辛置矿矩形巷道围岩变形与应力分布数值模拟研究

针对辛置矿矩形巷道开挖后围岩应力分布、塑性区范围与形态、围岩移动变形等问题,采用Flac3D数值模拟软件对其进行研究。结果表明:矩形巷道宽高比对围岩塑性区分布影响较小,破坏形状呈圆形,围岩移动变形量及最大应力分布随宽高比增大而增大;侧压系数对围岩塑性区的影响较大,随着侧压系数的增大,巷道开挖后塑性区形状由竖向蝶形-横向椭圆形-圆形-竖向椭圆形-横向蝶形规律性变化,巷道围岩变形量和最大应力值随着侧压系数的增加先减小后增大。     

厚煤层直墙半圆拱巷道围岩破坏影响研究

采用FLAC3D数值模拟的方法，分析了不同埋深、不同侧压系数下厚煤层直墙半圆拱形巷道围岩塑性区发育特征、应力分布特征和围岩变形特征。研究表明：随着埋深的加大，巷道的围岩变形量呈线性增加，围岩破坏深度更大且塑性区呈环绕形分布；侧压系数对巷道的破坏形态影响较大，当侧压系数为0.5时，塑性区的分布呈现出“蝶翼形”，随着侧压系数逐渐增大到1时，塑性区分布呈“帆船形”，分布较为均匀，侧压系数继续增加后，巷道逐渐成“窄高形”并最后发展成“沙漏形”。对鱼卡矿回风巷支护方案进行了优化，采用锚网索联合支护，并对巷道表面进行喷浆，巷道稳定后顶板下沉量为35 mm，帮部位移量为50 mm，满足安全生产需要。     

构造应力场中巷道围岩破坏机理研究

针对构造应力场中巷道围岩变形破坏基本特征,采用FLAC3D数值计算软件,依次分析侧压系数、内摩擦角、黏聚力对矩形巷道周边应力分布、位移和塑性区扩展的影响。结果表明:侧压系数对巷道围岩变形破坏具有敏感性,随着侧压系数的增大,巷道两帮移近量呈现正比增加的趋势且明显大于顶底移近量;内摩擦角在一定的取值范围内,与巷道围岩塑性区变化存在着负相关性,但是当其增大到相对的临界点(30°≤φ≤35°)时,塑性区的变化将不再明显;当黏聚力增大到一定程度(C=5.0MPa)时,巷道围岩塑性区的变化将保持在一个相对稳定的水平。在此基础上提出高强让压支护的基本思路,开发了"多孔循环注浆,深浅孔结合"工艺,在工程实践中取得较好效果。     

侧压系数对半圆直墙拱形巷道稳定性的影响

为探究侧压系数对巷道稳定性的影响,利用有限差分数值计算软件研究了应力场中侧压系数对围岩应力场分布、巷道变形和塑性区分布的影响。结果表明,在λ1时,围岩应力集中于巷道两帮,巷道变形不大,塑性区随着λ的增大而减小;在λ1时,围岩应力由两帮向顶底板转移,并且随着λ的增大向围岩深部扩展,顶板变形量远小于底板和侧帮变形,塑性区在顶底板扩大而两帮变化较小;将淮北矿区海孜矿地应力实测结果和巷道变形破坏情况与数值模拟得出的规律进行对比,两者基本一致。     

含弱层巷道围岩滑移破坏规律的模拟研究

为研究弱层对煤矿巷道围岩滑移破坏的影响,基于UDEC岩土模拟软件,建立了含弱层煤矿巷道数值计算模型,对弱层与侧压力系数共同作用下巷道围岩滑移破坏规律展开研究。结果表明:弱层的存在改变了围岩中应力传递路径,减弱了围岩深部向煤帮的应力传递,促进了顶板向煤帮的应力传递,进而加剧围岩的剪切破坏与水平滑移;随弱层厚度增长,围岩临界破坏深度随之增大,煤体的剪切破坏也愈明显,围岩塑性区深度与水平滑移值也会进一步扩大;侧压力系数对含弱层巷道围岩的稳定性也具有重要影响,当侧压力系数为1.0时,煤帮围岩最为稳定,当侧压力系数介于1.0～2.0时,随侧压力系数的增大,围岩塑性区深度也会进一步增长,围岩滑移值呈非线性增长。     

