不同工况下深部围岩分区破坏非连续变形试验研究

以淮南矿区-1 000 m为典型代表的深部地下开挖工程引发的支护难题越发突出。针对丁集煤矿-910 m西二11-2采区南轨道大巷实测发现的巷道分区破裂化现象,基于深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验系统,开展了4种工况下硐室的模拟试验研究,旨在获取最大荷载方向与硐室轴线垂直、斜交、平行条件下巷道围岩的受力与破坏特征,揭示深部巷道围岩发生分区破坏的条件。试验结果显示,模型拱顶、侧墙和底板周边径向应变均呈现拉应变,形成环状裂缝;在较大轴压作用下,巷道周边产生剪切破坏和拉伸破坏,但拉伸、剪切破坏区的形成不同步,拉伸破坏的速度远大于剪切破裂的速度,使周边岩体产生这种不连续且交替出现的环状裂隙区。直墙圆拱巷道发生分区破裂的特点为帮部呈现分层断裂,拱顶和底部呈现滑移型断裂。研究结果可为深部高地应力下巷道围岩的支护对策及优化提供参考。     

最大水平主应力对巷道围岩稳定性的影响研究

基于金川三矿实测地应力和某分段巷道,采用理论分析,得出了σHv型应力场下巷道的最优布置夹角,针对最大水平主应力与巷道轴线呈不同夹角时的巷道布置,采用FLAC3D数值模拟软件进行数值模拟,对其应力分布、塑性区分布和围岩位移进行对比研究。结果表明,在σHv型应力场下,巷道的最优布置方式是与最大水平主应力成某一角度;当夹角达到一定程度时,巷道顶底板会出现大小相当的环向应力;引起巷道底板变形破坏的重要原因是水平应力。     

红庆梁矿12301胶运巷耦合支护研究

随着开采深度的增加,软岩巷道占比逐年加大,合理的软岩巷道支护方案为矿井安全高效开采提供了重要保障。为了研究掘进巷道不同数量锚杆、锚索耦合支护的效果,以鄂尔多斯红庆梁矿12301胶运巷掘进巷道为研究对象,利用FLAC^3D软件研究在不同数量锚杆、锚索联合支护条件下,12301胶运巷掘进巷道围岩塑性区和围岩应力规律。结果表明：在方案1的支护条件下,减少2根帮锚杆,围岩剪切破坏区明显增大,而在减少两根顶锚杆的情况下,围岩剪切破坏区变化不大。方案2在方案1减少两根顶锚杆的前提下,巷道顶板最大垂直应力增加了20%,巷道两帮最大垂直应力增加了0.3%.方案3在方案1减少2根帮锚杆的前提下,巷道顶板最大垂直应力增加了40%,巷道两帮最大垂直应力增加了0.93%.     

不同工况下深部围岩分区破坏非连续变形试验研究

以淮南矿区-1000 m为典型代表的深部地下开挖工程引发的支护难题越发突出.针对丁集煤矿-910 m西二11-2采区南轨道大巷实测发现的巷道分区破裂化现象,基于深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验系统,开展了4种工况下硐室的模拟试验研究,旨在获取最大荷载方向与硐室轴线垂直、斜交、平行条件下巷道围岩的受力与破坏特征,揭示深部巷道围岩发生分区破坏的条件.试验结果显示,模型拱顶、侧墙和底板周边径向应变均呈现拉应变,形成环状裂缝;在较大轴压作用下,巷道周边产生剪切破坏和拉伸破坏,但拉伸、剪切破坏区的形成不同步,拉伸破坏的速度远大于剪切破裂的速度,使周边岩体产生这种不连续且交替出现的环状裂隙区.直墙圆拱巷道发生分区破裂的特点为帮部呈现分层断裂,拱顶和底部呈现滑移型断裂.研究结果可为深部高地应力下巷道围岩的支护对策及优化提供参考.     

不同水平应力作用下巷道围岩破坏特征研究

为掌握不同水平应力作用下巷道围岩破坏特征,通过相似模拟试验方法研究了锚网索喷+U型钢支护巷道在不同水平应力作用下巷道围岩的变形和破坏特征。结果表明:随着水平应力的提高,巷道的变形先出现在拱肩和底角,围岩裂隙经历了产生—延伸—贯通的过程,巷道两帮的破坏程度小于顶底板的破坏程度,当侧压系数达到1.6,水平应力为28.0 MPa时,巷道底板出现滑移剪切破坏,且U型钢支架变形明显,当侧压系数达到2.2、水平应力为38.5 MPa时巷道变形量最大,达120 mm。     

深部平行巷道在构造应力场中的稳定性分析

选用 2D—σ有限元计算软件 ,对深部平行巷道在构造应力场中的稳定性进行了数值分析 ,着重讨论了深部平行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动态演化过程 ,探明了构造应力作用与深部平行巷道围岩变形破坏的动态关系及围岩破坏机理 ,给出了合理的岩柱间距。     

