巷道围岩渗流场和应力场各向异性特征分析及应用

依托范各庄煤矿12号煤层底板的砂岩巷道工程实际,应用岩体结构面非接触测量（ShapeMetriX3D）系统,对巷道开挖面进行岩体结构面数字摄影测量及识别,得到岩体结构面的几何分布参数;在此基础上,利用Mont-Carlo方法生成裂隙网络,分别利用离散介质渗流方法和几何损伤理论计算岩体的渗透张量和弹性张量,研究了岩体力学参数各向异性和尺度效应;最后,建立了平面应变情况下的巷道围岩各向异性渗流力学模型,采用COMSOL Multiphysics多物理场分析软件,计算得到了可以考虑节理分布特征的巷道围岩应力场和渗流场,并讨论了岩体力学性质主方向对围岩应力场、渗流场及损伤区的影响。研究表明,岩体的各向异性对数值模拟结果影响显著,等效连续介质的各向异性模型能考虑岩体结构面的影响,更符合工程实际。     

含结构面岩体三轴压缩试验数值模拟研究

基于现行岩体力学试验方法, 建立三轴压缩试验数值模型并辨识模型的可行性。以风滩水电站为背景, 对含结构面的岩体进行三轴压缩试验数值模拟, 研究了岩体等效弹性模量各向异性的尺寸效应以及岩体结构面倾角、间距等因素对岩体等效弹性模量的影响。采用此法模拟岩体三轴压缩试验0求解岩体等效弹性模量, 克服了承压板变形试验求解岩体等效弹性模量的理论缺陷, 避免了现场岩体三轴试验周期长、代价昂贵等不足, 为求解含结构面岩体的宏观力学参数开辟了一条新的途径。     

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。     

单轴压缩下页岩力学特性的各向异性试验研究

为了研究页岩的物理力学特征及其各向异性,为掌握页岩气开采过程中水力压裂网状裂隙的扩展规律提供技术参数,开展了龙马溪组页岩的电镜扫描和单轴压缩试验,分析了基于不同层理面页岩的微观结构、力学参数、破坏特征等各向异性。结果显示：页岩的各向异性是其固有特征,且该特征决定了页岩的力学性质、破坏模式均表现出各向异性。当取芯方向与层理面夹角θ=0°时,破坏模式为张拉破坏;当θ=22.5°时,为沿着层理面的剪切破坏和平行于轴向方向的张拉破坏;当θ=45°时,为沿着层理面的单一剪切破坏;当θ=67.5°时,为沿着层理和贯穿层理的复杂剪切破坏;当θ=90°时,为贯穿层理面的张拉破坏。页岩的纵波波速、弹性模量、单轴抗压强度以及泊松比也都表现出一定的各向异性。     

分形几何在研究层状岩体断裂滑落中的应用

应用分形几何研究了层状岩体断裂滑落的分形几何特征，并建立了层状岩体断裂滑落的分形模型，研究结构表明，分形维数值的大小与岩体层理面、节理面的分布及其力学特性密切相关，且最低的分形维数通常出现在层状岩体即将发生滑落之处，故可用分形维数的变化预报层状岩体的滑落。此外，还结合块体理论解析法实例，分析了巷道周围层状岩体的断裂滑落，其结果与分维理论分析结果一致，为进一步研究地下开采引起的采场围岩移动，乃至地表     

基于复合材料力学的锚固巷道数值模拟研究

为了建立一种符合锚喷支护围岩稳定性分析和支护参数总体评价的简化等效计算方法,应用复合材料力学的基本原理,建立了加锚岩体的复合材料力学模型。首先将锚杆和砂浆视为弹性体,推导了锚杆-砂浆复合体等效力学模型的弹性参数;然后将岩体和锚杆-砂浆复合体视为复合增强材料,建立了横观各向同性体模型,并推导了该等效力学模型相应参数的确定公式。在此基础上依据工程实例,分别进行了复合后巷道模型与常规离散巷道模型的数值模拟研究;通过对巷道两帮、顶、底部位移和围岩应力的对比分析,验证了该等效方法的可行性和适用性。     

薄煤层回采巷道煤岩体结构面研究初探

半煤岩巷道为开采薄煤层煤炭资源而设计的,深入剖析了半煤岩巷道在围岩结构、力学性质及围岩变形、破裂等层面上的不连续性,将半煤岩巷道帮部煤体与岩体交界面定义为煤岩体结构面,研究了基于结构面粗糙度系数估算的煤岩体结构面强度以及相关材料参数选择方法。研究成果对于半煤岩巷道煤岩体结构面稳定性研究及巷道围岩控制具有重要意义。     

