锚索支护前对红透山铜矿深部斜坡道围岩发生层裂破坏数值分析

围绕红透山矿红透山矿深部-707m水平13#采场斜坡道围岩层裂破坏,通过现场工程地质调查、岩石力学实验、围岩应力分析,对13#采场斜坡道的围岩质量进行分析及岩体力学参数估算;在此基础上,应用FLAC3D分析回采对斜坡道围岩层裂破坏影响,开采矿体围岩在切向应力作用下,岩体微裂纹沿切向应力方向扩展、贯通,形成平行于开挖边界的宏观裂缝;数值分析采动过程斜坡道围岩层裂发生力学机制及其围岩应力场变化规律,数值模拟结果表明,深部斜坡道围岩高应力、采动应力以及爆破震动共同作用造成岩体产生层裂破坏。     

深部采动影响下硬岩巷道围岩稳定性数值模拟研究#br#

深部巷道围岩稳定性与开采扰动密切相关。以红透山铜锌矿-767 m 中段 13#、14#采场斜坡道为工程 背景,根据现场地质调查和岩石力学实验,进行岩体质量分级和岩体力学参数估算;依据矿山采矿计划,建立数值 模型,分析采动影响下巷道围岩的应力、塑性区和位移变化规律。结果表明：在距离巷道帮部和顶板 0.5 m 和 1.0 m 范围内最小主应力值较小,帮部和顶板易发生张拉破坏,而最小主应力在巷道拱肩附近就达到较大值,巷道拱肩易 发生剪切破坏;随着开采的进行,最大主应力峰值呈现先增加后减小的规律;最大主应力集中区沿顺时针方向转 动,围岩出现蝶形塑性区,并呈不对称分布;巷道整体向采场方向倾斜移动,对开采过程研究表明,相同水平开采对 巷道的稳定性影响最大。     

红透山铜矿采场矿柱破裂过程的数值模拟

基于对红透山铜矿采场矿柱破坏形式的现场调研,发现高应力下矿柱破坏形式主要为剥落、劈裂破坏、剪切破坏3种形式。为研究其采场矿柱破坏的力学机制,依据红透山矿采场的实际情况及矿岩分布模式,将红透山矿矿柱分为3种矿岩组合模型。以此为基础,应用基于有限元的数值分析方法,对3种矿岩组合矿柱模型的破裂模式进行了模拟分析。数值计算结果表明：I型矿柱均为矿石,其破坏形式为X型剪切破坏;II型矿柱为矿岩组合,其破坏形式主要为矿柱上部围岩发生破坏,而在矿柱下部矿体仅仅产生一些裂纹;Ⅲ型矿柱为上下围岩中间夹矿,裂纹先在上下2层围岩中产生,继而向中间矿石扩展,直至最后裂纹贯通,矿柱失稳。该数值分析结果可为类似矿山矿柱的设计提供一定的参考依据。     

屈曲型岩爆的发生机制及其时效性研究

为分析深部巷道围岩层裂薄板结构的形成机制和屈曲型岩爆发生的力学机理,采用数值模拟方法对深部巷道开挖过程中围岩主应力的分异演化规律进行了研究。基于三参量黏弹性本构关系,以屈曲型岩爆的层裂薄板结构为力学模型,推导出了二向受力下屈曲型岩爆的压屈时效方程,探讨了不同应力状态下屈曲型岩爆的时效特征。结果表明:在以垂直应力为主导的巷道在掘进过程中,巷道顶部和底部的主应力水平在逐步减小,岩体能量逐步释放;而巷道两侧边墙的主应力出现严重的分异现象,切向应力变大而轴向应力减小,岩体能量向两侧转移并大量积聚。以水平应力为主的巷道在掘进过程中,围岩应力状态的演化过程及能量积聚特征与此相反。围岩层裂薄板结构形成后,在切向应力和轴向应力的二向应力作用下发生蠕变弯曲变形,经过一段时间,当变形达到某一限值时,层裂薄板结构就会发生屈曲失稳破坏并释放岩体内积聚的弹性变形能,产生延迟岩爆现象。     

