考虑支护作用的巷道围岩塑性区边界方程及应用

结合Mohr-Coulomb强度准则,推导考虑支护力作用下的非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程的近似解,通过理论分析和数值模拟,得出支护阻力对巷道围岩塑性区范围和形态的影响作用.研究表明:在现有支护条件下,支护阻力能够使浅部低应力巷道围岩塑性区范围有一定程度的减小,特别是对于双向主应力比值较大情况下浅部巷道围岩塑性区呈现的蝶形扩展,支护阻力能起到较好的抑制作用;而对于深部巷道,现有支护阻力对减小其塑性区半径的作用不大,难以阻止深部巷道的大变形,支护对于深部巷道的作用在于阻止巷道围岩的破裂.深部巷道围岩控制,应由"变形控制"向"结构稳定控制"理念转变,以改善巷道围岩应力环境和围岩力学性能为主要途径,以预留变形和控制非连续变形为主要方法,尽量保证巷道围岩结构稳定、完整,满足使用要求.     

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。     

马路坪煤矿深部岩巷矿压特征及围岩变形特性分析

文章根据马路坪矿深部软岩巷道表面位移的实测结果,分析了巷道围岩变形主要特征.通过数值模拟计算,探讨了巷道围岩破碎区、塑性区范围和应力位移分布规律,为巷道合理支护形式的选择提供了理论依据.     

软岩动压巷道围岩稳定性原理及控制技术研究

针对张双楼煤矿西大巷围岩力学性质,主要是膨胀性泥岩在浅部遇水破碎、扩容的特征、深部膨胀特征,通过现场测试、建立力学模型、数值计算,对西大巷稳定性的力学效应、受采动影响时围岩塑性区及破碎区宽度及变形与采动支承应力的关系分析,分析在采动支承应力作用下的软岩巷道,其围岩破碎区、塑性区的范围,巷道变形与破碎围岩塑性区范围、峰后强度、支护的关系,研究动压软岩巷道围岩变形机理、软岩巷道围岩流动规律,提出了深井巷道围岩控制的"内、外结构"稳定性原理.针对西大巷围岩地质条件,依据研究的成果,寻求巷道稳定控制技术,并通过工业性试验检验,使得西大巷由研究试验前的强烈变形到研究后的基本稳定.     

高地应力深立井井筒围岩应力演化与变形规律及支护分析

深立井井筒开挖至深部后,所处的地质力学环境比浅埋更加复杂。为研究深部复杂应力环境下水平主应力对井筒围岩应力演化和变形规律的影响,采用理论分析和数值模拟的方法分析在不同侧压系数λ与水平应力比值k条件下,不同轴比(b/a)的井筒断面形状下井筒围岩应力演化和变形规律。结果表明:深立井井筒围岩的等应力轴比不同于深埋椭圆巷道的等应力轴比,深立井井筒围岩的等应力轴比与水平主应力的比值k有关;当侧压力系数与水平应力比值为定值时,不同井筒截面轴比时应力集中区主要分布在井筒x轴两端,变形较大处为y轴两端;从应力分布和变形角度分析,相同条件下井筒采用圆形断面开挖时围岩扰动效应最小;在分析井筒围岩应力与变形特征的基础上,提出井筒围岩双壳复合支护理念,并分析其加固机理。     

考虑轴向应力影响的圆形巷道围岩塑性区边界近似解

为了研究考虑轴向应力作用的巷道围岩塑性区边界问题，基于Mohr-Coulomb准则，通过引入Lode角参数，推导出考虑轴向应力作用的圆形巷道围岩塑性区边界隐性方程，通过变化巷道水平应力σ_x、轴向应力σ_y分析了不同应力场下的围岩塑性区尺寸及形态，并通过数值模拟进一步说明了理论分析的可靠性。此外还研究了围岩黏聚力C、内摩擦角φ、巷道半径R、泊松比v对巷道围岩稳定性的影响。结果表明：(1)固定轴向侧压变化水平侧压的条件下，围岩塑性区尺寸变化会分为敏感区和迟钝区，且在水平侧压变化的过程中围岩塑性区形态会呈现圆形、椭圆形及蝶形3种形态。(2)固定水平侧压变化轴向侧压的条件下，围岩各位置的塑性区会呈现强烈的区间效应，通过与平面应变问题下的塑性区尺寸对比将区域分为轴向应力影响区和轴向应力无影响区。在轴向应力影响区内，轴向侧压的变化对围岩的塑性区尺寸影响较大。(3)巷道围岩的破坏形态由水平侧压η1决定，轴向侧压η2对塑性区形态影响较小，对尺寸影响较大。(4)围岩C、φ的增加会使巷道围岩的塑性区尺寸不同程度的减小，R的增加会使围岩不同位置塑性区呈等差数列增大。...     

