贯通型锯齿状岩体结构面剪切变形及强度特征

利用二维颗粒流(PFC2D)程序,模拟研究了起伏角及法向应力对贯通型锯齿状岩体结构面的剪切变形及强度影响规律。剪切变形模式可分为爬坡、爬坡啃断和啃断3种基本类型,随着锯齿起伏角和法向应力的增大,逐渐由爬坡、爬坡啃断向啃断模式演变,且这种递变随起伏角和法向应力具有近对称矩阵分布特征。爬坡变形时,结构面两侧存在少量的擦痕及伴生的羽状微裂纹,但锯齿整体损伤破裂轻微,剪应力-剪切位移曲线峰后呈现波动型塑性流动。爬坡啃断变形时,锯齿中上部被剪断,同时结构面两侧也伴生着少量的爬坡摩擦产生的羽状裂纹,剪应力-剪切位移曲线呈现较明显的非线性和波动特征。啃断变形时,锯齿基本沿其根部整体被剪断,结构面两侧间的摩擦滑动损伤不明显,剪应力峰后脆性跃落。随着起伏角及法向应力的增大,剪切破坏时所产生微裂纹、吸收及耗散能量逐渐增多。锯齿状岩体结构面的剪切强度随法向应力及起伏角的增大均近线性增加。建立了一个同时考虑锯齿状结构面爬坡和啃断效应的剪切强度经验公式,并通过边坡稳定性算例得以验证。     

含软弱结构面石灰岩巴西劈裂破坏模式研究

以湖北省秭归县某矿山石灰岩为研究对象,进行了不同软弱结构面倾角θ的巴西劈裂实验,研究了石灰岩中软弱结构面倾角对岩石试样破坏模式的影响,并探讨了相应的破坏机理。结果表明:软弱结构面对试样的劈裂破坏模式具有控制性作用,随着结构面倾角增大(0°~90°范围内),试样破坏模式可分为4种,其中,θ为0°和15°时为岩石基质以及结构面拉裂破坏,θ为30°时为岩石基质的拉裂破坏以及结构面的拉裂和滑移破坏,θ为45°和60°时为结构面的剪切滑移破坏,θ为90°时为结构面的拉裂破坏; 同时发现,当θ为45°、60°和90°时,结构面对试样破坏机理的影响与层理面类似,而当θ为0°、15°和30°时,试样的破坏机理会更为复杂。     

不同起伏角锯齿状结构面剪切力学性质及其弱化行为试验研究

为研究含锯齿状结构面岩体的剪切力学性质及其弱化行为，采用自主研发的岩石压剪伺服试验系统，对含有不同起伏角锯齿结构面的类岩石试件开展了不同剪切位移的直剪试验。试验结果表明：当结构面锯齿起伏角为15°时，结构面的剪应力演化曲线呈“波浪形”,当起伏角为30°和45°时，剪应力演化曲线呈“峰值型”且45°起伏角结构面的剪应力演化有明显的双峰值现象，起伏角越大，峰值剪应力越大；当起伏角为15°时，结构面的弱化模式为爬坡磨损，起伏角为30°时，结构面弱化则以切齿-充填为主，而当起伏角为45°时，结构面在前期以切齿破坏为主，后期以滑动磨损为主；结构面的损伤系数R随着剪切位移的增加而逐渐增大，并且起伏角越大，R值越大，结构面的弱化程度越大，结构面在剪切位移为5 mm处的弱化率均在50%以上。研究成果可为工程岩体稳定性分析提供参考。     

加锚异性结构面剪切破坏及声发射特征研究

自然界中广泛存在着两侧岩性不同的结构面,工程中常用锚杆抑制结构面的滑动。为了研究加锚异性结构面的直剪特性,开展了室内直剪试验,结合声发射监测结果,探讨了加锚异性结构面的抗剪强度、破坏类型及裂隙演化规律。研究结果表明:随着加锚异性结构面弱侧壁岩强度增加,抗剪强度呈非线性增加趋势,结构面加锚时的抗剪强度相比未加锚时依次提高了200%、267%、303%,破坏类型依次为剪切、拉剪、劈裂,且主裂纹方向与剪切方向基本一致;加锚异性结构面剪切—位移曲线分为压密、弹性、屈服、破坏4个阶段,压密阶段锚固剂出现挤压破坏,弹性阶段岩体与锚杆挤压处出现裂隙,屈服阶段锚杆承担主要抗剪力且发生了变形,破坏阶段岩样被剪碎;当结构面弱侧壁岩强度较低时,声发射事件集中在弹性阶段,当其壁岩强度较高时,声发射事件集中在屈服阶段;随着结构面弱侧壁岩强度增加,当λ<1时岩样产生大尺度剪切裂隙,当λ≥1时岩样产生小尺度剪切裂隙。     