巷道围岩破坏形式与原岩应力场的关系研究

运用东北大学开发的RFPA2D程序模拟原岩应力变化时巷道围岩破坏过程,了解无裂纹巷道围岩破坏形式与原岩应力的关系。根据模拟结果,在垂直应力大于水平应力的情况下,破坏主要在巷道侧面上发生。反之,在巷道顶板和底板发生。2个应力之比越大,这样的现象越明显。2个应力相同的情况下,在巷道顶底板和两帮都发生破坏。因此巷道破坏形式与垂直水平应力之间的比值有关而与应力大小无关。     

巷道埋深对大断面巷道围岩变形及应力分布规律影响

针对断面大巷道难以支护、巷道变形严重等特点,采用三轴压缩试验和巴西劈裂试验对巷道围岩力学参数进行测试,利用数值模拟分析了大断面巷道围岩变形及应力分布规律。研究得出,随着巷道埋深的增加,巷道垂直位移越来越大、垂直应力集中系数逐渐减小、垂直应力逐渐向深部延伸、巷道底板泥岩出现软岩的性质,巷道围岩破坏深度和破坏面积也逐渐增加。     

高垂直应力状态下巷道围岩分区破坏特征试验研究

通过自行研制的CM60/10平面应变试验台配合三轴伺服试验机,发挥伺服稳压性能,采用相似材料模拟配合数值模拟验证的手段,分析了高地应力λ<1状态下无支护巷道围岩破坏过程及特征。试验结果表明:1)破坏首先发育在巷道两帮中线,局部破坏产生后,逐渐形成一对"楔形"破坏区域。在应力卸压区内,围岩呈分区破裂形式。深部滑移线由"楔形"破坏区域尖端点处开始延伸,基本符合对数螺线形式;2)巷道破坏过程中,依次出现"楔形破裂带","二次破裂带""贯通失稳带"3个过程分区。研究指出此类地应力下不同变形时期内,除控制顶底板初始变形外,围岩裂隙控制的重点应依次在巷道两帮、肩部和底角、顶板;3)通过对λ<1状态下围岩破坏的数值模拟发现:两帮围岩垂直应力呈"波浪状"分布,塑性破坏区呈"分区演化",垂直位移呈"锯齿状"分布,与物理试验基本吻合。     

岩石在一般三维应力下控制应变的应力轨迹

为解释地下开挖空洞后岩体内的地压现象,需要掌握一般应力下岩石的变形和破坏特性。为此,考虑中间主应力的影响而兴起了真三轴试验。做为真三轴试验,一般加载过程有: (1)将最小主应力σ_3和中间主应力σ_2加到给定值后,保持给定值不变,同时增加最大主应力σ_1。对于σ_2=σ_3来说,相当于常三轴试验;     

内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响

巷道围岩分区破裂化(或分区破碎化、分区碎裂化)是指在深部开挖巷道时围岩交替呈现破裂区和未破裂区的现象,该现象与对围岩破坏的传统认识不同。正确认识不同强度围岩分区破裂化的发育程度,可为其治理及应用奠定基础。巷道掘进会引起掘进工作面附近岩石涌向巷道,这将导致掘进工作面附近垂直于巷道轴线平面的应力状态并非平面应变,而是三维状态。采用以FLAC~(3D)应变软化模型为基础发展的非均质应变软化模型(通过引入Weibull分布函数实现),研究了内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响,考察了围岩中剪切应变增量、最小主应力及最大主应力在巷道即将贯穿模型时的分布规律。研究发现:①内摩擦角越小,围岩的破坏越严重,剪切带的发育越充分,分区破裂化越明显;②并非围岩的破坏就会导致分区破裂化,围岩破坏到一定程度后,才会出现分区破裂化;③分区破裂化的机理为:在载荷及开挖作用下,在过巷道轴线的平面上,随机分布的缺陷发展成(共轭)剪切带,从而在垂直于巷道轴线的平面上,形成多个相间隔的圆环形的破坏区。本文过巷道轴线平面上的结果与室内实验结果在定性上一致。根据本文的研究,在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化不同,这意味着不必选择统一的巷道支护参数,例如,在分区破裂化显著的部位,延长锚杆的长度,反之则不然。     

卸压爆破振动下锚索支护全煤巷道动力响应特征

针对目前参数不合理的卸压爆破常损伤巷道围岩,减弱防冲效果的问题,基于PASAT-M型便携式微震系统实测的卸压爆破振动参数,并引入爆源模型对爆破震源进行描述,由此在FLAC3D4.0平台上研究了卸压爆破下巷道围岩的损伤破坏模式以及锚索支护的振动特征。研究发现:剪切破坏是爆破振动下巷道围岩的主要破坏模式。爆破振动下近场围岩应力水平出现小幅增加,其中顶板内水平应力增幅约为8%,爆破帮内垂直应力增幅在8.3%,爆破后近场围岩的弹性应变能得到一定的释放。卸压爆破通过造成支护结构锚固段附近煤体变形损伤,而导致锚索支护轴力的降低。利用三维全景钻孔窥视方法对巷道围岩裂隙带进行现场实测,验证了数值模拟结果的可靠性。     

