深部巷道围岩分区破裂三维地质力学模型试验研究

 为模拟分区破裂的产生条件和破裂机制,以淮南矿区丁集煤矿深部巷道为工程背景,通过相似材料三维地质力学模型试验再现深部巷道围岩分区破裂的形成过程,通过多种测试手段获得巷道围岩内部的应变和位移呈现波峰和波谷间隔分布的波浪形变化规律,从巷道围岩的破裂现象及其应变和位移的变化规律,有效揭示深部巷道围岩分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究深部巷道围岩的非线性变形破坏机制奠定坚实的试验基础。     

深部岩体工程围岩分区破裂化现象研究综述

随着经济建设与国防建设的不断发展,深部岩体工程越来越多,如逾千米乃至数千米的矿山(如金川镍矿和南非金矿等)、锦屏二级引水隧洞及辅助洞、核废料的深层地下存储、深部地下防护工程等.深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩变形和破坏等出现了一系列新的科学现象.除了岩爆和围岩挤压大变形以外,围岩的分区破裂化现象也吸引了很多岩石力学工作者的关注.基于国外对分区破裂化现象的实验和理论研究,归纳出分区破裂化现象的主要特征参数及其变化规律,揭示分区破裂化现象产生的条件;提出这一领域的研究方向;同时介绍国内在该领域实验和理论方面的研究进展.     

深部巷道围岩分区破裂化现象现场监测研究

 随着矿产资源的开发,深部巷道围岩中出现了破裂区和完整区相间的分区破裂化现象,这是一种新发现的特殊工程地质现象,引起了国内外岩石力学界的关注,但相关研究还不深入。为在现场监测深部巷道围岩的分区破裂化现象,在淮南矿区近千米深井半径不同的巷道选择了4个监测断面,每个断面布置了3～5个钻孔,采用矿井钻孔电视成像仪对巷道断面围岩不同钻孔内的破裂情况进行了监测,监测到了围岩内的分区破裂化现象,并给出了4个断面围岩的分区破裂分布图。通过分析巷道所在岩层、地质资料及钻孔内裂隙的形状,说明裂隙是由巷道开挖引起的。监测结果表明,3个大断面巷道围岩内的相同破裂分区的半径和厚度相差不大,小断面巷道围岩内的破裂分区与大断面相似,只是相同各破裂分区的半径和厚度相应减小,表明各破裂分区的半径是巷道半径r的关系式为 (i = 1,2,3,4)。4个监测断面围岩内均产生了4个破裂分区,第1个破裂分区厚度与巷道半径相当,破裂程度最严重,第2个破裂分区其后各破裂分区厚度和破裂程度均依次减小。研究结果对于认识深部巷道围岩的破裂模式及其稳定性支护具有重要意义。     

基于岩石试验的深部巷道破裂围岩变形分区研究

考虑围岩流变特性,并结合深巷岩石全应力—应变试验曲线表现出峰后流动与跌落破坏的特征,将巷道围岩分为弹性区、塑性硬化区、塑性流动区和破裂区;然后,基于Drucker-Prager准则推导了围岩各分区应力、位移及半径的封闭解析;最后,结合工程实例对比分析了三种不同分区模型下的围岩应力分布规律及松动圈范围.研究结果表明:基于...     

深部围岩分区破裂化理论和实践的讨论

 由中国岩石力学与工程学会于2008年6月组织的中国科协第21期新观点、新学说学术沙龙,集中对围岩分区破裂现象以及相关的理论问题进行了讨论,内容涉及近期有关围岩分区破裂的研究成果,包括现场实测和实验室试验工作及分析,围岩分区破裂的形成机制、分区破裂各种现象的解析与数值分析方法,会议还讨论了论题的意义及其研究方法等方面的热点问题。对围岩分区破裂的研究具有探索性,目前的认识尚存在许多争论。对这一工作的讨论,不仅可以促进课题成果及其科学性,而且对整个科研工作的认识和处理方法也有启发性的影响。     

