基于地应力实测的深部软岩巷道稳定性研究

唐口煤矿埋深较大,地压显现剧烈,在回风石门大巷、西翼辅助运输石门等不同构造部位布置3 个地应力测点,采用YH3B-3型环氧树脂三轴空心包体应变计按应力解除法进行了现场地应力的测试,获得了矿井地应力的大小、方向及分布规律。采用FLAC 3D 研究巷道轴向与水平构造应力呈不同夹角时对深部软岩巷道围岩稳定性的影响,为巷道的合理布置与支护设计提供了可靠依据;当最大水平应力方向与巷道轴向近似平行时,巷道围岩的变形量和塑性区范围较小,巷道变形破坏相对较小;当最大水平应力方向与巷道轴向垂直时,巷道围岩的变形量和塑性区范围最大,巷道变形剧烈、变形破坏严重。     

深部高应力巷道锚网喷U型钢联合支护技术

随着矿井开采深度的增加,巷道受高地应力及强烈开采扰动的影响愈加明显,深部高应力巷道的支护难度逐渐增大。以某矿深部巷道支护工程为例,采用了锚网喷U型钢联合支护方案,基于FLAC3D数值模拟软件,分析了巷道围岩变形规律,对支护方案进行可行性分析。工业性试验围岩变形监测结果表明,15 d～90 d的围岩变形位移增量小于总位移增量的10%,30 d后的围岩变形基本收敛,表明采用锚网喷U型钢联合支护技术,可有效控制深部巷道的大变形。     

淮南矿区深部煤巷支护难度分级及控制对策

 系统分析淮南矿区深部煤巷围岩赋存的地质特征、控制难度和应力状态等因素,确定影响煤巷稳定及锚杆支护选型的最主要和敏感因素为巷道顶板应力强度指数、帮部煤体松散范围系数、顶板软弱岩层不安全因子3个综合指标,通过大量测试矿区深部巷道围岩地应力和煤岩试块物理力学性能,对这3个综合指标体系进行科学合理分类,在此基础上划分深部煤层巷道围岩稳定性控制难度级别,针对各难度级别,提出以新型“三高”(高强度、高预拉力、高刚度)锚杆控制技术为基础的深部煤巷围岩控制对策。应用该方法对矿区几个典型矿井的深部煤层巷道围岩稳定程度进行难度分级,采取针对性技术措施和支护参数,维护巷道稳定。研究成果在淮南矿区获得全面应用,对我国煤矿深部煤层巷道支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

深部围岩蠕变特性对巷道稳定性影响数值模拟

深部巷道施工过程中,围岩及支护的空间变形和受力情况与时间密切相关。以恒大煤矿2233工作面进风巷围岩煤样为原型,通过蠕变压缩试验和FLAC3D数值模拟,分析了时空效应下巷道围岩的受力变形规律和支护结构特征。研究表明:Burgers本构模型可以准确拟合煤样蠕变曲线,辨识后的模型参数能科学地描述该矿巷道蠕变特征,适用性高;在支护作用下,巷道在第3个月后进入稳定蠕变阶段,此时围岩变形的水平收敛值和拱顶沉降值分别为16.38 cm和12.45 cm,围岩所受最大应力为15.49 MPa;云图表明巷道拱肩处的支护效果最差,锚杆变形最为严重,同时由于蠕变长时间的持续作用,1年后巷道的最大围岩变形值为24.98cm,远远超过拱顶处的变形值5 cm。巷道模拟结果与实际变化基本一致,能科学有效的反映深部巷道围岩蠕变规律,为深部矿井安全性和稳定性设计提供一定依据。     

基于三维地应力实测的巷道稳定性优化研究

地应力对巷道稳定性的影响是多方面的,断面形式和布置方式是影响巷道稳定性的决定因素。根据地应力分布特征,选取合理的巷道断面和布置方式是解决巷道变形与失稳问题的关键所在。研究采用目前技术上最先进的CSIRO套孔应力解除法分别对某矿地应力进行实测,分析总结了矿区的地应力分布规律。以此为基础应用三维数值模拟,设计不同方案研究巷道围岩应力和位移特征、塑性区分布情况,分别计算分析了不同走向巷道和不同断面巷道的稳定性状况。通过分析和对比,确定了维持巷道最小变形的优化设计方案:半圆拱或三心拱断面巷道稳定性优于梯形巷道,当走向与最大主应力方向平行时巷道稳定性最好。以研究结果为依据,建议矿山深部巷道采用拱形断面,布置在与最大水平主应力方向平行的岩层中,以减小地应力对巷道的不利影响,提高巷道的服务年限和使用效率。     

