深部高地应力巷道塑性破坏特征及注浆支护

为探讨基于围岩塑性破裂区分布的深部巷道精准注浆加固技术,推导得高地应力下非等压二区破坏圆形巷道的应力和塑性破裂区范围的理论解,并结合COMSOL软件,揭示侧压系数、围岩软弱破裂程度和注浆加固对其的影响规律。结果表明:随侧压系数增大,顶底板内的环向应力和塑性破裂区范围显著增大而巷帮的却减小;围岩软弱破裂程度越高,其最大环向应力越小而塑性破裂区范围越大,故决定塑性破裂区范围的是最大环向应力所在位置距巷道表面的距离;塑性破裂区在侧压系数、黏聚力和内摩擦角的不同组合下将呈圆形、类椭圆形和近似蝶形;注浆加固对具有不同可注性和可改造性围岩的塑性破裂区形态、位置和范围的影响不同。其成果可为高地应力巷道注浆加固等设计提供参考。     

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。     

矩形与圆形巷道塑性区相关性分析——侧压系数不大于1

基于弹塑性理论对不同侧压系数下圆形巷道围岩塑性区进行了理论分析,给出了不同侧压系数下圆形巷道塑性区范围的计算公式及轮廓图像.本文将矩形巷道对围岩的影响等价于其外接圆圆形巷道对围岩的影响,并利用FLAC3D数值模拟进一步验证了圆形巷道塑性区范围计算公式及矩形与圆形巷道塑性区的相关性,得到:(1)当侧压系数不大于1时,随着侧压系数的减小,矩形、圆形巷道塑性区均呈现圆形-椭圆形-蝶形的形态变化;(2)在相同的侧压系数下,将矩形巷道对围岩的影响等价于其外接圆圆形巷道对围岩的影响时,矩形巷道塑性区范围与圆形巷道塑性区范围存在一定关系.研究成果可作为矩形、圆形巷道支护设计及稳定性分析的理论基础.     

极坐标下圆形孔硐蝶形塑性区分布特征与扩展规律

针对埋深大、采掘工程和构造区附近的巷道或硐室围岩会形成蝶形塑性区的问题,采用理论计算和计算机编程的方法从极坐标下圆形孔洞围岩塑性区形成和发展的角度出发,阐述了圆形孔洞围岩塑性区形成的力学机制,分析了圆形孔洞围岩塑性区不同的几何形态和范围,重点研究了蝶形塑性区形成、发展及边界扩张的空间演化规律,并探讨了影响蝶形塑性区分布的关键因素和各因素之间的变化特征对蝶形塑性区的影响程度和工程危害。研究发现:孔洞围岩形成蝶形塑性区后,当埋深、孔半径,内摩擦角和黏聚力参数不变时,随着侧压系数从0.4减小至0.3,蝶形塑性区边界从1.43 m增加至3.22 m,随着侧压系数继续的微小变化从0.3减小至0.2,蝶形塑性区边界从3.22 m呈对角线成倍发展扩张至12.27 m,蝶叶扩张至无限大后消失,其中蝶叶扩展影响因素按程度从大到小依次划分为侧压系数、埋深、孔半径,内摩擦角和黏聚力。研究成果为矿山、水利水电、隧道、油气勘探等深部工程稳定性分析及其控制提供了理论依据。     

基于DP准则的巷道围岩塑性区影响因素分析

围岩塑性区的扩展是巷道事故频发的根本原因，确定塑性区影响因素及其发展规律对煤矿的安全生产至关重要。基于DP准则推导出非均匀场下的围岩塑性区边界方程，对非圆形截面巷道进行当量半径折算，分析不同侧压系数下塑性区形态，采用单因素法分析不同DP准则的塑性区影响因素。研究结果表明：当侧压系数在0.6～1.5范围时，塑性区呈椭圆形分布；当侧压系数小于0.6或大于1.5时，塑性区呈蝶形分布。巷道地压和围岩岩性显著影响了塑性区的形态及范围，根据工程实际合理选取巷道位置，能够有效降低巷道支护的难度及成本。中间主应力对巷道围岩塑性区范围的影响有着强烈的区间性。巷道支护可以通过注浆来改善岩体的黏聚力、内摩擦角，进而减小塑性区范围，但这一作用效果有限。塑性区半径随着支护阻力的增大而线性减小。根据不同DP准则计算出的塑性区半径有所差异，合理运用DP屈服准则既能够保证煤炭生产的安全性，又能够降低工程造价。     

采动巷道围岩塑性区理论分析与支护对策研究

基于弹塑性理论,引入垂直动压系数与水平动压系数2个参量,建立了采动圆形巷道围岩力学分析模型,导出了其塑性区边界隐形方程,探讨了采动巷道围岩塑性区几何分布形态,提出了考虑塑性几何分布形态的采动煤巷围岩实用支护对策。研究发现:随着垂直主应力动压系数D_(vert)的逐渐增大或水平主应力动压系数D_(lev)的逐渐减小,塑性区的几何分布形态由圆形→椭圆→圆角矩形→蝶形发展,且垂直主应力动压系数D_(vert)越大或水平主应力动压系数D_(lev)越小,巷道围岩更易产生蝶形塑性区,蝶叶的发育尺寸和范围更大;采动巷道围岩主应力方向发生变化,其蝶叶也会产生不同程度的旋转,当蝶叶塑性区最大深度处于巷道顶板正上方时极易发生冒顶,需要进行加强支护。     

深部巷道变形与塑性区几何形态特征分析

为研究深部巷道变形与塑性区的特征关系,通过理论分析,数值模拟及现场实测等手段,分析了深部巷道围岩塑性区形态与巷道周边位移的规律.研究表明:设定的塑性区敏感系数K值反映了塑性区最大尺寸的变化与塑性区形态特性:K值小于2时是稳态塑性区,塑性区主要为圆形,椭圆形和圆角矩形;K值大于2小于5时为亚稳态塑性区,塑性区为蝶形,但蝶叶没有出现较大扩展;K大于5时是恶化塑性区,塑性区蝶叶出现恶性扩展;巷道表面位移与塑性区形态及最大尺寸具有相关性,当塑性区为蝶形时,巷道表面变形较大,并且变形最大处出现在塑性区尺寸最大方位.现场实例监测和分析验证了理论及数值模拟结果.     