损伤力学理论在矿山边坡工程研究中的应用

应用损伤力学理论对某矿山边坡进行了解析，引入损伤张量模拟岩体的不连续性，并采用损伤模型的有限单元法和常规的有限单元法，对该边坡的力学特性和变形特征进行对比分析。结果表明，损伤力学模型能反映由不连续面分布形成的岩体各向异性。     

考虑渗流作用的深部巷道围岩让压——锚注耦合控制规律研究

地下水的存在给巷道围岩稳定带来了较大威胁,为了研究地下水渗流作用对深部巷道支护的影响,基于渗流对岩体体积力等效理论和让压—锚注锚杆的等效强度准则,应用弹塑性理论,推导了渗流作用下巷道围岩塑性应力场与塑性区分布的理论解,并利用等效圆方法给出了考虑现场渗流作用下的让压—锚注锚杆支护方案参数确定方法。以鲁西南地区某矿为例,给出了矿井回风大巷的锚杆长度、间排距、预紧力等参数,通过FLAC3D数值模拟对支护参数取值合理性进行了验证。研究表明:(1)考虑渗流作用后,巷道围岩塑性区增大,稳定性系数减小,通过减小间排距能够有效减少塑性区分布;(2)通过理论计算确定现场参数,利用数值模拟验证结果表明:现场支护方案能够显著提高巷道稳定性,有效减少塑性区的范围,控制围岩变形。     

岩体结构面表面形态基本特征及其应用研究

岩体结构面表面形态基本特征的研究有助于正确评价结构面粗糙度系数ＪＲＣ。作者在大量野外调查的基础上指出，岩体结构面表面形态具有各向异性、各质异性及非均一性；相应地，ＪＲＣ和结构面力学性质也具有各向异性、各质异性及非均一性。为此，作者提出了定向统计研究ＪＲＣ和岩体结构面力学参数的思想。     

基于断裂力学的层状岩石Hoek-Brown准则修正模型研究

本文基于各向同性Hoek-Brown强度准则的断裂力学理论,从层状岩石细观断裂机理出发,分析初始微裂纹沿层理分叉后起裂条件,考虑初始裂纹引发岩石破裂的临界角,建立层理弱面主导裂纹偏转的参数m₁各向异性公式,引入考虑岩石沿层理和基质混合破裂修正系数,得到Hoek-Brown强度准则的各向异性修正模型。对比其他各向异性Hoek-Brown模型以及页岩三轴试验结果证明了模型的有效性。修正模型继承了各向同性Hoek-Brown强度准则的断裂力学理论对于岩石破坏特征量的选择,反映了岩石的细观破坏机理,同时考虑层理各向异性的影响,准则中的相关参数物理意义明确。模型中参数m与层理面角度、层理及岩石的抗拉强度、抗压强度、摩擦系数有关,其中层理面摩擦系数的变化会引起参数m极小值点位置及岩石强度特性发生改变。     

巷道围岩连锁冲击破坏机理及稳定控制方法研究

利用虚拟交界面将巷道围岩整体结构分成若干岩体单元和弹性单元，建立巷道围岩连锁冲击破坏理论及其力学结构模型，分析了不同静载、动载组合巷道围岩连锁破坏形式，建立了连锁破坏的力学方程和能量方程，揭示了巷道围岩储能结构、阻力结构在冲击启动和破坏过程中的作用和影响机制。研究表明，冲击地压是动力扰动诱发煤岩体内部弹性能突然释放的结果，其中煤岩体储能结构是冲击破坏的内因和动力源泉，动载诱发局部岩体破坏和能量连续释放；煤岩体冲击破坏时，其整体结构转变为向巷道自由空间运动的多滑块（岩体单元）结构，各滑块间存在相对运动、挤压以及弹性单元触发产生的冲击力，使各岩体单元的速度和加速度均处在动态变化当中；巷道围岩防冲控制的有效思路是调整巷道围岩整体结构，合理分布储能结构和冲击阻力结构，主动破坏能量持续解锁所需的弹性单元，使巷道周边围岩由储能结构转变为阻力结构区域。     