金川二矿深部1 000 m中段地应力测量 及应力状态研究

 金川镍矿是我国最大的硫化铜镍矿,而二矿又是金川镍矿的主力矿山。目前二矿已进入深部开采阶段,由于矿岩破碎、剧烈开采扰动以及巷道采场结构越来越复杂,加之应力状态的改变,围岩稳定性问题更加突出。为此在二矿深部1 000 m中段进行了系统的地应力测量,以了解深部应力分布特征及其变化规律。现场测试采用空心包体应力解除法,共获得7个测点的三维应力数据。地应力测量成果表明,在井下700～800 m深度范围内,最大主应力量值基本为20～30 MPa,大部分测点最大主应力方位为NNE～NE向,最大主应力倾角在40°以上,以水平应力为主导的应力作用特征发生改变。     

迎上下采空孤岛面沿空掘巷围岩变形破坏特征

为了研究分析上下煤层两侧都采空而形成的孤岛面沿空掘巷和煤层开采时围岩应力分布及变形破坏特征,应用理论分析、计算机数值模拟与具体工程实践相结合的研究方法,分析了上下煤层两侧采空情况下,下孤岛工作面迎上孤岛面沿空掘巷期间及煤层开采过程中,采场围岩应力分布、变形破坏规律。结果表明:该情况下孤岛工作面围岩结构特征因受多次开采影响,其整体性和联动性都有所降低,采场围岩应力分布特征有所不同,且煤柱宽度尺寸对巷道受力变形有较大影响。掘巷期间轨道巷煤柱帮的变形量大于实体煤帮变形量,顶板下沉量大于底鼓量;回采期间顶板运移特点决定了两巷围岩主要呈现拉剪破坏,随着工作面的推进,采动影响阶段和影响剧烈阶段范围逐渐增大,巷道断面收缩率随着距工作面距离的减小而增大。对于孤岛面开采沿空巷道的特殊围岩条件,应遵循“强顶、固帮、控底的全断面围岩控制技术思路,对上下隅角附近巷道加强支护,提高围岩自身强度,为类似条件孤岛面巷道维护及安全开采提供理论技术保障。     

李粮店煤矿巷道围岩变形机理及支护研究

本文首先针对李粮店煤矿开拓巷道围岩变形现状分析该处地应力规律,最后根据本矿大采深软岩的特点提出采用锚架注联合支护技术,为深部巷道合理支护和煤层安全高效开采做了一次较好的尝试。     

王洼矿区软岩巷道围岩地质力学性能评价

王洼矿区泥质软岩巷道围岩易水化膨胀、短期内碎胀扩容、蠕变变形持续时间长、全断面来压,巷道内架设普通的刚性支护后普遍出现破坏。因此,选取典型巷道开展该矿区软岩巷道围岩地质力学性能评价,全面掌握该矿区地应力大小和方向。结果表明:该地区属于中低应力地区;该矿地应力测点经统计最大水平应力、最小水平应力均小于最大垂直应力;地应力对该矿区开采活动的影响不大,巷道变形受地应力的影响也不大;下一步需重点考虑巷道围岩矿物成份及其膨胀特性,以及围岩松动破坏范围。     

深部高地应力巷道断面优化研究

巷道失稳和维护困难是困扰高地应力深部矿井的普遍问题,严重影响矿井的生产和经济效益的提高。深部矿井高地应力巷道有其自身的应力分布特点,对巷道的支护设计提出了更高的要求。研究从巷道断面优化着手,根据深部矿井高地应力巷道的地质赋存特征,结合淮南-780m水平现场地应力测试及室内岩石物理力学性质测试结果,运用FLAC3D三维显式有限差分法分析软件,建立巷道支护的三维数值计算模型,通过对几种方案巷道周边塑性区分布、应力场、位移场等的分析对比,得到了较为易于维持巷道稳定的巷道断面优化设计方案。     

巨型地下洞室脆性围岩高应力破裂防治措施研究

脆性岩体高应力破裂是西部水电地下工程面临的主要岩石力学问题之一。依托世界最大规模的白鹤滩地下厂房洞室群,在概括高应力条件和玄武岩脆性特征基础上,说明了地下洞室围岩破裂破坏形式。采用3DEC中围岩能量释放等指标,研究了洞群布置、体形优化等宏观策略;依据围岩高应力集中特征,分析了开挖程序和支护时机等应对措施。结果表明,针对构造应力占主导的地下工程,可研设计应尽可能使主要洞室轴线与σ⁰₁小角度相交、宜选择双向成拱的圆筒形体形、保证顶拱曲率与应力拱相适应,并且,在施工期应尽可能沿σ⁰₁方向优先开挖、对应力集中的顶拱开挖不宜过多分幅、河谷应力条件下应优先开挖临江侧,此外,必须充分利用掌子面效应及时支护,抑制脆性岩体破裂扩展和时效变形。工程实践表明,防治脆性围岩高应力破裂的战略性措施能够降低洞室群围岩产生破裂破坏的总体风险,而战术性措施能够减小支护代价,提升工程安全性和经济合理性。     