不同倾角内蕴裂纹页岩力学特性及破坏过程研究

采用真实破裂过程分析软件RFPA2D-Flow,在考虑岩石非均质性和岩石渗流-应力-损伤破裂特性的基础上,对具有不同倾角预制裂纹的页岩力学特性、破坏模式、损伤特征进行模拟分析与讨论。结果表明,预制裂纹对页岩峰值强度有明显弱化作用,弹性模量降低值与裂纹倾角未呈现明显的线性关系; 预制裂纹倾角15°、30°、60°时,试件主要破坏模式为小变形的拉伸破坏模式; 而倾角45°、75°、90°时,试件以大变形的剪切破坏而失效; 裂纹倾角大于45°时裂纹的扩展类型与效果较好。研究结果对改善页岩的水力压裂效果、失稳破坏具有一定参考意义。     

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。     

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。     

预裂锚固体力学特性及锚固机理

为研究锚杆对深部巷道围岩的控制作用,通过制作三轴加载物理相似模拟试验系统,分析了锚杆支护强度、锚杆预紧力对预裂试件的锚固效果并构建了劈裂板梁结构模型。试验结果发现:无锚杆支护时,试件表现出脆性破坏;随锚杆支护强度及预紧力增大,试件承载能力得到提高且其应力应变曲线具有较好的屈服平台,表现出明显的延性特征;试件垂向位移量相近时,随锚杆支护强度及预紧力增大,试件体应变变小;试件主要沿最大主应力方向(垂直方向)发生劈裂破坏,拉伸裂纹集中在临空面附近,剪切裂纹则分布在远离临空面的区域,在锚杆的作用下形成类似板梁结构,板梁挠度不仅与试件自身力学性能、外载荷有关,还与板梁长度、板梁结构形式有关。锚杆支护密度的增大改变了板梁结构形式,减小了板梁挠度,而较大预紧力能够降低板梁之间的离层量,相应的试件非连续变形得到控制。由此可知,锚杆支护不仅可提高破裂围岩的承载能力,而且可有效控制破裂围岩的非连续变形,从而提高深部巷道围岩的连续性和整体稳定性。     

含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度试验

为了研究冻结条件下西部地区裂隙岩体的力学性质,以西部中生代地层典型的红砂岩为试验对象,通过数码显微镜观察分析了红砂岩的颗粒、孔洞分布特征,并在-5~-15 ℃条件下,对无裂隙冻结红砂岩和裂隙倾角β为0°,15°,30°和45°的冻结裂隙红砂岩进行了单轴和三轴压缩试验。试验结果表明：冻结红砂岩和冻结裂隙红砂岩的强度都随围压的增加而线性增加。冻结裂隙红砂岩强度随着裂隙倾角的增加而非线性递减,在裂隙倾角大于30°后,强度降低的幅度不大。含冰软弱面的冻结裂隙红砂岩的强度和侧向变形主要受裂隙冰控制,因此工程中需要了解裂隙的角度分布特征。     

循环荷载条件下充填厚度对结构面剪切力学特性影响试验研究

利用相似材料制作砂岩剪切破坏结构面并进行循环剪切试验,研究无充填及3种不同充填石膏厚度条件下结构面的力学性质和三维形貌演化规律.试验结果表明:无充填结构面的峰值剪切强度最大,随着充填厚度的增加,结构面的峰值剪切强度先下降后上升,表明充填物的厚度对结构面的剪切强度有较大影响.结构面的法向变形量随充填厚度的增加而不断增大,其中无充填结构面和充填物厚度为1 mm的结构面剪胀现象明显,随着充填厚度的增加结构面剪缩现象逐渐显著.在循环剪切作用下,无充填结构面在初次循环中以啃断破坏为主,后4次循环剪切中以磨损破坏为主,充填1 mm的结构面主要为磨损破坏,但当充填厚度大于1 mm时结构面在循环剪切过程中还存在滑移破坏,说明充填厚度通过影响结构面的破坏模式来影响其力学性质.本文研究可为工程岩体稳定性分析提供参考.     

