煤矿巷道三维建模方法设计与系统开发应用

井巷工程三维建模研究及应用对完善数字矿山工程、加快矿井信息化建设具有十分重要的意义。目前煤矿井巷的可视化及设计大多是基于二维平面进行,无法直观表达井巷及其相关实体之间的空间关系。文中对矿山井巷工程数据的特征进行了分析,抽象出井巷工程二三维数据结构及建模方法,从巷道测量数据建立三维巷道模型。最后,开发了原型系统,以开滦集团钱家营矿区为例,建立了巷道三维模型并实现可视化,验证本文研究成果的实用性和有效性。     

国外井巷围岩变形量测仪表

锚喷支护已在煤矿井巷工程中广泛应用。目前国内外主要是通过现场工程量测来分析锚喷支护的效果和巷道的稳定性,本文扼要介绍国外部分围岩变形量测仪表及其应用方法。 一、井巷圈岩现场量测应用实例 在岩层中掘进时,破坏了岩体的应力平衡,造成围岩岩体松动和向巷道空间的移动。岩体的位移和变形是岩石力学形态变化的结果,巷道支护的目的就是控制这种位移,防止岩石松动,促使其应力达到新的平衡,而锚喷支护巷道则是允许巷道围岩产生一定位移后,达到新的应力平衡。在施工中根     

软岩巷道爆破卸压方法的研究与实践

本文应用二维元与边界元相结合 ,对爆破卸压巷道围岩的卸压效果进行了分析和计算 ,得出了巷道围岩运动趋向及巷道周边应力升高区向巷道围岩深部转移的规律 ,为巷道的支护设计及巷道维护提供了重要的参考。     

软岩巷道爆破卸压方法的研究与实践

本文应用二维元与边界元相结合，对爆破卸压巷道围岩的卸压效果进行了分析和计算，得出了巷道围岩运动趋向及巷道周边应力升高区向巷道围岩深部转移的规律，为巷道的支护设计及巷道维护提供了重要的参考。     

二三维数据一体化在数字井巷工程中的研究与实现

为了解决了传统的数字矿山井巷工程系统中二三维数据分离存储、数据更新维护不方便以及二维与三维功能难于集成的问题,文中在分析了二三维一体化技术体系原理的基础上,阐述了如何定义二三维地下巷道数据结构;介绍了如何根据二维矢量数据自动创建三维巷道模型,使得二维和三维数据在数据模型和结构上具备良好的兼容性,并在数字矿山井巷工程中实现二三维数据的一体化。     

井巷和钻孔周围三维应力场的简化模式

井巷和钻孔周围的应力和位移问题属于三维问题。作者分析了这类工程的特殊边界条件,并根据弹性力学应力和位移叠加原理,建议其弹性应力场采用下列简化模式: 三维应力场=平面应变 面外剪切 单轴压缩。按这一模式对圆形巷道应力和位移的计算结果与复杂的三维解析方法得到的结果完全一致。采用这一模式可以充分利用已有的有关平面问题的解答,简化三维问题的计算,降低模型试验的复杂程度。这一观点亦可用来对实际工程中出现的地压现象做简捷的分析。本文利用简化模式给出了圆形断面井巷和钻孔周围扣去原始压缩的相对位移公式。     

巷道围岩应力场分布分析方法探讨

地下巷道开挖方向往往与主应力方向并不一致，使得巷道问题简化为平面问题失去了应有的基础，但如果将围岩应力场作为三维问题，求解应力场比较困难。用全平面应变问题分析方法将三维围岩问题分解为3个子问题，使之得到合理的简化。同时给出了三维围岩应力解。并讨论了巷道开挖方向对围岩稳定性的影响情况。     

软岩巷道围岩应力分布规律光弹性模拟实验研究

应用相似模拟理论和光测弹性力学模拟实验方法,对煤矿软岩巷道围岩应力分布特点及位移特征进行了模拟研究,得出了软岩巷道围岩在巷道有无封闭式支护情况下的应力分布规律、应力集中程度及位移特征,并探讨了由光弹模拟实验所得资料进行模拟应力分离计算和位移分析确定的方法。实验结果揭示了支架与软岩巷道围岩相互作用的一些基本规律,对软岩巷道的支护设计及软岩工程相关问题的理论研究和生产实践具有指导意义。     