深部硬岩矿床采动应力理论与解析方法

深部高应力特殊环境条件下的采场受开采扰动的影响,围岩经常失稳破坏,给矿山生产、设备和人员安全带来了严重影响,为此,提出了深部矿体开采诱发采动应力概念,在传统圆形应力分析计算应力分布的基础上,建立椭圆形采场结构物理分析模型,应用弹塑性物理力学模型对深部倾斜、水平椭圆形采场围岩的采动应力进行解析和计算,推导出椭圆形采场上盘、顶板采动应力计算公式;在此基础上,引入岩体强度因数(RSF),通过采动应力与安全系数(F)和岩体强度乘积之比,进行采场围岩体稳定性判断。以某铜矿1 500 m深采场为实例,分析判断采场上盘围岩失稳。本研究为深部采矿方法设计、采矿结构尺寸计算与采场稳定性分析提供理论基础。     

深部煤层底板岩层卸荷动态响应的变形破裂特征研究

采用理论分析、数值模拟和现场实测综合研究方法,系统阐明了深部采场底板围岩三维应力场的空间分布特征和时间变化规律,揭示了深部采场底板围岩在多力学参量作用下的裂隙演化力学机制。研究表明,底板岩层卸压扰动应力场的重分布具有选择性,底板岩层3个方向的应力并非完全卸压,部分区域甚至存在水平应力集中。采场底板围岩中最大主应力的集中与方向的偏转,引起最大主偏应力大小和形态的变化,进而引起采场底板围岩原始裂纹的起裂与扩展。依据采场底板围岩最大主偏应力场的差异性,将煤层底板岩层划分为未受采动影响区、过渡区、最大主偏应力集中区和卸压膨胀区4个区域。与实测资料对比表明,充分采动前,采场底板围岩中最大主应力集中区以上,岩体由整体连续渐变为宏观断裂将经历3个阶段,分别为超前支承压力作用下的预先随机微破裂、最大主偏应力集中引起的裂纹稳定扩展、裂纹间突变协同效应引起的宏观拉伸破坏。研究成果为深部采场底板危险区块快速判定与主动调控提供了理论基础。     

高承压水上底板采动岩体裂隙演化规律研究

为深入研究深部高应力、高水压和强开采扰动复杂环境下的岩体破裂问题,按裂隙产生的位置和机理,将深部底板采动岩体裂隙分为剪切裂隙、层向裂隙和竖向张裂隙,利用力学知识分别演算获得了三种类型岩体裂隙的起裂准则。借助"钻孔双端封堵侧漏装置"对赵各庄煤矿1237工作面进行的底板破坏实测结果,研究了深部底板采动岩体的裂隙演化实测规律。结果表明:煤层采深越大,底板采动破坏深度越大;煤层开采过程中深部底板采动岩体的原生裂隙呈现先闭合后张开再闭合,新生裂隙起裂发育后逐渐闭合的演化规律;底板岩体破坏的初始位置和裂隙发育程度与岩层的岩性、受力等因素有关,验证了深部底板采动岩体裂隙起裂准则分析的准确性。     

深部硬岩巷道围岩板裂破坏试验研究进展与展望

深部硬岩巷道及隧道围岩开挖后易诱发大致平行开挖面的板裂或层裂破坏现象,严重影响深部工程的稳定和安全。板裂现象的形成不仅与开挖前深部围岩岩性、所处应力环境有关,还与巷道开挖过程中围岩所经历的应力路径密切相关。室内试验是研究深部围岩板裂破坏的一种重要方法,而比照深部硬岩巷道开挖的应力条件和应力路径开展室内试验研究是获得板裂破坏特征和科学揭示板裂破坏形成机制的关键。根据室内试验研究所选的试样类型出发,从实心长方体试样板裂试验、含预制孔洞试样板裂试验以及“先加载后孔内卸荷”板裂试验三方面,重点介绍了板裂破坏室内试验设备发展情况和取得的研究进展,总结了板裂破坏室内试验研究中主要存在的问题和难题,提出了板裂破坏室内试验研究的未来发展趋势和方向：(1)研发与岩石性质相似的3D打印材料,构筑深部岩体大尺度巷道开挖模型试验试样;(2)研制能真实模拟巷道围岩应力条件和应力路径的大尺度、高吨位的真三轴试验系统,实现三维应力环境中巷道开挖过程模拟;(3)开发能显示围岩实时变形、裂隙和应力状态的监测技术和软件。在此基础上,开展室内巷道板裂破坏试验模拟,并结合数值模拟试验结果,总结板裂破坏特征和演化规律,获得板裂...     