基于ANSYS的锚杆托盘有限元分析

针对锚杆屈服强度升级，采用ANSYS软件对配套的锚杆托盘进行结构静力有限元分析，合理选取锚杆托盘材料。在锚杆受力屈服时，锚杆托盘仍处在弹性状态；锚杆拉断时，锚杆托盘孔口处应力集中区内的极小范围区域，应力超过屈服强度但未达到极限强度，即允许锚杆托盘有一定的极其有限的塑性变形。有限元分析结果与现场实验验证情况相符，对锚杆托盘的材料选取、强度分析提供了有价值的参考和依据。     

松散破碎围岩锚喷注联合加固技术

为解决九轨下山部分地段变形严重的问题,结合现场实际情况,得出该巷道持续剧烈变形的原因是断层构造多、围岩强度低和巷道施工质量差。分析认为,锚喷巷道在径向上存在分区,由外向里依次为锚喷层、散体层和深部裂隙层。散体层内围岩松散破碎,深部裂隙层内裂隙发育,贯通率高,这些是导致巷道后期失稳的主要因素。注浆加固的机理是固结浅部围岩,充填深部裂隙,为锚杆(索)提供稳定的着力基础,使得松散破碎的围岩与锚杆(索)成为整体,形成复合承载结构,从而提高巷道的稳定性。现场应用表明,九轨下山采用锚喷注加固40d后变形基本稳定,两帮移近量为67mm,顶底板移近量为45mm,满足了生产需求。     

预应力在锚杆支护中的作用

在分析目前复杂困难条件下锚杆支护存在问题的基础上，论述锚杆支护系统刚度，特别是预应力对支护效果的重要性.采用有限差分数值计算软件分析了不同预应力下锚杆、锚索产生的应力场分布特征，以及钢带对锚杆预应力扩散的作用.提出锚杆主动支护系数、强度利用系数、预应力长度系数、有效压应力区、预应力扩散系数、有效压应力区骨架网状结构及临界支护刚度等概念.井下试验表明，大幅度提高锚杆预应力可显著减小巷道围岩变形，有效控制顶板离层；钢带在预应力支护系统中起非常重要的作用；锚杆预应力存在临界值，达到或超过临界值后锚杆支护可有效控制围岩变形与破坏.     

冲击载荷作用下锚固围岩损伤破坏机制

为研究冲击地压巷道锚固围岩损伤破坏特征,以实际发生冲击失稳的巷道为例,分析了冲击载荷作用下锚固围岩动载响应特征,现场测试了冲击载荷作用后围岩损伤、锚固界面损伤及锚固性能,对比分析了冲击载荷前后锚杆力学性能。研究结果表明:冲击载荷作用下,巷道锚固围岩和锚杆与锚索受反复压拉压作用,导致锚固系统锚固性能降低与失效;冲击载荷作用后,巷道围岩节理、裂隙发育,完整性差且强度大幅降低,锚固性能劣化或失效;锚杆支护材料性能降低,杆体延伸率降低13. 8%,抗拉强度降低6. 6%,冲击吸收功降低24. 3%,锚杆产生塑性变形,晶粒扭曲、畸变,微观金相组织紊乱。采用锚固注浆、高预应力全长锚固以及高强度、高伸长率、高冲击韧性锚杆与锚索联合支护,可以有效提高冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性。     

动力失稳下煤矿巷道围岩松动变形特征与支护参数研究

为了提升煤矿巷道围岩的稳定性,解决现有支护方式支护效果差的问题,分析煤矿巷道在动力失稳状态下的围岩松动变形特征,实现支护参数的优化计算。探测煤矿巷道围岩内部结构,根据动压巷道围岩变形的影响因素及其作用方式,建立煤矿巷道围岩动力失稳模型。在该模型下,通过确定应力变化规律和应力—应变关系,得出围岩松动变形的特征分析结果。参考围岩松动变形特征,确定合理的支护方式,得出锚杆长度、锚间排距、组合拱厚度等支护参数的计算结果。根据变形特征与支护参数结果,进行数值模拟分析,完成围岩松动变形支护。将模拟结果应用到实际的松动变形修复工作中,能够控制围岩松动变形量控制在要求范围内,降低裂缝破坏程度。     

松软煤层大巷围岩变形机理及控制对策

针对潞安漳村矿井深埋煤巷持续大变形难题,在开展地应力、煤岩体强度及围岩结构测试的基础上,分析了软弱围岩破坏变形的机理;基于强力一次支护原则提出了高预应力强力锚喷支护方案,重点对煤帮进行短锚索补强支护。矿压监测结果表明,掘巷阶段巷道顶板最大下沉量16 mm,两帮最大收敛量153 mm,底板变形不明显,锚杆锚索受力在掘进工作面推过50 m时开始稳定,锚杆受力最大值稳定在154 kN,锚索受力最大值稳定在235 kN。研究成果可为类似采矿条件下煤巷支护提供经验指导。     