深部巷道围岩的分区破裂机制及“深部”界定探讨

通过分析巷道围岩的应力状态和变形破坏多阶段、多水平的性状，揭示巷道围岩最大支撑压力区的体积变形状态及其后果，得出深部围岩区域破裂现象的发生条件、岩体的初始压力和围岩全过程变形状态，尤其是围岩峰值后状态下材料的残留强度芙系。根据分区破裂现象的出现条件，提出界定浅部及深部工程活动的标准：浅部工程——坑道最大支撑压力区不破坏的深度：深部工程——坑道最大支撑压力区发生破坏的深度。     

爆炸荷载作用下深部块体变形运动规律研究

首先分析岩石作为地质体的非连续构造的块体性特征和运动变形机制，通过引入理论计算模型，总结块体运动和变形的理论计算方法；然后，运用数值手段研究爆炸荷载作用下块体运动和变形的基本规律，再现块体运动和变形的过程特征；最后，探讨相关参数对块体运动和变形规律的影响，包括爆炸距离、块间填充物的厚度和强度特征等。     

深部隧道围岩分区破裂的内变量梯度塑性模型

在变形进入到塑性阶段之后,隧道岩体中会产生显著的能量耗散和自我组织现象,岩体粒子之间的长程相互作用明显。为此需要在岩体模型中加入内变量梯度项。作为额外的内变量,引入有效塑性应变梯度这一新变量。利用虚功原理得到岩体的平衡方程、边界条件。利用Clausius-Duhem不等式获得岩体内变量演化方程。对于圆形深部隧道,由上述理论得到有效塑性应变的支配方程和边界条件,并利用岩体理想脆性模型求得支配方程的解。该解能够描述深部隧道围岩的分区破裂现象。     

深部不同断面巷道分区破裂形态与围岩结构控制

采用理论分析、现场实测、模拟分析的方法,研究了各向等压条件下等效开挖矩形、直墙半圆拱和圆形断面分区破裂形态及围岩稳定结构。结论：3个断面分区破裂形态不同,矩形断面分区破裂呈“■”状分布,直墙半圆拱断面分区破裂呈多层的“■”状分布,圆形断面分区破裂呈“花瓣”状分布;三个断面位移特征相似,位移等值线浅部呈正立的“鸡蛋壳”形,深部呈“碗”形;支承压力在主破裂面处降低,在最外层主破裂面头部集中,在破裂面之间完整岩层处升高,呈分区集中,“波谷—波峰—波谷”震荡增高的特征向外传播;理想正方形破裂面弦长有a_n+1=2(1/2)a_n(n=1,2,3,4)关系;浅部围岩分区破裂形成后,相当于深部围岩的伪开挖,3个断面均存在多层“■”形围岩承载结构。巷道稳定原理就是促进多层承载结构相互依存,共同承载。具体措施：加密、加粗、加长锚杆(索)支护结构,建立浅部与深部多层承载结构相互联系,在浅部形成稳定锚固体促进深部围岩稳定,主破裂面精准注浆修复围岩破裂面和限制主破裂面滑移。     

爆炸荷载作用下深部岩体动态力学特性研究

随着国民经济的发展,我国对能源的需求越来越大。煤炭掘进以爆破法为主,随着煤炭开采深度越来越深,面对的工程地质环境也越来越复杂。与浅部岩层相比,深部岩层受到高地应力,尤其是侧向高应力作用,爆破开挖对围岩产生的破坏和扰动作用更大,容易引发岩爆灾害。可以通过SHPB装置,研究岩石在不同围压、轴压作用下的应力应变情况以及与岩石弹性模量的关系。     

深部巷道围岩分区破裂现象的试验与现场监测对比分析研究

为了从本质上认识一些深部巷道中出现的围岩破裂区和完整区间隔排列的分区破裂现象。以淮南矿区丁集煤矿深部巷道工程为研究对象进行了模型试验研究。并通过对现场监测结果和模型试验结果的对比研究与相互验证,归纳分析出了分区破裂现象的主要特征和变化规律,指出分区破裂是与洞室呈同心圆的环状拉破坏断裂。研究结果对于认识深部洞室围岩的破坏方式,揭示深部洞室围岩的变形破坏机理具有重要意义。     