基于声发射监测的深部采场岩体稳定性分析

针对红透山铜矿岩爆、采场冒落等地压灾害频发现状,采用声发射监测技术对深部采场开采过程中的围岩稳定性进行了研究,着重分析了爆破开采后岩体恢复至稳定状态的时间和声发射空间分布特征.研究结果表明:爆破开采后,声发射数目突增至较高水平,随着时间的推移,逐渐下降;岩体恢复至稳定状态的时间和爆破距离呈线性关系;对于距离爆破作业较远的围岩(超过35m),声发射活动性在爆破后90 min内可以恢复较稳定状态;对于距离爆破作业较近的围岩(小于20m),声发射数恢复到稳定状态超过2 h;声发射定位事件主要在采场顶板和边墙集中,斜坡道内片帮现象比较严重.     

深部采场工作面围岩应力分布规律及围岩破坏范围研究

采场工作面地压显现规律分析和围岩稳定性控制是深部开采的研究热点。为研究工作面围岩应力分布规律以及工作面围岩破坏范围,基于断裂力学理论,将深部煤层开采工作面从开切眼推进一段距离时的采空区长度视为无限大岩体垂直剖面内一条裂纹,利用无限大薄板中裂纹周边受力分析方法对深部采场工作面围岩应力分布进行研究,得到了任意倾角煤层开采后工作面附近应力分布函数表达式,通过应力函数图像展现了煤层开采后应力变化规律。3个实际案例对比分析,得到应力理论计算结果与实测结果的最大相对误差为12.24%,且应力变化规律与实测结果吻合。最后通过岩石莫尔—库伦破坏准则得到了工作面边缘破坏距离的函数表达式以及采场底板破坏深度的函数表达式,并且编程试算了工作面前方围岩的最大破坏距离。研究结果表明:深部工作面围岩应力不是线性变化而是呈波动性变化;在一定条件下,深部采场工作面正前方围岩破坏距离与围岩内摩擦角、内聚力成反比,与煤层开采宽度及埋深成正比。研究结果可为地下深部工程设计提供应力及围岩破坏范围的初步估算,对深部卸压开采以及采场围岩控制提供理论指导具有重要意义。     

高应力超大采空区围岩破裂机理研究

针对红透山铜矿岩爆等地压灾害频发现状,采用声发射与多点位移计联合监测技术,对27采场4分层边墙和顶板的岩体破裂及变形进行长期监测。通过位移与AE事件数的不同分时累计曲线比较发现：①硬脆性岩体在强卸荷后,其释放的变形很小,而且变形的波动总是先于AE事件。根据岩体变形破坏能量释放机制,围岩变形释放的应变能决定了岩体耗散能,而耗散能是导致岩体破裂的直接原因,所以,围岩变形是微破裂产生的先决条件。②岩体微破裂的开裂扩展改变了岩体的内部结构,在应力场的二次调整过程中,裂隙不断发育,直至产生稳定的岩体构造。为避免硬脆性岩体在高应力强卸荷条件下出现片帮、岩爆等剧烈破坏,建议通过增加卸荷瞬时释放变形的方式,加强岩体应变能的释放,从而减少耗散能;同时在爆破开挖后及时支护阻止岩体内部构造的劣化。另外在岩爆多发地段,增加布设高精度位移监测设备,通过卸荷后围岩变形的突变,对高应力条件下的地质灾害进行预测预报。     

流变特性引起围岩应力场演变规律分析

为了研究流变特性引起围岩应力场演变规律,分析了巷道开挖完成后,围岩的应力状态,得出围岩应力峰值点位于塑性区与弹性区的交界处;选取西原模型计算软岩的流变过程,在计算过程中,提出了三向应力状态下围岩应力峰值点发生转移的判据;结合典型软岩巷道-龙口海域巷道流变实验成果,给定一个极小的时步Δt,在σ(x,t)作用下将会产生一个应变增量Δε,当围岩应力峰值点位置发生变化时,应力重新分布,形成新的应力分布σ′(x,t),编制计算程序,计算得出不同时刻的应力分布情况和围岩应力峰值位置.根据计算结果,得出了巷道开挖后围岩应力峰值的转移规律,并得出围岩应力峰值点会最终趋于某一位置.     