Mechanical mechanism and support design analysis on bolt-beam-net support in soft rock roadway in Qigou Coal Mine

The deformation and failure mechanical mechanism in soft rock roadway is related to the stability of supported tunnels, which is important to coal mine production and construction. By physical mechanics experiments and X-ray diffraction (XRD) tests, the engineering mechanical properties of soft rock, as well as main mineral composition of the surrounding soft rock of Qigou Coal Mine, were obtained. Based on analysis results, a method using bolt-beam-net combination to support was put forward. Mechanical analysis of the support form was done by using the calculation software FLAC3D. Results show that clay minerals of this mine are kaolinite and illite mixed layer, of which the water absorption is relatively obvious and presented mudding characteristic after absorbing water, with the plasticity index of 0.35, with small expansibility, which is weakly consolidated colloid with strong connected force in unit cell. The rock blocks have the characteristics of moisture absorption softening, and the deformation mechanical mechanism of which is with the coexistence of molecular expansive mechanism, colloid expansive mechanism, and weak layer trend type. The calculation results show that the bolt-beam-net support structure makes the bolt, beam, and roof deform compatibly. The beams make the force in the bolt relatively homogeneous, which restricts the displacement of the tunnel roof as well. Finally, using in situ monitoring, the numerical results were verified.     

基于围岩变形的全长粘结型锚杆受力特征研究王明阳 侯克鹏 熊昊 孙华芬

为研究围岩变形与锚杆相互作用关系,基于围岩变形推导出仅由围岩变形引起的巷道全长粘结型锚杆界面剪应力解析式,通过解析式分析锚杆界面剪应力影响因素,根据中性点理论,将锚杆分为两段,中性点前和中性点之后,将围岩变形以及引起围岩变形的内力以应变能的形式代入,求出锚杆中性点前剪应力解析式,基于中性点理论求出锚杆中性点后锚杆界面剪应力解析式,从而得到锚杆整个界面剪应力及轴力表达式。研究结果表明：(1)通过锚杆界面应力解析式得到影响全长粘结型锚杆界面剪应力的因素有锚杆和锚固剂直径、弹性模量和围岩测压系数;(2)水平地应力是影响围岩变形的主要因素,相关研究成果可以为锚杆支护设计提供一种理论依据。     

吸能防冲锚杆索-围岩耦合振动特征与防冲机理

为提高冲击危险巷道防冲支护的有效性,研发了由内置六角管衬里的吸能套筒、端部设有摩擦圆柱的螺纹钢锚杆、钢绞线锚索与锚杆尾部吸能装置组成的吸能锚杆索。将吸能锚杆索中吸能套筒的作用简化为设置在锚杆底部并联的弹簧与阻尼器,建立了吸能锚杆索-围岩在冲击载荷作用下的三维轴对称力学模型。对黏性阻尼围岩中吸能锚杆索与围岩耦合振动时锚杆顶部动力响应进行了解析研究,获得了锚杆顶部的位移阻抗函数的解析表达。结果表明:在相同频率的冲击载荷作用下,锚杆顶部位移振荡幅值随着围岩黏性阻尼、围岩强度、锚固长度以及锚杆底部阻尼的增加而衰减。采用吸能锚杆索支护时,吸能套筒能够吸收一部分作用在锚杆锚固岩体上的冲击能;后注浆全长锚固增强了支护系统抵抗纵向变形的能力;尾部吸能装置能够削减冲击波的发射拉伸作用;支护系统在冲击载荷作用下的稳定性得到显著提高。在此基础上,初步阐述了吸能锚杆索支护系统的"缓冲-抗震-消波"吸能防冲机理。     

深井软岩巷道围岩变形特征及支护参数的确定

根据马路坪矿巷道围岩主要物理、力学性质的实验室测试以及现场围岩变形的监测结果,探讨了深部软岩巷道围岩变形破坏特征.借助FLAC^3D进行数值模拟计算,分析了巷道开挖后和原支护形式下围岩破碎区、塑性区范围和应力位移分布状况;并通过数值模拟优化了支护参数,确定了二次支护时间,提出了用短锚杆或铆钉取代管缝式锚杆挂网、采用底角锚杆对巷道底板进行加固的技术方案.工业试验结果表明,该方案对深部巷道围岩变形的控制效果良好.