不同水平应力作用下巷道底鼓特性的数值模拟研究

结合工程实例,通过数值模拟软件FLAC3D模拟,研究了垂直应力恒定、改变水平应力时巷道围岩应力和位移变化特性。模拟结果表明,水平应力是影响巷道底鼓量的重要因素,随侧压系数的提高,围岩塑性破坏范围增大,巷道底鼓量呈线性规律增大。底板的水平应力升高区是造成巷道底鼓量增大的根本原因。     

软岩巷道围岩控制数值模拟

赵固二矿软岩巷道变形严重,采用数值模拟软件FLAC3D,对工钢棚+喷浆+注浆支护下的巷道围岩应力、位移特征和塑性区范围进行了计算分析。结果表明,随着侧压系数地增大,围岩位移、应力和塑性区范围都有增大的趋势,且塑性区由巷道两帮向顶底板转移。现场试验结果表明,采用工钢棚+喷浆+注浆支护,巷道两帮移近量和顶板下沉量分别为145和112 mm,围岩控制效果较好,为类似条件下的巷道支护提供了参考依据。     

侧压系数对巷道软弱互层顶板岩体破坏影响规律研究

运用FLAC3D软件,对垂直应力不变、不同侧压系数条件下,巷道软弱层状顶板岩体的塑性破坏、位移和应力变化规律进行了三维数值模拟研究。巷道两帮和底板岩层较硬,顶板岩层相对软弱,并且层理发育。顶板各岩层及软弱夹层的物理力学参数分别相同。研究结果表明,层状顶板岩体的破坏特征是由侧压系数λ决定的。当λ<1时,顶板的塑性区和卸压范围较大,但顶板挠度却较小。当λ>1时,顶板的塑性区和卸压范围较小,但顶板挠度却较大。     

非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程及应用

由于双向非等压应力条件作用下的圆形巷道弹塑性问题求解难度较大,目前难以得到精确解析解。基于Mohr-Coulomb强度准则,将Kirsch解代入塑性条件中研究了非等压应力条件下圆形巷道围岩塑性区近似边界方程、分析了塑性区影响因素及形成力学机制。结果表明:侧压系数影响塑性区形态,原岩应力方向影响蝶形塑性区蝶叶方位,巷道半径与围岩岩性对塑性区形态均没有影响,但对塑性区的发育深度起着决定作用;侧压系数不等于1时,最大主应力方向不再平行于巷道切向,最小主应力方向不再经过巷道中心位置,引起围岩剪切破坏方向发生变化,而塑性区的扩展受控于最大剪应力的分布,此时塑性区形态偏离圆形;剪应力峰值点曲线与塑性区边界均随侧压系数变化而发生变化,但塑性区边界总是位于剪应力云图中最大剪应力峰值位置,且侧压系数越小主应力方向变化越大,塑性区不规则形态越明显;该求解方法没有考虑塑性区对弹性区应力的影响,属于近似求解法,但塑性区形态、发育规律与数值模拟结果相一致,并对解决工程问题具有指导作用,说明该塑性区边界方程近似解法是可信的。通过该近似方程能够掌握巷道围岩塑性区发育扩展规律,依此提出的可接长锚杆支护技术能够有效解决深部巷道锚杆易随顶板整体下沉、锚索破断引发的冒顶问题,较好的消除了冒顶隐患。     

地应力特征对矩形巷道围岩松动区变形的影响研究

利用离散元数值分析方法,对矩形巷道在不同水平应力条件下围岩松动区应力分布及其变形破坏特征进行了分析研究。分析结果表明,侧压系数越大对围岩松动区深度及变形影响越大,并且侧压系数在较小值范围变化时,对松动区的影响明显小于侧压系数在较大值范围变化时的影响程度。变形量随着围岩深度的增加呈现非线性减小趋势,进一步证实围岩松动区变形量的大小主要体现在承载体与载荷体组成的平衡结构,变形主要产生在该平衡结构失衡与再平衡的形成过程。该研究对揭示巷道围岩的失稳机理以及矩形巷道支护方案的确定具有一定的借鉴作用。     

高水平应力条件下某钨矿巷道围岩稳定性分析

某钨矿在开挖巷道过程中,受高水平应力影响,巷道两帮及顶底板出现不同程度的挤压变形与破坏,为对后期巷道维护方案提供理论依据,采用Phase2软件模拟分析在水平应力作用下各区域巷道围岩塑性区范围变化情况,研究表明:巷道顶板的稳定性很大程度上受水平构造应力影响,并存在极值λ,当高于此值时,围岩稳定性迅速下降;当岩石存有结构弱面时,塑性区范围大大增加,甚至可能超过巷道宽度,在一些关键部位和破碎带区域需要进一步支护。     