深部巷道破坏分区破裂规律三维相似材料实验

为了探究不同应力状态下巷道围岩的分区破裂规律、影响因素,选择沙土材料为相似材料进行三维模拟实验。试验采用3种加载方式：双向加载、 “圆筒模型加载”和真三轴加载,分别模拟不同采深时围岩的应力状态,巷道的断面形状分别选取了圆形、方形。模型试验研究表明：分区破裂属于空间剪切带破坏,平行于硐室轴线方向应力较大(约是材料抗压强度的1.6倍以上)是形成分区破裂的重要条件。影响分区破裂的因素有围压的大小与分布,开挖巷道所在岩层的相邻岩层性质。围压大且均匀,分区破裂范围大,围压较小且不均匀,分区破裂不明显。层与层之间材料不同时,会影响到裂纹的扩展。而硐室形状对分区破裂的影响因素较小。圆形、方形硐室周围都出现了分区破裂现象。     

复杂采动条件下不同巷道断面形状围岩稳定性分析

依据济三煤矿实际的地质条件及地质资料,采用有限元数值模拟软件FLAC~(3D)模拟了183_下05工作面带式输送机顺槽是矩形断面与等腰梯形断面沿底板掘进,183_上07工作面后回采。得到了不同巷道断面掘进的巷道围岩应力应变情况,通过应力及应变数据得出:当183_下05工作面带式输送机顺槽掘进未支护时,巷道围岩垂直应力与水平应力规律基本一致,但是梯形巷道水平位移量要小于矩形巷道,梯形巷道垂直位移规律与矩形巷道相反,底鼓量大于顶板下沉量。     

相邻空区影响下三软巷道变形破坏规律与煤柱留设宽度研究

为了探究相邻空区影响下三软煤层巷道掘进时不同煤柱宽度下巷道围岩变形破坏规律,采用理论计算、数值模拟、物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,分析存在临空区后不同区段煤柱宽度下巷道围岩应力演化规律、塑性破坏范围以及位移分布特征。结果表明：临空区是造成巷道掘进后非对称破坏的主要原因,使煤柱主应力方向与垂向夹角增大,巷道两帮应力呈煤柱侧大于实体煤侧的非对称分布特征;三软巷道破坏形式以剪切破坏为主,破坏主体为两帮,随着煤柱宽度增大,主应力方向与垂向夹角减小,巷道围岩破坏程度降低,临空区对巷道不同位置的影响程度不同,巷道中部围岩破坏程度大于端头处且煤柱侧破坏程度大于实体煤侧;煤柱宽度增大对巷道围岩应力以及煤柱破坏的改善程度有限,现场结果显示当煤柱宽度为20 m时巷道正常维护满足需求。     

深部围岩分区破裂化模型试验研究

为研究深部巷道围岩破裂机理,在"深部巷道围岩破裂机理与支护技术模拟试验装置"进行了模型试验,系统研究了深部巷道围岩在最大初始开洞荷载与洞室轴线平行作用下直墙拱顶试验的破坏形态和机理。模型试验表明:当最大主应力与洞室轴线平行,在较大轴向压力作用下产生较大的朝洞内的膨胀变形,使得在围岩内产生较大的径向拉应变,其产生的拉伸断裂是出现分层破坏现象的关键,分布特点是随着轴向应力的增加其拉应变值增加,随距洞壁距离的增大其拉应变值减小。拉伸断裂面形成后,相当于在原来的介质内又形成了一个新的半径增大的洞室,洞室在较大的轴向压应力持续作用下,拉伸破坏过程不断重复出现,就会形成交替的破裂区域和未破裂区域,即分层破裂现象。     