邢东矿深部回采巷道围岩塑性区“蝶形”扩展特征及稳定性控制

深部回采巷道围岩塑性区分布特征是围岩稳定性控制的关键。以邢东矿深部回采巷道为研究背景,根据巷道围岩"蝶形"塑性区理论,结合数值模拟分析发现,邢东矿2225工作面运输巷受采动应力影响后围岩塑性区出现了"蝶形"扩展的特征。通过研究深部条件下不同支护阻力对巷道围岩塑性区的影响,提出深部巷道围岩的稳定性控制思路:提供适当支护阻力减小围岩拉伸破坏,保证巷道围岩塑性区内破碎岩体的稳定性;制定了针对邢东矿2225工作面运输巷围岩"蝶形"塑性区特征的支护方案。该方案现场应用效果良好,为深部回采巷道围岩稳定性控制提供一定借鉴。     

深井软岩巷道围岩变形特征及支护参数的确定

根据马路坪矿巷道围岩主要物理、力学性质的实验室测试以及现场围岩变形的监测结果,探讨了深部软岩巷道围岩变形破坏特征.借助FLAC^3D进行数值模拟计算,分析了巷道开挖后和原支护形式下围岩破碎区、塑性区范围和应力位移分布状况;并通过数值模拟优化了支护参数,确定了二次支护时间,提出了用短锚杆或铆钉取代管缝式锚杆挂网、采用底角锚杆对巷道底板进行加固的技术方案.工业试验结果表明,该方案对深部巷道围岩变形的控制效果良好.     

软岩动压巷道围岩稳定性原理及控制技术研究

针对张双楼煤矿西大巷围岩力学性质,主要是膨胀性泥岩在浅部遇水破碎、扩容的特征、深部膨胀特征,通过现场测试、建立力学模型、数值计算,对西大巷稳定性的力学效应、受采动影响时围岩塑性区及破碎区宽度及变形与采动支承应力的关系分析,分析在采动支承应力作用下的软岩巷道,其围岩破碎区、塑性区的范围,巷道变形与破碎围岩塑性区范围、峰后强度、支护的关系,研究动压软岩巷道围岩变形机理、软岩巷道围岩流动规律,提出了深井巷道围岩控制的“内、外结构“稳定性原理。针对西大巷围岩地质条件,依据研究的成果,寻求巷道稳定控制技术,并通过工业性试验检验,使得西大巷由研究试验前的强烈变形到研究后的基本稳定。     

破碎岩体巷道变形破坏特征的数值模拟研究

为了研究岩体节理裂隙分布规律对巷道围岩稳定性的影响,依据概率与统计理论建立了破碎岩体结构面产状、规模和密度的概率模型,并运用Monte-Carlo随机模拟方法生成了可以描述和表征破碎岩体及其裂隙结构信息的二维结构面网络模型.在此基础上,建立了破碎岩体条件下巷道围岩结构的离散元数值计算模型,分析了块状型和破碎型围岩的应力状态、塑性区分布以及变形特征.研究结果表明:岩体结构面分布的尺度和规模对巷道围岩的应力状态有较大影响,破碎型围岩的承载能力明显低于块状型围岩;破碎岩体变形不再是岩体材料的本质属性,而是破裂块体之间的镶嵌组合的一种结构效应.     

深部软岩巷道围岩变形特征及数值模拟分析

针对深部煤矿开采条件下软岩巷道围岩出现持续流变时间长、变形大、地压高、巷道难以维护等特点，首先分析了深部软岩巷道变形特征，采用FLAC^3D数值模拟软件，分析了不同埋深条件下巷道围岩垂直应力分布、水平应力分布以及巷道围岩塑性区扩展规律。研究得出，深部软岩巷道的围岩岩块呈松散破碎形态，相互翻转和滑移，岩体的模量和强度低；随着巷道埋深的逐渐增加，巷道围岩应力集中系数逐渐减小，巷道垂直、水平应力峰值逐渐变大，塑性破坏范围扩展速率逐渐增加。研究为深部软岩巷道支护提供理论基础。     

软岩巷道围岩变形力学响应特性分析

通过对软岩巷道围岩变形力学响应特性分析确定了弹塑性区应力、弹塑性位移、破碎区应力与破碎区半径的影响因素,并确定了与各因素之间的函数关系,为巷道支护提供了依据。结果表明,巷道围岩所受应力随着埋深的增大而增加,并且围岩产生的塑性范围和破碎区也相应增大。在巷道形成初期,需要立马对其进行支护处理,同时对围岩进行封闭。支护能够减小围岩所受应力,减小其围岩塑性范围和破碎范围的增加。在巷道围岩受力增加的起始时期,其塑性范围和和破碎范围增长速度相对平衡,当围岩受力达到一定程度时,围岩发生变形,塑性范围增长速度开始减缓,破碎范围扩大速度则相对增加。     