基于结构表征单元体的岩体力学参数选取

针对基于数值试验岩体力学参数的选取开展研究。通过现场节理裂隙调查、统计分析得到岩体节理面分布模型;采用三维随机节理模拟技术构建基于统计分析的岩体表征单元体数值模型,并就此开展单轴压缩数值试验确定结构表征单元体;对表征单元体进行三轴压缩数值试验,确定岩体的抗剪强度参数。研究结果表明：研究角砾岩的表征单元体尺寸为2m×2m×2m,得到的岩体力学参数与基于Heok-Brown强度指标较为一致;块体采用摩尔-库伦本构模型、节理面采用库伦滑移本构模型能够较好地反映研究角砾岩体的力学特性;基于结构表征单元体的岩体力学参数选取方法是合理的。     

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。     

基于各向同性弹性损伤的巷道围岩应力场分析

煤岩体中存在大量的微裂纹,微裂纹的发生与扩展造成煤岩体的损伤。将各向同性弹性损伤本构关系应用于巷道的损伤分析,得到了损伤效应函数与损伤变量的表达式,确定了巷道围岩损伤范围和应力分布规律,其结果可用于指导巷道支护方式的选择和稳定性分析。结果表明巷道围岩的损伤主要与地应力有关。当巷道埋深较浅或构造应力较小时,巷道围岩只发生弹性变形;当巷道埋深较深或构造应力较大时,巷道围岩发生各向同性弹性损伤。同时巷道围岩的损伤还受围岩的力学性质影响。     

结构性效应对层状岩体力学特性与破坏特征的影响

煤矿地层广泛分布有层状砂岩、煤、页岩等层状岩体,层状岩体是一种沿着层面力学性质相同、垂直层面力学性质各异的各向异性岩体,基质和层面的不同组合导致层状岩体具有尺寸效应、层理密度和层面倾角效应等结构性效应,将影响层状岩体的强度和破坏特征。针对结构性效应对层状岩体力学性质和破坏特征的影响,开展了基质的尺寸效应、层状岩体的层理密度和层面倾角效应研究,分析了结构性效应对层状岩体应力-应变曲线特征、峰值强度、变形特征和破坏特征的影响。结果表明：峰值强度和弹性模量均表现出随试样高宽比增大而减小的尺寸效应;围压对尺寸效应有弱化作用,围压约束条件下,岩体结构性失稳程度减弱,延性特征逐渐显现;层面倾角为90°时层状岩体的峰值强度和弹性模量达到最大值;围压和层面倾角影响层状岩体的脆延转化特性、损伤程度和破坏形式。研究结果可为深井巷道层状围岩力学参数标定和破坏机制分析提供重要的理论依据。     

孔隙水压对岩体蠕变影响研究

将巷道围岩视为多孔介质，考虑地下水渗流作用的影响，应用弹性力学理论以及粘弹性蠕变力学理论。导出了巷道围岩的应力、应变、位移等的分布规律，以及它们与孔隙水压力之间的关系；找到了影响蠕变的又一主要因素——孔隙压力，建立了深部岩体非线性蠕变的力学模型和数学模型。     

损伤力学理论在矿山边坡工程中的应用

应用损伤力学理论对某矿山边坡进行了解析,引入损伤张量模拟岩体的不连续性,并采用损伤模型的有限单元法和常规的有限单元法,对该边坡的力学特性和变形特征进行对比分析。结果表明,损伤力学模型能反映由不连续面分布形成的岩体各向异性。     

三软煤层沿空巷道上覆岩体结构的稳定性分析

根据淮北朔里煤矿五煤层沿空巷道上覆岩体结构的力学特点，对该矿“三软煤层”沿空巷道上覆岩体结构稳定性进行了理论分析，为沿空掘巷采用锚杆支护提供了充足的理论依据，为支护参数的选择及优化提供了理论基础。     

基于单弱面理论对板岩巴西劈裂试验研究

为了揭示板岩这种层状岩体抗拉强度的各向异性,笔者根据层状岩体巴西劈裂试验圆盘平面应力的弹性力学解析解,并结合单弱面理论,建立了不同层理角度θ与抗拉强度的关系式。通过对不同层理角度θ下的试件进行巴西劈裂试验,得到：随着θ从0°变化至90°,强度因子呈现两端大中间小的趋势;运用单弱面理论得到的强度关系式可以较好地反映出在含有层理面时巴西劈裂试验抗拉强度随层理角度变化的规律;当0°≤θ＜25.2°或72.6°＜θ≤90°时,属于纯拉伸破坏;当25.2°≤θ≤72.6°时,岩块受层理面影响,属于沿层理面剪切破坏。