不同洞形与加载方式对深部岩体分区破裂影响的模型试验研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩将产生不同于浅部洞室的分区破裂现象。为研究分区破裂的破坏机制和形成机制,以淮南矿区丁集煤矿高地应力深部巷道为工程背景,采用模型相似材料和数控真三维加载模型试验系统,开展圆洞、城门洞和马蹄形洞在沿洞轴向和垂直洞轴向加载条件下的洞室开挖真三维地质力学模型试验。模型试验研究表明：(1) 初始最大主应力平行于洞轴方向且其量值超过1.5倍围岩单轴抗压强度是深部岩体产生分区破裂的重要条件;(2) 洞室分区破裂的范围与洞形和洞室尺寸有关,洞室尺寸越大,分区破裂范围越大。模型试验结果有效揭示分区破裂的形成条件和破坏规律,为深入研究高地应力深部岩体的非线性变形特征与破坏机制奠定了坚实的试验基础。     

深部侧空条件下顶板岩层分区破裂探测研究

 采用YTJ20型岩层探测记录仪,对新汶孙村煤矿埋深1 300 m、侧临采空的2222东回风巷内顶板破裂分区进行探测研究,结果表明：深部高应力是深部岩层分区破坏的根源;在侧空开采条件下,处于深部高支承压力集中的区域,顶板岩层内分区破裂数量将大于处于卸荷、大变形区域岩层分区破裂数量,但受岩层沉降大变形的影响,沿着卸荷、大变形区域岩层内原宽裂缝或离层的下部,在张裂作用下破裂区将进一步扩展,因此可以通过观测离层来确定深部较大尺度岩层分区破裂的位置;同时,岩性对分区破裂有一定的影响,粉砂岩比砂岩更易出现分区破裂现象。研究结果为进一步研究深部关键层结构及其力学特征,深部岩层分区破裂和深部岩石力学致灾机制之间的关系提供依据。     

爆炸荷载作用下地下结构与围岩动力相互作用研究

爆炸荷载作用下结构的动力响应一直是热点的研究课题,但是对于地下支护结构与围岩在爆炸荷载作用下的相互作用机理研究还很少。爆炸荷载属于破坏荷载,用实验方法进行研究存在很大的困难,因此应用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学有限元程序,采用流固耦合算法,对爆炸荷载作用下地下拱形结构与围岩的相互作用进行研究。研究结果表明:质点振幅和破碎区的大小与经验公式计算的数据基本吻合;不同TNT装药条件下,对于跨度较小(6m)的拱形支护结构,均发生剪切破坏形态,拱肩处峰值压力最大,成为结构受力的薄弱环节,设计中应采取加强措施。     

深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制 模型试验研究

根据对深部岩体的地应力特征分析和对洞室围岩受力变形特点的分析,提出深部开挖洞室围岩分层断裂破坏机制:由于深部开挖工程中岩体地应力数值较大,且最大地应力方向可能与洞室轴线平行,从而使洞室围岩在较大的轴向压应力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,并在围岩内产生较大的径向拉应变.该拉应变的分布特征是在洞壁处较小,在介质内较大,当洞壁介质内的拉应变值达到其极限值时,那里的围岩便发生断裂,这种断裂可以产生一层或多层,决定于轴向压应力数值的大小.上述认识采用洞室模型试验结果作了验证.研究结果不仅对民用深部开挖工程具有重大指导意义,对国防工程中的某些方面,如导弹发射井等也有重要启示作用.     

