定性的影响

本文在实验室用立体相似模型研究在三向荷载作用下,结构面倾角为30°,45°,55°,65°和80°时,掘进巷道对其围岩稳定性的影响。通过试验分析得出:结构面倾角为45°时围岩稳定性较好,随着结构面倾角增大围岩稳定性减弱,当结构面倾角为80°时,围岩失稳较大。并得出巷道周围影响范围约为巷道半跨的五倍左右。     

高陡倾斜煤层沿煤层钻井研究——以准南昌吉地区为例

针对准噶尔盆地南缘煤层倾角大、地应力复杂的煤层气井钻探难题,基于弱面理论研究了煤层倾角、地应力、造(降)斜对井壁安全的影响,建立起多目标约束的沿煤层钻井轨迹优化模型。研究表明:(1)昌吉地区煤层倾角为10°~25°,局部达到25°~40°,属于高陡倾斜煤层,具有渗透率各向异性强、地应力各向异性强、岩体力学性质各向异性强的特点。(2)钻水平井时,根据倾角对井壁稳定影响分为作用区、过渡区和反转区,倾角在5°~25°时为作用区,沿倾向钻井最安全,沿走向钻井最危险;倾角大于65°后进入反转区,沿倾向、走向都成为安全钻井方位。地应力各向异性越大,坍塌压力越高、安全钻井方位的范围越小。(3)沿煤层倾向钻井时,倾角小于35°时建议沿煤层上倾方向钻井;倾角大于65°时建议沿煤层下倾方向钻井;倾角在35°~65°范围内井壁安全性最低,建议沿煤层走向钻井;井斜角在45°~65°时是最危险造(降)斜段,应尽量避免在此井斜范围对煤层造(降)斜。(4)为降低煤层着陆点到首靶点的坍塌压力,提出S型、J型两种沿煤层钻井轨迹类型,从对比结果看出本文方法比常规方法设计的井眼进尺更短、摩阻扭矩更小。     

黄土沟壑区采动滑坡变形规律分析

针对矿区开采引起黄土沟壑区滑坡、地裂缝等自然灾害发生的问题,基于韩家湾煤矿采矿地质条件,整理了矿区地表观测点的监测数据,地表监测结果显示,工作面从开采到停止总体经历启动期、活跃期、衰退期,开采初始阶段,矿区地表移动变形不明显;当12106工作面推进距离介于13 m与109 m之间时,地表移动变形产生剧烈变化,且最大下沉量可达1 963 mm,容易引起滑坡灾害发生。同时选取了韩家湾煤矿坡体岩土物理力学参数,运用FLAC~(3D)软件模拟矿区在不同边坡角度情况下地表滑坡灾害形成机理,工作面开采导致上覆岩层结构被破坏,下沉盆地整体向中心偏移,坡体受到拉伸和压缩变形产生塑性破坏。研究结果表明,当边坡倾角大于60°时,坡体位移不均匀,位移大的部位岩层失去支撑,导致滑坡灾害发生;当坡角小于30°时,基岩面形成滑动面发育至地表,滑坡灾害发生可能性较小。     

保护层开采保护范围的确定及影响因素分析

针对煤层下保护层开采保护范围划定及影响性问题,利用有限元分析软件ANSYS生死单元模拟保护层开采,探究随着保护煤层工作面的推进,被保护煤层垂直于煤层层理面的应力和变形规律;根据保护层开采应力卸压保护准则和煤层变形保护准则,确定被保护层沿倾向和走向的保护范围,同时对保护层保护效果的影响性因素进行分析。通过对某煤矿保护层开采保护范围的分析结果发现,被保护煤层倾向上部卸压角为60.32°,倾向下部卸压角为43.86°。走向卸压角在倾向各个位置呈现非均匀分布,最大卸压位置为走向中部附近,最大卸压角为54.46°。分析保护层保护效果的影响性因素可知,当煤层倾角较小时,采动应力判别准则较应变准则所得的卸压保护角偏于保守,较为安全。     

斜交断层影响下露天煤矿顺倾层状边坡稳定性研究

断层对露天矿边坡滑移模式及稳定性的影响极为复杂,为矿山安全生产带来严重威胁;尤其在断层与顺倾弱层共同影响下,会发生滑坡事故。基于现阶段研究成果侧重于断层倾角、厚度、产状、断距等地质特征对边坡稳定性的影响,对于断层与顺倾弱层共同影响下边坡滑移模式及稳定性的研究相对较少。为探究断层形态对顺倾层状边坡滑移模式及稳定性的影响,以元宝山露天矿东帮边坡为工程背景,应用现场调研、理论分析、数值模拟等方法探明了该矿东帮边坡工程地质特征,建立了边坡三维地质模型,并通过改变断层倾角以及断层走向与边坡走向交角2种方式描述断层空间位置,同时基于数值模拟分析结果从边坡滑移模式的角度阐明断层影响下边坡稳定性变化规律。研究结果表明:当断层倾角介于50°～65°时,边坡滑移模式为剪切圆弧—断层—弱层构成的组合破坏,稳定系数随断层倾角增加逐步增大,当断层倾角大于65°时,边坡滑移模式为剪切圆弧—弱层构成的组合破坏,稳定系数不再改变;当走向交角介于30°～70°时,边坡滑移模式为剪切圆弧—断层—弱层构成的组合破坏,稳定系数随走向交角增加而增大,当走向交角大于70°时,边坡滑移模式为剪切圆弧—弱层构成的组合破坏,稳定系数不再发生变化。     