不同应力状态下深井水平层状软岩巷道底鼓机理研究

为研究深埋层状岩石应力边界条件下巷道变形破坏规律,基于欧拉公式,利用压杆稳定理论、摩尔库仑准则和挠曲破坏力学模型,分析不同层状岩体巷道变形破坏机理,按岩体柔度对层状岩层进行划分,考虑应力边界条件,建立新的力学强度参数,并结合旗山煤矿工程地质条件,利用Flac3D数值模拟分析不同应力边界条件下层状底板岩层巷道变形破坏动态演化规律。研究结果表明:1)压杆稳定理论能很好地适应于层状岩体顶底板巷道变形破坏模型,可将层状岩体近似成压杆叠合体。2)将底板破坏强度与顶板破坏强度之比定义为K_c,所建立的力学强度参数能较好地反映巷道顶底板破坏演化规律,当K_c1,底板破坏临界应力比顶板破坏临界应力大,则顶板先破坏,产生的位移量较大;当K_c=1,底板与顶板的破坏临界应力趋于一致,同时破坏产生位移;当K_c1,顶板破坏临界应力比底板破坏临界应力大,则底板先破坏,产生的位移量较大。3)当K_c值逐渐趋向于1时,顶底板位移量也不断趋于接近。因此可逐步提高薄弱岩层的强度,通过研究Kc值的变化规律,从围岩整体稳定性方面考虑获得最佳的支护方式。     

顶板淋水对巷道围岩变形的影响数值分析

为解决巷道顶板受淋水影响易于冒落的问题,采用数值模拟的方法研究了巷道掘进初期无淋水及后期顶板发生淋水不同条件下围岩受力、变形及破坏特征变化情况。结果表明:水对岩体性质及受力状态产生显著影响,受顶板淋水影响,围岩发生膨胀变形,应力增大,应力集中区范围扩大;围岩遇水后强度降低,受应力增大及强度降低2方面影响,岩体变形显著增大,并发生破坏现象;基于鄂尔多斯某矿实际物理力学参数的数值计算结果,顶板淋水时垂直应力和水平应力分别比无淋水时增大50%和13.8%。顶板下沉量比无淋水时增加450%,顶板塑性区增大至无水时的2.3倍。针对此类巷道及时采取注浆加固或架棚的方式,可有效降低顶板冒落事故的发生。     

初始地应力场对煤矿巷道围岩稳定性的影响

基于柴里矿二水平南轨上山实际地质开采条件, 采用UDEC数值模拟计算, 对岩层移动模拟研究中初始地应力场对巷道围岩稳定性的影响进行了研究。研究结果表明, 地应力的大小、方向对巷道围岩稳定性影响很大, 巷道两帮移近量、顶板下沉量和底板底臌量整体上都随着侧压系数增大而增大; 巷道顶、底板和两帮内围岩垂直应力随着侧压系数增大而增大, 当侧压系数超过1.5以后, 随着侧压系数增大, 两帮支承压力峰值逐渐趋于一定值, 且支承压力峰值位置有靠近巷帮的趋势; 巷道两帮和顶底板岩层不同层位处的位移大小和方向是不同的, 两帮和顶底板一定距离内存在着位移为0的点或面。     

不同原岩应力下巷道群应力分布数值模拟研究

采用FLAC3D有限差分数值模拟软件对不同原岩应力状态下巷道群围岩应力分布进行了模拟研究。通过分析围岩应力场特点,得出了巷道掘进扰动效应与垂直应力及侧压系数的关系:掘进扰动影响程度随垂直应力的增大呈上升趋势,顶板部位受扰动影响较为显著;掘进扰动影响程度随着侧压系数的增大并非单调增大,当侧压系数大于一定数值时,掘进扰动影响程度反而降低。研究可以为隧道群布置的优化提供一定参考,也可以为煤矿实际生产提供理论指导。     

某深井强采动巷道围岩破裂失稳的数值模拟

针对西部某矿回风巷在大埋深强采动环境下的长期大变形的工程现象,采用FLAC~(3D)数值模拟方法研究了不同煤层厚度、构造应力及煤柱宽度下的巷道变形破坏规律。结果表明,随着煤层厚度的增大,巷道顶板塑性区及变形量逐渐增大,对顶板影响显著。随着构造应力增大,偏应力作用下巷道围岩整体变形逐渐增大,应力集中区逐渐向帮部深处和底板转移。随着煤柱宽度的增加,巷道顶底板及两帮变形量呈现先增大后减小的趋势,当前煤柱尺寸设置不合理,应减小煤柱尺寸,优化围岩应力环境,提高巷道维护效果。     