煤柱尺寸留设与巷道围岩稳定性关系实验研究

煤柱尺寸大小影响巷道围岩稳定性,通过不同煤柱尺寸软煤巷道围岩变形与应力分布相似模拟实验,研究了不同煤柱尺寸下巷道围岩裂隙、岩层移动的演化特征与巷道围岩应力、支架载荷的分布规律,确定了巷道围岩初始扰动与临界失稳的煤柱尺寸。结果表明:软煤平巷围岩裂隙演化特征表现为两帮煤体裂隙水平扩展后的顶板裂隙产生,围岩失稳诱发点为巷道两帮上角部;当煤柱尺寸小于300 mm后,巷道两帮表现为非对称塑性破坏后顶板裂隙扩展的加剧,顶板下沉量、两帮移近量与巷道围岩应力、支架载荷变化剧烈,围岩与支架最大应力集中系数分别为2.53和1.67;当煤柱尺寸为150 mm时,煤柱两侧的巷道围岩裂隙与采区煤壁裂隙贯通,煤柱呈屈服承载状态,巷道支架载荷右侧大于左侧,巷道围岩稳定性降低;对巷道围岩稳定性产生影响的煤柱尺寸为300 mm,保证巷道围岩稳定性的最小煤柱尺寸为150 mm。     

回采巷道围岩分类治理模式及关键技术研究

 以淮北矿区某矿回采巷道围岩治理中存在的问题为出发点,在摸清其围岩赋存特征、掌握支护失效原因的前提下,基于各主采煤层回采巷道围岩赋存差异等特征提出回采巷道围岩按煤层类别、沿空与否的分类治理模式,并进一步分析治理关键技术;通过数值模拟计算,对比分析两类回采巷道围岩分类治理前后巷道变形、应力变化情况,得到分类治理后巷道围岩变形大大减小,围岩应力亦明显改善;最后,将围岩分类治理的关键技术应用到工程实践。实践结果表明：回采巷道围岩分类治理后较分类治理前,围岩变形得到有效控制。研究成果能为类似条件下回采巷道围岩治理提供很好的借鉴和参考依据。     

晋城矿区地应力场研究及应用

 随着矿井开采深度与强度的不断增加,地应力对围岩变形与破坏的影响更加突出,在煤矿矿区进行地应力测量,并分析地应力场分布特征具有重要意义。在晋城矿区,采用小孔径水压致裂地应力测量装置,进行10个煤矿、62个测点的二维与三维地应力测量。实测数据表明：晋城矿区原岩应力以水平应力为主,构造应力占绝对优势,属于典型的构造应力场类型;地应力值属于中等水平;矿区东部与西部水平主应力方向变化较大,主要原因是受晋获褶断带的影响。基于实测数据,绘制晋城矿区地应力分布图;采用回归方法分析地应力随埋藏深度的变化规律;论述水平主应力与垂直主应力的比值同埋藏深度的关系,并与霍克–布朗包线进行比较。选择典型矿井,将地应力测量结果应用于巷道布置与支护设计,根据地应力场分布特征提出合理的巷道轴线布置方向,并在井下应用中得到验证。井下地应力测量为晋城矿区提供了可靠的基础数据,对指导矿区井田开拓、巷道布置与支护设计、采煤方法的选择等工程实践具有重要参考价值。     

逆断层附近非均匀应力场声发射测试与巷道稳定性数值分析

由于断层带附近应力集中和围岩破碎严重给巷道断面布设和维护带来巨大安全隐患,需及时掌握断层附近地应力分布和围岩破裂形式及其对周边巷道稳定性影响。选取淮南某矿逆断层上、下盘进行试验,利用MTS试验系统配合声发射测试初始地应力场和岩石破裂方式,经ANSYS对比分析不同应力条件下逆断层附近巷道稳定性。经岩石力学试验发现,砂岩破坏后尺度较小、AE事件数较多,泥岩破坏后尺度较大、AE事件数较少。由地应力实测可知,逆断层附近以构造应力为主,上盘岩层挤压使得下盘总体受力偏大。开挖后巷道周边次生应力在一定范围内出现了应力跌落区,跌落区范围和围岩裂隙发育范围接近。同时,伴随着应力跌落的范围扩大、初始应力减小,岩层开始移动剧烈和围岩破裂范围扩大。由围岩塑性分布和岩层移动可知,调整后主应力有助于提高巷道稳定性。以上研究结果,以期为复杂埋藏环境下矿山巷道的布设和支护问题,提供一定的施工技术依据。     