高应力构造带巷道卸压锚注支护数值模拟及应用研究

高应力强风化基岩断层破碎带巷道围岩控制一直是巷道支护技术研究的难点之一。通过对国内外支护现状的分析,并针对高应力构造带巷道变形破坏的特点,提出了以"缓冲让压、刚柔并济、稳定支护"为准则的卸压锚注二次支护技术,来解决高应力构造带巷道支护难题。应用FLAC数值模拟计算分析及现场试验表明:卸压锚注二次支护技术可明显改善锚杆、裂隙面及围岩的力学性能,减小围岩塑性区及巷道收敛位移,提高围岩的稳定性,为类似条件下巷道支护优化设计提供参考。     

考虑巷道周边有非均匀作用力的基尔希解修正

地下工程中的巷道(隧道)围岩大部分情况下会受到两向不等压的地应力作用,通常都需要进行支护。已有研究结果表明,围岩受到两向不等压的地应力作用时会导致巷道周边不同点处的径向位移不再相等,导致支护结构对围岩的反作用力也是非均匀的。原基尔希解为仅仅考虑了围岩受到两向不等压地应力作用的解析结果,因此,有必要研究支护结构的反作用力对巷道围岩的应力场、位移场产生的影响,对原基尔希解进行修正与完善。采用了与基尔希解相同的求解思路,首先,对巷道周边非均匀作用力的分布形式进行了合理假设与分解,将其分解为对称条件和非对称条件的叠加。其中,对称条件下的应力解采用弹性力学中拉梅解的求解方法,非对称条件下的应力解采用弹性力学中的半逆解法求解。将二者进行叠加即求得非均匀力作用于巷道围岩周边的弹性应力解的解析式,再与原基尔希解进行叠加即可得到基尔希解的修正解。其次,利用巷道围岩的几何方程和本构方程推导出了巷道周边处的径向位移和环向位移。最后,通过工程实例的计算,对比分析了λ和q0的变化对σr、σθ和巷道周边径向位移ur的影响,为下一步塑性区的求解提供理论基础。     

软岩巷道监测设计与应用研究

随着易采资源的日益枯竭,矿山开采逐渐向不良围岩及深部等区域发展。以软岩区域矿山开采为例,由于软岩巷道变形快,稳定性差,因此,为了确保软岩区域巷道的施工安全,针对软岩区域开挖后的应力变化和巷道变形问题,设计了基于JTM-V2000B型压力计和VWM型振弦式多点位移计的监测方案,应结合巷道围岩的实际情况,重点监测稳定性差的特殊区域。将方案应用于某河床下铝土矿页岩巷道的施工监测,现场监测数据反映了软岩巷道开挖后的应力和位移变化趋势,软岩较大的塑性变形使地应力逐渐向围岩内部转移,同时也导致巷道断面缩小。应力和位移的监测结果可以指导巷道支护设计和支护时机确定。     

深部巷道爆破卸压合理炮孔深度数值模拟

为节省深部巷道支护成本,降低巷道的围岩应力集中,利用有限元数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA建立了深部巷道数值模型,考虑高地应力的存在,采用隐式-显示转换方式模拟了不同炮孔深度下巷道围岩的爆破卸压效果。在隐式部分通过静力学分析研究爆破前高地应力巷道围岩变形与应力,然后通过隐式-显式转换把隐式求解器的松弛文件附加到显式模型中模拟爆破作用。分析了不同炮孔深度下巷道变形及应力、位移分布变化规律。     

基于复变函数不同形状的巷道围岩应力分析

深埋巷道开挖后围岩应力重新分布,影响巷道稳定。因此分析巷道围岩二次应力分布状态对于评估围岩稳定性或设计支护参数具有重要意义。目前岩石力学相关理论中讨论了圆形巷道、椭圆形巷道和矩形巷道二次应力弹性分布特征,缺乏对六边形巷道的分析。本文从弹性力学的孔口问题为切入点,基于复变函数理论,通过保角变换将矩形、六边形巷道转化为单位圆,结合弹性力学理论建立了矩形、六边形巷道围岩分析的力学模型,并分析得到巷道围岩应力分布的解析解。将解析结果与数模拟分析结果对比可知,相同结构巷道围岩二次应力分布一致且大小基本相同,就应力集中情况而言,六边形巷道优于矩形巷道。     

基于D-P准则巷道围岩力学响应特征分析

基于D-P准则对巷道围岩力学特征进行了不同侧压系数的弹塑性分析,与基于Mobr-Coulomb准则的计算结果进行了对比分析,并对不同侧压系数下巷道围岩开挖后的应力场、位移场、塑性变形区进行了数值模拟研究。结果表明:巷道围岩应力场、位移场、塑性变形区均呈对称性分布;侧压系数λ1时,随着λ的增大,应力峰值、应力集中程度、垂直位移量及垂直位移场的范围逐渐减小,巷道围岩塑性变形区亦逐渐减小。当0.1λ0.5时,巷道围岩应力和位移减小幅度较大,应力和位移对侧压系数的敏感性较大,当0.5λ1时,巷道围岩应力和位移减小幅度较小,应力和位移对侧压系数的敏感性较小。     