采动巷道软弱顶板塑性破坏演化规律与支护方案

软弱顶板条件下,巷道在原岩应力与采动应力叠加作用下会出现深度较大的塑性破坏区,引发剧烈的巷道围岩变形,甚至出现冒顶隐患。为掌握采动过程中塑性区在软弱顶板中的演化规律,以敏东一矿回采巷道为工程背景,系统研究了采动前后巷道围岩塑性区分布与演化特征,结果表明:在本工作面超前支承压力和上区段工作面采空区侧向支承压力的叠加影响下,采动巷道周边两个主应力比值急剧升高,同时,受邻近工作面覆岩移动影响,巷道围岩周边应力中的最大主应力方向也将发生大幅度的偏转。伴随着软弱顶板采动巷道围岩主应力大小和方向的不断演化,最大塑性破裂深度逐渐扩展且朝向顶板,塑性区扩展过程中会出现隔层分布现象,顶板剧烈变形主要是由塑性破坏产生,各层位顶板的破裂顺序依次为浅部塑性破坏、高位软岩塑性破坏和中位岩层的破裂。中部层位的断裂破坏一般滞后于高位穿透塑性区的形成。期间巷道围岩出现严重的非均匀性大变形,支护难度极大。据此提出了以注浆锚索为核心的顶板控制方法,注浆层位应主要集中在采动期间发生高位穿透塑性破坏的层位,注浆覆盖范围应不小于高位穿透塑性破坏的分布范围,巷道顶板变形监测结果表明,顶板控制效果良好,顶板未出现安全隐患且变形量在允许范围内。     

不同地应力条件下巷道围岩松动圈演化研究

基于Mohr-Coulomb准则,建立考虑不同侧压系数条件下的巷道围岩松动圈理论计算模型,结合工 程算例对不同侧压系数的地应力条件下圆形巷道围岩松动圈范围进行了求解分析;采用数值模拟 方法对巷道开挖的松动圈范围进行了计算,并与理论求解结果进行了对比分析。结果表明：①当侧压力系数λ=1时巷道围岩的塑性松动圈为圆形,且松动圈半径随地应力的增大而增大。② 不同侧压力系数条件下巷道松动圈范围有所变化。顶底板围岩松动范围随λ的增大而增大。 而当λ＜1.0时巷道两侧壁松动范围随λ增大而减小,λ＞1.0时随λ增大呈增 大趋势,但整体上的变化量不大。③通过理论计算与数值模拟得出的松动圈分布规律基本一致。     

高水平应力下大断面巷道围岩破坏机理及支护方案

为研究水平构造应力下大断面巷道围岩破坏机理,基于压力拱理论分析了巷道跨度对巷道围岩稳定的影响,并在理论上分析了水平构造应力对巷道顶板和两帮的影响,通过建立PHASE2D数值模型,分别模拟了不同巷道断面和水平应力下的巷道围岩应力和位移分布,表明巷道跨度的增大对巷道顶板两侧有较大影响,使其水平和垂直应力集中系数增大,强度系数减小,巷道顶板两侧围岩更易失稳破坏。随着侧压系数增大,巷道两帮强度系数大范围减小,表明水平应力的增大会使两帮煤体发生破坏。最后通过具体案列对理论分析结果进行了验证,提出了合理的支护方案。     

不同地应力环境下巷道破坏变形特征数值模拟研究

利用坐标转换法将原岩应力转换为巷道轴向为基准的应力分量,通过调整转换后的应力分量,实现原岩应力方向的变化,并以此结合利用有限差分计算软件FLAC~(3D)分析原岩应力大小与方向对巷道围岩破坏变形的影响。研究得出,随着侧压系数增大,巷道破坏变形由顶底板为主向两帮为主过渡,当侧压系数为1时,巷道顶底板及两帮的破坏变形程度相近。当巷道轴向与水平最大主应力呈角度相交时,巷道两帮围岩破坏变形呈不对称分布,且当相交角在0°～15°或75°～90°时巷道围岩的不对称破坏变形程度最低,相交角为45°时最大。