高地应力隧道岩爆破坏特征物理模型试验研究

采用岩爆相似材料制作大尺寸物理模型,自主研制隧道开挖装置,进行二维应力隧道岩爆物理模型试验,研究高地应力条件下(侧压力系数λ=2)隧道围岩岩爆等脆性破坏特征。试验结果表明:隧道开挖后,围岩有较明显的压应变波动和突变现象,拱墙处局部出现拉应变;同时,声发射能量表现出剧烈增大现象,在应变、声发射特征这两方面均表现出高应力区隧道岩爆的征兆。高地应力条件下(侧压力系数λ=2),隧道拱顶和拱底压应力集中明显而最早发生破坏,拱墙出现拉应力作用,产生张拉裂缝。围岩脆性破坏从颗粒弹射开始,随后变为碎块剥落和裂缝扩展,其变形破坏特征表现出一定的岩爆特性。     

地铁上穿工程中既有隧道卸荷附加应力系数

推导了新建地铁上穿施工引起的既有隧道结构的卸荷附加应力系数解析解,利用Maple软件对卸荷面积、卸荷中心距既有隧道水平距离、卸荷平面至既有隧道顶部距离、卸荷宽长比等关键卸荷参数与附加应力系数的关系进行研究,旨从弹性卸荷理论的角度提出了地铁上穿工程中如何减小既有隧道结构卸荷效应的措施。研究表明:随着卸荷面积的增大,底板下方不同深度处的附加应力系数逐渐增大,应尽量减少一次卸荷面积,减少开挖进尺;当既有隧道处于卸荷面积边界附近时,卸荷附加应力系数急速衰减,应对开挖卸荷长度范围内的既有线结构周围土体进行重点加固;附加应力系数随着夹层土厚度的增加逐渐减小,应尽量加大新旧结构之间的距离;随着宽长比的增大,卸荷中心下的附加应力系数逐渐减小,建议采用长条形的土体开挖方式;在相同的卸荷面积条件下,泊松比对附加应力系数的影响较小。     

基于Mohr-Coulomb准则寒区隧道围岩应力弹塑性解析

随着西部开发建设速度的急剧增长,寒区隧道工程建设逐渐增多,冻胀力及围岩应力大小对寒区隧道结构产生的影响越来越突出。针对这一突出问题,基于弹性理论拉密解及复变理论,结合Mohr-Coulomb屈服准则,确定了围岩塑性区范围,并推导了冻胀力及围岩应力的弹塑性显式解析解。通过算例分析得到:当0°≤θ≤45°时,冻胀力的存在致使围岩塑性区迅速扩展;而当45°≤θ≤90°时,冻胀力的存在却限制了围岩塑性区的发展。其研究成果对寒区隧道工程建设具有良好的参考价值。     

花岗岩巷道岩爆声发射振铃计数波动规律研究

开展室内岩爆模拟试验,利用声发射仪监测岩爆过程。分析了岩爆过程声发射振铃计数波动变化规律,运用散点数据差分求导的计算方法,提出一个刻画振铃计数波动特征的指标——振铃计数变化率ξ,基于统计学原理,分析了岩爆过程ξ值的异常变化特征,捕捉岩爆发生前兆。研究表明:岩爆发生前声发射振铃计数会连续出现大幅度波动,声发射ξ值超出稳定阶段波动范围。将稳定阶段声发射ξ值波动范围作为岩爆预警阈值ξ₀,提取ξ>ξ₀时声发射信号作为岩爆前兆信息,进行岩爆灾害预警。水平应力越大,岩爆预警阈值ξ₀越大,岩爆前兆响应系数σ越小。     

基于敏感性分析的围岩力学参数反演方法研究

由于影响隧道变形的围岩强度参数和变形参数较多,现有的反分析研究主要集中在算法的优化上,因而忽略了工程应用的便利性和实用性。针对这种状况,以南京某隧道工程为依托,结合数值模拟,提出了基于敏感性分析的反演方法。根据工程实际,将围岩和支护结构综合考虑分为初始围岩区(简称Z₁),松动圈与锚杆锚固共同作用区(简称Z₂)以及钢支撑和喷射砼等效作用区(简称Z₃);通过安排试算初始值,利用FLAC^3D程序计算并分析不同的力学参数对不同隧道变形的敏感性,从而确定反演流程;根据反演流程结合各测点的实测变形值获取合理、准确的围岩力学参数。研究结果表明:与常规的反演方法相比,通过敏感性分析确定隧道不同变形的主控因素,以此变形来反演该主控因素参数在很大程度上提高了工程应用的效率与可靠度;拱顶下沉受Z₁区弹性模量E₁、Z₂与Z₁区弹性模量比值n的影响较大,受围岩泊松比μ₁的影响相对较小;隧道收敛受E₁、n、μ₁ 三者的影响都较大;围岩力学参数反演结果为E₁=362.6 MPa、n=0.62、μ₁=0.30;现场应用证明了该方法的有效合理性。