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。     

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。     

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。     

基于应变梯度理论的分区破裂机制分析研究

 随着地下工程开挖深度的增加,深部洞室围岩中将出现与浅埋洞室破坏模式迥异的分区破裂现象。为进一步研究分区破裂现象的形成机制,基于应变梯度理论和连续损伤力学建立分区破裂弹性损伤软化模型,推导考虑平面外应力影响的准平面应变问题的平衡方程和边界条件,应用Matlab求得深部洞室围岩中径向位移、径向应变和应力的波峰和波谷交替出现的振荡型变化规律。理论计算值与地质力学模型试验实测值在量值与变化规律两方面均符合较好,这证实了分区破裂弹性损伤软化模型在解释深部岩体分区破裂问题中的适用性。深部洞室围岩中应力场的波峰和波谷交替出现的振荡型变化规律是导致分区破裂现象出现的关键原因。     

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。     

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。     

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。     

锚固支护深部巷道爆破开挖模型试验研究

 为研究锚固支护对钻爆法施工深部巷道围岩分区破裂的影响,采用深部巷道围岩破裂机制与支护技术模拟试验装置,开展高轴地应力条件下锚固支护深部巷道爆破开挖三维相似物理模型试验。爆破开挖、轴向超载完毕,模型巷道洞周围岩径向拉应变和径向压应力均呈现出波峰与波谷的波浪变化,与未支护模型巷道洞周径向拉应变变化规律相似,表明锚固支护模型巷道依然存在分区破裂的趋势。与未支护模型试验结果对比,锚杆和锚索联合支护的模型巷道在锚固支护部位未出现分区破裂现象,分析得出锚杆和锚索的联合作用可实现围岩应力的转移和重分布。研究结果表明,锚固支护对抑制深部巷道分区破裂具有重要的作用。     

岩体断裂的破坏机理与计算模拟

受压岩体中的裂纹问题,可以归结为压剪裂拉剪纹两种类型,具体讨论了受压岩体中的斜裂纹问题和翼形裂纹问题,对两种不同理解纹类型的扩展机理进行了分析,给出了应力强度因子的计算方法,最的一以受单向压缩的裂纹扩展为例,说明了具体了计算模拟过程。     

层状岩层裂纹饱和现象的数值模拟研究

层状岩层的裂纹饱和现象是地质界的一种普遍现象。基于有限元程序，分析了裂纹饱和现象的机理，从应力转化的角度解释了裂纹饱和现象；研究了单层材料厚度的变化对裂纹间距的影响；给出了层状材料达到饱和状态的全过程；并分析了裂纹的产生、发展规律。     

Mechanism of zonal disintegration around deep underground excavations under triaxial stress – Insight from numerical test

The failure pattern and failure mechanism around deep underground excavations under tri-axial stress, in particular the zonal disintegration at different scales, were studied through three-dimensional numerical tests. It is found that the failure patterns of deep underground openings are obviously influenced by the triaxial stress. Zonal disintegration is a general failure mode of deep surrounding rock mass under high triaxial stress, where the alternate fracture zones and intact zones are formed by the intersection of the fully developed shear dominated fractures. The circular failure pattern of zonal disintegration is only a very specific failure pattern of zonal disintegration that is more likely to be formed when the horizontal stress in the direction of tunnel axis being the maximum principal stress. Sometimes the circular failure pattern of zonal disintegration is only the miss-judgment based on the limited borehole observations. Numerical results also denote that the heterogeneities of rock masses play a very important role on the scale of zonal disintegration.     

Numerical modelling of the effects of joint spacing on rock fragmentation by TBM cutters

The influence of joint spacing on tunnel boring machine (TBM) penetration performance has been extensively observed at TBM site. However, the mechanism of rock mass fragmentation as function of the joint spacing has been scarcely studied. In this study, the rock indentation by a single TBM cutter is simulated by using the discrete element method (DEM), and the rock fragmentation process is highlighted. A series of two-dimensional numerical modelling with different joint spacing in a rock mass have been performed to explore the effect of joint spacing on rock fragmentation by a TBM cutter. Results show that the joint spacing can significantly influence the crack initiation and propagation, as well as the fragmentation pattern, and can hence affect the penetration rate of the TBM. Two crack initiation and propagation modes are found to fragment the rock mass due to the variation of joint spacing. The simulation results are analyzed and compared with in situ measurements.     