断层影响下深部巷道交叉点围岩破坏特征及支护

为了研究断层对巷道交叉点围岩破坏及位移的影响,根据巷道塑性区半径及周边位移公式得出深部巷道围岩变形破坏的影响因素,如高地应力、围岩强度、断层破碎带等,运用FLAC~(3D)模拟巷道交叉点周边应力场分布,发现应力场在巷道穿越断层时受到破碎围岩的影响而产生不连续现象,同时断层构造导致围岩破碎,使底板岩层强度变弱,底鼓问题更加突出.设计了4种不同的支护方案,结合巷道塑性区半径对不同长度的锚杆及有无U型棚架的支护效果进行比较分析.研究分析及模拟结果表明:巷道穿越断层时底板变形量大于顶板变形量;锚杆长度大于塑性区半径时锚固效果较好;锚网索喷+36U型棚支护方案能有效改善巷道变形.     

深部煤巷偏应力场分布特征及围岩控制研究

针对受多重采动影响的深部巷道变形量大、支护困难等围岩控制问题，以赵庄煤矿33092巷为研究对象，通过现场调研、理论分析、数值模拟等方式分析了受重复采动影响的深部煤巷围岩变形破坏形态，获得了深部巷道围岩偏应力分布特征及塑性区演化规律。研究结果表明：33092巷围岩偏应力S1和塑性区都呈倾斜的“8”字型分布，属于明显的非对称式破坏，现场巷道破坏形式与理论分析、数值模拟结果基本一致|基于偏应力和塑性区的非对称分布形态，提出了33092巷的非对称支护改进方案并在现场进行工业试验，试验结果表明该方案能维持巷道围岩的稳定性，保证巷道服务期内的安全使用。     

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。     

深部巷道在构造应力场中稳定性分析

选用2D-σ有限元计算软件对深部巷道围岩在构造应力场中的稳定性进行了数值分析,着重讨论了深部巷道围岩的变形特征、塑性区发育特征、围岩应力分布特征和围岩破坏机理,提出了相应的支护对策.     

深部沿空掘巷围岩破坏机制与控制

针对深部沿空掘巷围岩变形与控制难题,以邢东矿21210工作面运输巷为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件,模拟了不同埋深巷道围岩偏应力与塑性区的演化规律及响应特征。结果表明,巷道两帮偏应力均随着埋深增加呈增大趋势,实体煤帮最大偏应力值大于煤柱帮偏应力最大值;巷道围岩塑性区范围随埋深增加不断扩展;偏应力与塑性区分布特征与演化规律基本吻合。基于巷道围岩偏应力与塑性区分布特点,采用高预应力锚杆索、菱形金属网以及钢筋梯子梁联合支护形式,有效控制了巷道围岩变形。     

强动压“三软”煤层巷道“卸-转-固”围岩控制技术

针对强动压影响下“三软”煤层巷道围岩控制难的问题,以仲恒煤矿“三软”煤层115-101回风巷为工程背景,通过现场调查、围岩松动和地应力测试,采用UDEC数值软件根据实际建立数值模型,研究了巷道变形破坏原因,并基于应力控制原理,提出受强动压影响的“三软”煤层巷道“卸-转-固”围岩综合控制理论。研究结果表明:115-101回风巷围岩松动圈范围0~5 m,应力峰值在深入围岩5~6 m处,采用“卸-转-固”围岩控制技术,在原有的29U型钢支护条件下,降低支护排距,根据煤层倾角及厚度设计并施工爆破卸压孔,在孔底连线安装炸药,利用自制的封孔设备将加固材料通过高压风压入钻孔进行封孔,实施爆破。爆破后,围岩应力重新分布,重新形成破碎区、塑性区和弹性区,并使应力集中的弹性区转移到围岩更深处,降低巷帮及底板浅部围岩应力集中,在巷道周围表层一定范围内形成低应力卸压圈,而在围岩深部形成了应力集中的自承载圈,集中应力主要由该自承载圈的岩体承担。该自承载圈的岩体处于围岩深部,基本处于三向应力状态,降低集中应力对巷道的破坏作用,稳定性得到很大提高。巷道围岩顶底板移近速率降低了79.43%,两帮移近速率下降了54.17%,巷道围岩变形量明显减少,有效控制了强动压影响下“三软”煤层巷道围岩变形。     

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。     

深部高应力巷道围岩松动圈数值模拟研究

针对深部高应力巷道围岩软弱破碎、巷道变形大、长期蠕变、支护损坏严重的特点,基于围岩松动圈理论,运用FLAC3D进行了巷道围岩松动圈数值模拟研究,得到了巷道埋深-围岩松动圈变化关系,巷道断面形状-围岩松动圈变化关系,岩体黏聚力-围岩松动圈变化关系及岩体摩擦角-围岩松动圈变化关系,分析了它们对巷道围岩松动圈形成及发展的影响规律。