增量荷载作用下深部煤巷冲击破坏规律模拟试验研究

为研究深部煤巷道围岩应力状态与围岩结构冲击破坏之间的关系,探索深部煤巷冲击地压发生机制,利用设计的可水平和垂直双向增量加载相似模拟试验平台,试验分析了巷道围岩全过程(自掘进至成巷)应力演化及宏观破坏特征,研究了增量荷载作用深部煤巷围岩冲击破坏规律。研究得到:(1)掘进成巷时,巷道围岩体为应力卸荷状态;成巷后,巷道围岩应力开始进入"缓增—快增—缓增"波动阶段;当巷道模型左侧和顶部载荷增加时,围岩变形增大、局部破坏明显,巷道围岩应力开始进入"快增—突变"阶段,巷道发生冲击破坏;冲击破坏后,巷道围岩应力进入"降低—稳定"阶段,与载荷增加前的围岩应力大小相比,顶底板岩层、左帮、右帮浅部等煤体应力基本恢复到冲击破坏前的大小,但巷道右帮煤体深部应力仍处于较高应力状态。(2)深部煤巷围岩冲击破坏与其应力状态呈正相关关系,静载作用下围岩应力呈波动缓增状态,围岩结构破坏不明显;增量荷载作用下,巷道围岩应力呈快增突变状态,局部围岩破坏明显、冲击破坏发生,围岩应力经历了从初始增加到波动增加、再到突变及平衡共7个演化阶段,试验再现了围岩冲击破坏发生的全过程,揭示了冲击破坏发生时的围岩应力突变特征。(3)在山东滕东煤矿3_下113综放工作面开展了工程实践研究,现场实测表明,试验结果基本符合现场实际,验证了本文试验方法及结果的可靠性。基于试验结果,提出优化调整巷道围岩应力时空变化和提高围岩整体性的围岩卸压与补强支护技术方案,为深部煤巷冲击地压防治提供了重要依据。     

煤层“压出”及其预防措施

<正> “压出”是煤层边缘的一种动力现象,这种现象早已出现在顿巴斯矿区并且进行了深入的研究。“压出”发生的条件是:开采深度在300～400米以上[1],围岩坚硬,煤层厚度小强度大。煤层破坏时,采区瓦斯涌出量小。“压出”发生在一瞬间,此时的顶底板相对移动量占采煤班总移动量的 25～60％。由于“压出”发生在一瞬间,因此难于查明,这在很大程度上妨碍了寻找预防的科学根据。 在工作面控顶区内,弹性煤层在顶底板相对移动的影响下产生垂直的相对变形量ε_1。此时的相对变形量ε_2等于零。变形量ε_3(沿巷道轴线)由这个方向的应力σ_3确定。     

层状岩体圆形巷道破坏特征及锚固支护对比试验研究

为获得层状岩体圆形巷道变形破坏特征及锚固效果,采用CM60/10平面应变试验台配合三轴伺服试验机,通过相似材料模拟技术,对初始埋深400 m的层状岩体圆形巷道模型逐级施加载荷,对比分析了高垂直应力(λ1)条件下无支护及锚网索喷支护圆形巷道围岩变形破坏特征。试验结果表明:无支护状态下巷道两帮围岩出现明显的"楔形"破坏区域,以巷道腰线为中心,两帮浅部围岩亦出现相向垂向移动,顶板出现"月牙状"块状冒落,底板出现明显鼓胀,巷道围岩整体变形破坏严重;加载后期,无支护状态下巷道顶板下沉量、底板底鼓量明显增大,而锚固支护在相同地应力作用条件下,顶板下沉量、底板底鼓量基本呈线性增长且增长速率较慢,有效控制了巷道围岩的变形破坏。     

非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征与围岩破坏规律

通过理论分析对受三向应力非静水压力条件下的巷道围岩偏应力场与应变能密度分布规律进行了深入研究,以此来探究巷道围岩破坏规律,巷道塑性区数值模拟结果与现场工程实例验证了理论结果的正确性。研究结果表明:①非静水压力条件下,不同的主导型应力场中,巷道围岩偏应力场分布规律差异较为明显。σ_x主导型应力场中,巷道顶底板偏应力大于两帮;σ_y主导型应力场中,巷道顶底板与两帮偏应力大小差别不大;σ_z主导型应力场中,巷道两帮处的偏应力大于顶底板。主导应力值的变化会引起巷道围岩偏应力分布数值上的变化,不引起偏应力分布形态的改变。②等p、等q时,在σ_x与σ_y主导型应力场中,巷道顶底板应变能密度大于两帮,而在σ_z主导型应力场中,巷道两帮应变能密度大于顶底板。等p、不等q情况下,3种主导型应力场中,巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的增大而增大;等q、不等p情况下,巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的减小而增大。③三向应力状态下,巷道围岩应变能密度分布规律可以反映塑性区形态。M<1时,任意主导型应力场中,巷道围岩应变能密度呈椭圆形分布,M>1时,巷道围岩应变能密度呈“8”字形或“X”形分布。处于σ_x主导型应力场中的巷道需注重巷道顶底板的支护;对于σ_y主导型应力场,巷道在围岩条件较差时,应注重全断面支护;对于σ_z主导型应力场,需注意围岩塑性区出现“X”形扩展。④回坡底1021巷围岩偏应力场与应变能密度均呈倾斜的“8”字形分布,工程现场与巷道围岩偏应力场及应变能密度分布规律相互验证。基于理论分析结果,对回坡底1021巷提出非对称性支护技术,现场应用效果良好。