温缩等间距表面裂纹扩展的数值模拟及其机制研究

 低温表面裂缝广泛存在于各种脆性材料和各个领域中,成为工程隐患或直接影响到结构的使用性能,为更深入地理解这一现象的机制,考虑到材料细观层次上的非均质性,采用数值模拟对双层模型在上层整体均匀降温和上层表面低温随时间向下传递收缩2种条件下模型的温度应力分布、裂纹扩展过程及其机制进行研究。首先以预制裂纹且上层整体均匀降温为例,研究两相邻裂纹间的应力状态,发现两裂纹的中间位置应力最大,且随着裂纹间距的减小,水平应力 由拉应力不断减小并逐渐变为压应力,其裂纹饱和对应的裂纹间距(S)与层厚(h)比值的临界值 约为3.0。其次,利用未预制裂纹的双层模型,分别对上层整体均匀降温至－40 ℃和上层表面降温到－35 ℃并向下温度传导(温度冲击)2种降温条件进行研究。结果表明,2种条件下裂纹的形成模式存在相同之处：首条裂纹插入到模型上层中间,新生裂纹相继插入到两已有裂纹或者已有裂纹与端部中间附近,直至裂纹饱和;而不同之处在于,整体降温形成的裂纹不但会由表及里扩展,也会在上层中间萌生;而温度冲击形成的裂纹只会由表及里扩展,并且裂纹总数更多。研究结果再现了降温收缩条件下微裂纹萌生、扩展和饱和3个阶段以及温度冲击条件下模型中热传导的过程,通过2种温度加载条件的对比,提出采用温度传导效果更好的材料加快温度传递,有助于减少路面结构产生的表面裂纹。     

主应力对洞室围岩失稳破坏行为的影响研究

 针对复杂应力环境三向应力状态下地下洞室围岩破坏条件和破裂机制,采用统计损伤理论和数值模拟方法,建立三维非均匀性地质模型,考虑应力的三维效应,引入强度折减法,一方面在保持模型边界条件的同时实现洞室围岩的逐步破坏,另一方面以此定量评价不同应力场中洞室安全稳定状况,探讨不同侧压力系数和轴向应力条件下洞室围岩破坏模式,探究中间主应力对洞室稳定性的影响以及深部岩体分区破裂化现象产生条件和破裂规律等。结果表明,侧压力系数影响洞室围岩初始破裂形成部位和发展趋势;不同的轴向应力使得洞室围岩破裂区域和范围显著不同,在不同的侧压力系数条件下,轴向应力影响洞室稳定的规律存在差异;不同方向中间主应力对洞室围岩安全稳定状况的影响是不同的;当洞室轴线方向与最大水平应力方向平行时,较大的轴向应力会使洞室围岩产生分区破裂化现象,围岩破坏的区域也是拉应变集中的区域等。这些结果对进一步揭示地下洞室围岩非线性变形破坏行为,评价岩土工程安全稳定性,采取合理的支护措施等均具有重要意义。     

洞室围岩三种破坏形式的试验研究

 为探讨洞室围岩的破坏过程和机制,进行拉断裂和远场断裂破坏、V型坑破坏及分区破裂化3种破坏形式的试验研究。试验中采用平面和空间加载方式对预制洞室模型进行加载,通过白光散斑数字相关方法和声发射对模型洞室围岩的破坏过程进行监测,进而对3种破坏形式的形成机制进行分析。拉断裂和远场断裂破坏试验表明：远场断裂产生的力学机制主要是以拉应变集中,即拉断裂为主,拉压联合作用的结果;V型坑破坏试验表明：洞室围岩从局部破坏发展形成V型断裂区,后续断裂从V型断裂区尖端形成,向洞室围岩深部扩展;分区破裂化试验表明：洞室围岩深部的环向断裂是从洞室边界的局部破坏区尖端开始,向洞室围岩深部扩展,并在洞室边界与围岩深部环向断裂之间形成完整的没有破坏的区域。