渗流作用下非均匀应力场巷道围岩稳定性分析

将巷道围岩视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用弹塑性理论,分析了非均匀应力场圆形巷道围岩的力学性态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的解析解,基于Mo-hr-Coulumb强度准则,得出了渗流作用下巷道围岩的塑性区边界线方程,并通过具体实例,对比分析了当λ=0.5时渗流作用对应力场的径向应力与切向应力在巷道两帮和顶底板的分布情况。研究表明,考虑渗流作用,对应力场的影响作用更为显著。     

基于采动应力场与微震活动性的岩体稳定性分析

为了研究采矿活动中的应力场、微震活动规律与围岩稳定性之间的关系,依托石人沟铁矿工程实例,详细分析该矿15号勘探线附近区域地下空区形成及露天坑内排过程中围岩体内部微破裂的产生、聚集及演化规律。利用有限元软件ANSYS建立力学模型,模拟不同采矿活动中的应力场分布。然后通过对比同一时期应力场与微震事件分布状态揭示应力场与微震活动性之间的关系：应力状态的改变会诱发岩体内部微破裂（微震活动性）的产生,应力集中会引起微震事件的区域性聚集。结合现场岩体地质状况,发现高能量微震事件大量聚集的区域岩体破坏程度较周围区域更为严重,说明微震事件所释放的能量及事件密度是岩体内部破坏程度的真实反映,因而将它们作为岩体稳定性的评价指标是可行的。最后,基于对以上关系的认识,结合下阶段矿山应力场分布状况预测了石人沟铁矿可能会发生岩体失稳破坏和地质灾害的危险区域,并提出了相应的防治措施。     

新城金矿滕家矿区深部巷道围岩破坏与数值分析

针对新城金矿滕家矿区深部巷道围岩进行现场工程地质调查、岩石力学实验，分别应用RMR、Q和GSI方法对巷道围岩进行岩体质量分级，确定其围岩体质量等级为III级，岩体质量差~一般。以岩体质量分级为基础，应用Hoek-brown准则和经验公式估算岩体力学参数。应用弹塑性力学解析巷道围岩塑性区破坏范围，并以此为基础应用Phase2对巷道围岩稳定性进行分析。结果表明：巷道顶板塑性破坏范围为0.598 m，两帮塑性破坏范围分别为0.84 m和0.695 m；巷道顶板位移为7.2 mm，两帮位移分别为7.6 mm和6.8 mm；从巷道围岩应力分析可以看出，深部巷道开挖产生的应力集中超过岩体强度，由此判断深部巷道围岩破坏主要是开挖扰动应力作用在节理化岩体上致使巷道围岩失稳破坏，本研究结果对该矿深部巷道围岩支护提供依据。     

深埋巷道的爆破开采活动对邻近巷道稳定性影响研究

以某铁矿出矿巷道为工程背景,针对爆破开采扰动影响下临近巷道易发生片帮、冒顶等安全问题,运用FLAC3D数值软件分别对自重应力作用下和爆破荷载作用下临近巷道围岩的应力、位移和塑性区的变化特征进行数值模拟分析,并且与现场实测振动数据进行了对比分析。结果表明：同自重应力状态相比,爆破荷载影响下临近巷道围岩的最大水平位移、最大拉应力及塑性区体积均有着很大程度的增长,增幅分别达到了68.2%、58.6%及76.5%,临近巷道发生失稳破坏的概率显著增加;爆破开采活动对既有巷道迎爆测直墙中上部围岩稳定性影响最大,拱顶及墙脚处围岩受到的影响次之,而对远离爆源侧围岩影响很小。为避免爆破引发临近既有巷道失稳破坏,需加强对既有巷道的迎爆测直墙中上部等危险部位的监测与支护,并对地质条件薄弱区域及时采取素喷混凝土或锚网喷混凝土等有效的支护措施。     