玄武岩裸体斜井井筒围岩稳定性分析

地下井巷的开掘工作破坏了地层原岩应力的平衡状态,导致井巷周围岩体内应力的重新分布和应力集中,当集中应力超过井巷周围岩体强度时,将引起井巷围岩变形、松动垮落和底板鼓起等一系列矿压显现现象。显然矿压显现的剧烈程度不仅和矿山压力的大小有关,而且和井巷围岩自身的物理、力学性质也紧密相关。针对西南某在建矿井玄武岩裸体斜井井筒围岩的稳定问题,利用弹性力学和岩石力学的相关知识,采用理论分析和数值模拟相结合的综合研究方法,对井筒开掘引起的周边围岩内的最大集中应力以及最大集中应力和玄武岩岩体许用强度之间的关系进行了深入研究,得出了最不利情况下井筒周边围岩的最大集中应力仍然小于玄武岩岩体的许用强度、该段斜井井筒可以采用裸体巷道的重要结论,为现场的支护设计与施工提供了科学的理论依据。     

基于D-P准则巷道围岩力学响应特征分析

基于D-P准则对巷道围岩力学特征进行了不同侧压系数的弹塑性分析,与基于Mobr-Coulomb准则的计算结果进行了对比分析,并对不同侧压系数下巷道围岩开挖后的应力场、位移场、塑性变形区进行了数值模拟研究。结果表明:巷道围岩应力场、位移场、塑性变形区均呈对称性分布;侧压系数λ<1时,随着λ的增大,应力峰值、应力集中程度、垂直位移量及垂直位移场的范围逐渐减小,巷道围岩塑性变形区亦逐渐减小。当0.1<λ<0.5时,巷道围岩应力和位移减小幅度较大,应力和位移对侧压系数的敏感性较大,当0.5<λ<1时,巷道围岩应力和位移减小幅度较小,应力和位移对侧压系数的敏感性较小。     

高应力膨胀性井巷支护技术研究

随着煤炭开采深度的不断增加,高应力软岩巷道的支护难度也越来越大。本文通过分析永定庄煤业深井高应力软岩支护巷道的变形特点,提出了锚网喷一次支护,锚注支护为二次支护,同时提出底板反拱措施以减少巷道底鼓现象。通过这些措施,有效提高了井巷稳定性,减少了围岩破坏,降低了井巷维修工作量,具有一定的经济效益。     

近距离煤层回采巷道合理布置研究

为解决近距离煤层联合开采下位煤层回采巷道的合理布置难题,结合某煤矿31101工作面和11201工作面实际情况,建立巷道围岩稳定性分析的二维数值计算模型,详细模拟分析了31101工作面开采后底板垂直应力分布规律及11201工作面回采巷道处于不同位置时的巷道围岩位移分布规律。分析结果表明:11201轨道平巷应内错31101工作面35 m左右布置,11201运输平巷应外错31101工作面70 m左右布置时,不仅能够使巷道所处应力环境较为有利,而且巷道围岩变形较为对称,避免支架承载过程中处于偏载状态,影响支架承载性能。     

基于地应力的巷道围岩支护设计及校核

以赵庄二号井2301工作面两侧巷道为工程背景,通过地质勘测、地应力测试、力学分析、数值模拟及矿压观测的方法,对巷道掘进方向及围岩支护方案进行了设计。结果表明:巷道掘进方向与水平构造应力方向相一致时有利于防范底板冲击的发生;第二偏应力和塑性区分布结果验证了支护方案设计的合理性。现场巷道表面收敛位移量均控制在5%以内,为类似条件巷道支护设计提供了借鉴意义。     

矩形巷道围岩应力分布规律与粘弹性变形分析研究

针对目前对于矩形巷道围岩稳定性分析方法的匮乏与不足,采用已有的弹塑性理论以及与实际情况相符的本构模型,利用复变函数将矩形巷道平面问题转换成单位圆平面问题,更好的解决了对矩形巷道围岩应力分布规律的分析与求解,选用Poyting-Thomson(鲍尔丁-汤姆逊)模型以及广义达尔文模型对矩形巷道粘弹性变形进行了对比分析及求解。并结合工程实际情况,对矩形巷道平面问题转换成单位圆平面问题进行了进一步分析及求解。本文为研究矩形巷道围岩稳定性破坏机理及预防提供了一定程度的理论参考。