卸荷倾倒变形体成因机制及稳定性问题分析与评价

倾倒变形是指陡倾层状岩体分布于纵向谷,在重力作用下向谷侧反倾,并形成倾向谷侧的拉张裂隙,产生不同程度的变形破裂现象。在现场勘察资料的基础上,结合倾倒变形体边坡地形地貌特征、地层岩性特征、结构面发育特征以及岩体力学性能的差异等方面对某水电工程右岸建筑物出口倾倒变形体边坡的成因机制及稳定性进行了综合分析。     

秀山矿边坡断层破碎带区域变形破坏模拟分析

秀山矿采场边坡受断层破碎带影响,在开拓延深过程中形成了较大的楔形体,通过对秀山矿采场工程地质条件和岩体性质进行详细实地勘察,深入了解断层破碎带边坡变形破坏机理。在此工程的基础上,建立滑移—弯曲式倾倒变形力学模型,进行室内单轴抗压试验,并采用Rhino6.0—FLAC3D6.0高精度耦合建模方法,对采场整体以及楔形体倾倒边坡进行数值模拟稳定性分析。研究结果表明：断层破碎带边坡形成的楔形体弯曲倾倒破坏现象存在发生变形的临界坡长;西采场边坡的上下盘岩性较为完整,边坡开挖过程中,断层、节理等破碎结构面容易张开发育贯通形成大的滑裂面;随着采场开拓延深,西采场北帮受断层破碎带影响,变形区域由局部变为整体失稳。     

锚杆加固方式对边坡稳定性的影响

基于FLAC3D强度折减法进行锚固边坡稳定性分析,采用双弹簧单元模拟锚杆加固边坡。探讨了锚杆施加位置、锚杆长度、锚固角度以及锚杆预应力等因素对边坡稳定性的影响。研究结果表明:从边坡脚向坡顶施加锚杆的方式,边坡安全系数最大,是最优的布杆方式;在一定范围内,增加锚杆长度可以有效地提升边坡稳定性,且边坡角度越大,锚杆加固效率越高;锚固边坡存在着最优的锚固角,随着锚固角的增大,边坡滑移面呈现先向深部移动再向浅部移动的规律;锚杆施加预应力后能显著增强边坡稳定性,控制位移变形,且对最易发生滑移的坡面坡肩处加固效果最好。     

渗流作用下含断层边坡稳定性模拟分析

为了研究含断层边坡在渗流作用下稳定性问题,以伊敏露天矿三采区端帮边坡为研究对象,建立相似材料模型并结合数值模拟,对渗流作用下含断层边坡稳定性进行模拟研究。研究结果表明:断层在坡体中的相对位置对边坡稳定性影响变化显著。断层位于坡体中部时,边坡变形及其剪应力较大,此时断层对边坡稳定性影响最大。随开挖推进坡体逐渐前移,断层附近变形及应力值逐渐减小,断层对边坡影响逐渐减小。开挖不同阶段边坡稳定性主要影响因素不同。开挖前期影响边坡稳定性的主要因素为断层,后期逐渐转化为渗流作用。边坡第五次开挖后在断层和渗流的耦合作用下沿弱面滑移失稳。     

鹿鸣钼矿北区节理裂隙对边坡稳定性的影响研究

节理裂隙是影响边坡稳定性的重要因素之一,节理裂隙岩体变形与破坏性质复杂,具有隐蔽性,易使人们忽视岩体中发育的结构面的影响从而导致事故发生。通过对鹿鸣钼矿北区已揭露的510和525工作面的节理裂隙现场调查,获得其产状和平均间距,运用玫瑰花图对其进行统计分析。绘制510边坡与主要弱结构面的赤平投影图,分析主要结构面与边坡的组合关系,同时对F3断层与北区主要边坡组合关系进行赤平投影分析,得出沿280°∠83°、295°∠81°和110°∠77°三类节理面对边坡的影响较大,另外F3和F4断层之间的碎裂结构易产生楔形滑移、倾倒等破坏现象,F3断层与西北边坡、西南边坡可能产生局部滑动现象等。该研究结果对矿区安全生产有重要指导意义,其研究思路与方法可为其他边坡稳定性工程提供参考。     

大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制

大倾角煤层开采过程中，重力-倾角效应是导致细观层状煤岩体单元体主应力偏转和层间接触面应力非均衡传递，介观层状采动模型优势破裂面方向偏移，宏观层状关键层区域迁移、岩体结构异化的主要因素。研究表明，在倾角35°以上煤层采场中重力-倾角效应影响尤为明显：(1)煤岩组合界面倾角35°～60°时，非均衡传力特性逐渐凸显，界面附近煤岩体内应力传递方向发生偏转，且偏转量随倾角增加逐渐增大；煤体破坏由压剪破坏转化为近平行于界面的滑移剪切破坏，煤岩体的强度和弹性模量也随之减小。(2)改变了采场围岩采动应力路径演变规律，在采动应力驱动下顶板的损伤变形与破坏运动存在明显的区域性和时序性。(3)诱发了大倾角采场顶板结构跨层迁移转化、底板非对称破坏滑移、区段煤柱或煤壁局部-整体破坏，以上围岩失稳存在多尺度链式时空关联性，特别是引发围岩灾变的采场关键岩块位置多变，形成采场围岩承载结构异化和泛化特征。理论与实践表明，重力-倾角效应作用下大倾角煤层岩层控制具有显著的多维度和多尺度特点，突破传统开采方法与技术瓶颈，研发全新型成套装备是实现该类煤层安全高效开采的有效途径。