不同开挖方式下深部岩体应变能的释放机制

深部岩体开挖过程中,围岩应变能的释放是岩体破坏的诱因之一,而不同开挖方式下应变能的释放机制存在较大差异。通过理论分析,探讨了钻爆法和TBM开挖条件下应变能释放规律,并结合锦屏二级水电站实测深埋隧洞开挖引起的围岩振动的组成分析,讨论了不同开挖方式下的应变能释放机制。研究表明：高地应力下爆破开挖过程岩体所储存的应变能伴随爆破破岩过程高速释放,诱发围岩振动,此时实测振动由爆炸荷载诱发振动和应变能瞬态释放诱发振动二者组成;而TBM开挖条件下,岩体内应变能缓慢释放,不会引起围岩动力响应,实测振动主要是滚刀在机械力作用下破岩或液压加载装置的振动引起的。而应变能不同的释放机制将导致岩体出现不同形式和程度的破坏,且现场对两种方式下围岩损伤及应变型岩爆的监测也证实这个结论。     

高强度开采工作面煤岩灾变的推进速度效应分析

高强度开采工作面煤岩灾变存在冲击特征,采场围岩控制困难。采用室内试验、理论分析及数值模拟等综合研究方法,分析高强度开采条件下煤岩变形破坏和围岩应变能分布特征,并揭示采场煤岩动力灾变发生机制。研究表明：煤岩属于率相关材料,随着加载速率的提高,受压煤岩破坏形式由静态变为动力破坏,在后破坏阶段,存储于煤岩中的应变能降低形式以塑性功耗散转变为整体破坏后的快速释放,破坏用时减小;随着工作面推进速度提高,煤壁前方煤体中最大主应力加载速率和最小主应力卸载速率均增大,浅部煤体应变能密度升高,致使围岩发生动力灾变概率和危害程度升高;基本顶突然断裂和滑落,将贮存于顶板中的应变能快速释放并向下位煤岩传递,使煤层中应变能密度迅速升高,促使煤岩发生动压冲击性煤壁破坏;基本顶断裂前、后,煤体中应变能密度峰值点之间距离为超前段回采巷道动力灾变危险区,是采场围岩控制的重点区域。     

基于统一强度理论的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于统一强度理论，推导出非均匀应力场的巷道围岩塑性区边界线方程式，可用于预测不同侧压系数时地下深埋隧洞的塑性区大小及形状.当不同程度地考虑中间主应力的影响时，围岩塑性区形状和大小有较大不同，且随水平应力与垂直应力差异性的增大，这种影响趋于明显.     

厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制与防控技术

针对潘四东煤矿11513大倾角工作面煤壁片帮、支架滑移倾倒和顶板大面积来压问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测的研究方法对厚硬顶板下大倾角软煤开采的灾变机制和防控技术开展研究。研究结果表明:在厚硬顶板下大倾角软煤开采初期,围岩塑性破坏主要集中在煤壁和底板岩层;邻近工作面区域煤岩体位移表现出煤壁挤出位移量>底板鼓起位移量>顶板下沉位移量的特征;由于厚硬顶板的存在,随工作面推进距离的增大,煤壁挤出位移量逐渐增大,煤壁片帮失稳的概率倍增。根据厚硬顶板下大倾角软煤开采围岩位移和变形破坏特征,结合现场观测提出厚硬顶板下大倾角软煤开采2种灾害模式,一是以“片帮-冒顶”为主导,诱发“支架-围岩”系统发生大范围失稳的动态互馈的时发性灾害,二是厚硬砂岩破断诱发冲击动力显现的瞬发性灾害。基于厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制,采用厚硬顶板深孔预裂爆破初次放顶技术,控制厚硬顶板运动;采取煤壁注浆加固、支架防倒防滑以及“铺金属网+工字钢”辅助液压支架管理破碎直接顶等措施,防治煤壁片帮和破碎顶板漏冒,保证“支架-围岩”系统的稳态工作。通过对支架工作阻力和煤壁片帮统计分析发现,11513工作面采取系列防治措施后,煤壁得到有效控制,初次来压时,支架工作阻力较为富裕,安全阀开启较少且支架无明显倾倒滑移现象,实现了厚硬顶板下大倾角软煤的安全高效开采。