深部巷道破裂围岩强度衰减规律试验研究

 为研究深部巷道破裂围岩强度衰减规律,设计模拟巷道破裂区应力演化规律的应力路径,采用MTS815岩石力学伺服试验机对完整的砂质泥岩试样进行加卸载试验,得到不同损伤程度的初始损伤岩样;通过单试件法对初始损伤岩样在不同围压下的三轴强度特性进行试验研究。采用卸载点的应力减低比D?、体积膨胀比DV作为损伤变量,分别建立损伤岩样峰值强度及强度参数与二者的函数关系,研究成果表明,初始损伤岩样的峰值强度、黏聚力与内摩擦角随损伤程度的增大大幅减小,且呈指数衰减规律。     

深部岩体分区破裂化现象数值模拟

 利用数值手段模拟深部岩体分区破裂现象的产生及演化过程。从岩石的细观结构层次出发,基于最大拉应力准则和应变能密度理论建立单元破坏准则,并应用弹性损伤力学方法来模拟岩石的破坏行为,数值模拟过程中,必须考虑地下洞室开挖释放的能量足够引起围岩产生动力现象,即将开挖过程视为一个动力过程。基于上述思想,通过FLAC3D中的FISH语言开发分区破裂化现象的计算程序,并应用该程序求解某深埋巷道围岩破裂形态,得到破裂区和非破裂区的宽度和数量,数值模拟结果与现场观测成果有很好的一致性。     

深部圆形巷道破裂围岩的弹塑性分析

随着大量煤矿矿井开采深度的增加，在高围压的作用下，巷道围岩普遍出现破裂，而且围岩破裂范围在扩大的同时，往往出现继续破坏的现象。针对长的圆形巷道，将巷道围岩分成破裂区、塑性区和弹性区，采用Mohr-Coulomb准则，进行非关联弹塑性分析，获得其应力和变形的封闭解析解。通过利用在弹塑交界处应力连续的条件以及在破裂和塑性交界处径向应变连续的条件，获得确定围岩破裂区和塑性区半径的解析式。最后，给出一个算例，分析其破裂区和塑性区应力、应变的分布特点以及破裂区范围的影响。利用所获得的结果，可以为巷道的稳定性分析以及支护设计提供理论依据。     

超大断面隧道开挖围岩荷载释放过程的模型试验研究

以兰渝铁路两水隧道为工程背景,进行超大断面铁路隧道开挖支护的大比尺三维地质力学模型试验,对开挖过程中的围岩荷载释放过程进行研究。根据工程现场地质情况研制满足相似要求的新型模型试验相似材料,经室内试验验证,该相似材料与原岩材料的力学性质有很好的相似性,满足试验要求。结合现场实际工况在模型试验不同区段采用不同的开挖支护工法,首先研究全断面及台阶法开挖情况下的围岩荷载释放过程,通过试验数据的分析,揭示不同开挖工法隧道围岩荷载释放全过程的特点和差异。相同开挖工法下,同一断面上不同位置的荷载释放过程存在很大差异;同样,不同开挖工法条件下同一位置的围岩荷载释放过程也不尽相同。其次,掌子面前方围岩受开挖影响会在局部发生先行荷载集中,先行荷载集中程度与开挖工法和断面形式有很大关系,开挖面前方荷载集中程度过高会加剧掌子面围岩的挤出效应,不利于围岩的稳定。最后,通过有无支护开挖情况下围岩荷载释放过程的对比,说明施作支护能够有效缓解开挖过程中的掌子面先行荷载集中现象,减少荷载释放总量,优化隧道围岩荷载释放过程。     

爆破方法改变分区破裂巷道围岩应力传递

深部开采中的高地应力对巷道围岩的稳定造成很大的影响。地应力的大小虽然不可以改变,但是其分布却可以通过爆破方式,人为干预的方法,造成的局部的改变。笔者提出了一种新的解决高地应力下解决巷道围岩稳定的方法:通过巷道外部围岩内的装药结构,引爆后通过装药的内部作用在巷道顶部的装药区域贯通,造成分区破裂;分区破裂的强度降低,在周围高应力作用下,起到“孔洞”的作用,改变局部地应力的传递路径,一定程度上起到应力“间隔”的作用。计算结果表明,分区破裂的“孔洞”效应,改变了地应力在局部的传递路径,改变了地应力对巷道围岩的作用,使得巷道围岩及其支护趋于安全。本文提出的方法对维持巷道的安全、稳定具有很大的实用价值。