双向不等压圆形巷道围岩塑性区理论分析及数值模拟

根据弹性力学中圆孔应力解的方法,利用莫尔-库仑强度准则,推导出了双向不等压应力场载荷作用下圆形巷道围岩塑性区的边界方程。从理论分析和数值模拟对比分析的角度出发,分析了侧压系数、围岩岩性、开挖半径对圆形巷道围岩塑性区的影响。结论表明:双向不等压载荷作用下,圆形巷道围岩较大载荷方向的塑性区尺寸小于较小载荷方向的塑性区尺寸;巷道围岩越坚硬塑性区分布范围越小,围岩为软弱岩层时塑性区呈蝶形分布,围岩为坚硬岩层时,塑性区呈椭圆形分布;巷道开挖半径对巷道围岩塑性区分布范围影响较大,同一角度处的塑性区半径随着巷道半径的增加呈线性增加。     

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。     

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。     

不同侧压巷道塑性区变异性特征模拟分析

侧压系数λ对巷道围岩稳定影响较大,在不同侧压系数作用下开挖巷道围岩的破坏区形态和范围均不同。应用数值模拟方法,分析了不同侧压系数条件下埋深分别为400 m和800m圆形巷道塑性区分布特征,并提出了相应的巷道支护对策。结果表明:λ=1时,巷道围岩塑性区为圆形;λ>1时,巷道围岩塑性区为竖椭圆形;λ<1时,巷道围岩塑性区为横椭圆形;λ>1时巷道支护应以控制顶底板为主,λ<1时巷道支护应以控制两帮为主;相同侧压时埋深越大巷道围岩塑性区范围越大,但增长幅度与埋深呈非线性关系。     

岩石性质对半圆拱巷道围岩稳定性的影响

采用FLAC软件,分析了在不同内聚力、内摩擦角以及抗拉强度等岩石力学参数赋值条件下,半圆拱巷道周围围岩的塑性区分布和巷道位移分布规律。结果表明,岩石的内摩擦角和内聚力与巷道塑性区范围和位移量大小成反比例增长,内聚力和内摩擦角赋值对巷道塑性区和位移的影响较大,而对抗拉强度值影响较小。     

软岩巷道围岩变形与分区控制技术研究

复杂地质条件下软岩巷道围岩稳定控制是技术性难题。以现场实测为主、理论分析为辅的研究方法，构建了非等压巷道围岩弹性-损伤力学模型，对荣华矿西翼运输大巷围岩变形特征及控制方法进行了研究。研究结果表明：断层形成后，水平应力和初始水平应力比值为4.3～8.5;较小的内摩擦角、内聚力及较大的侧压系数对应较大的塑性区半径及较高的蝶形塑性区概率，塑性区半径扩展速度可间接表征蝶叶塑性区是否形成；对于易松动软岩，应在支护初期保持支护阻力及改善围岩性质；巷道前方水平裂隙较为发育，围岩整体变形量较小，两帮移近量和顶板下沉量分别在150 mm、40 mm以内，验证了分区支护策略及支护参数的合理性。     

基于偏应力场的巷道围岩破坏特征及工程稳定性控制

针对巷道围岩破坏机理及稳定性控制问题,采用岩石力学等相关理论推导了巷道围岩偏应力场的解析解,分析了圆形巷道围岩在不同情况下的分布情况,建立了偏应力场与塑性区分布的本构方程,表明塑性区半径与极坐标的角度和偏应力是密切相关的,可呈不规则分布;结合工程实际,采用数值计算模拟分析了垂直应力大于水平应力时(侧压系数λ=0.4)和水平应力大于垂直应力时(侧压系数λ=1.6)不同应力状态下的巷道围岩偏应力和塑性区演化过程;根据现场调查及塑性区演化特征,提出在不同侧压系数下巷道围岩可形成典型正对称失稳模式和典型角对称失稳模式,并分析了这两种破坏模式的巷道围岩支护误区,以及相应的控制原则与关键技术。结合木孔煤矿和高坑煤矿的工程实践,应用了以"锚杆+锚索"支护为主,以提高两帮稳定性目标的"高强刚桁架"综合支护技术;以及以"关键部位注浆",发挥内、外耦合作用的"锚杆+U型钢+锚索"综合治理方案。工程实践表明,所提出的支护方案分别能对正对称失稳巷道和角对称失稳巷道围岩变形能起到较好的控制效果。     

高水速凝材料在破碎围岩巷道支护中的应用研究

针对某煤矿盘区变电所围岩松散破碎变形严重的问题,通过研究内聚力、内摩擦角以及支护阻力对巷道周边位移的影响,确定了围岩注浆压力为2.5 MPa,以增强围岩强度,为锚杆和锚索提供可靠的着力基础。采用间排距为850 mm×850 mm的锚杆和锚索对围岩进行支护,控制住了变电所的变形,保证了变电所的正常使用。     

巷道围岩破碎区分布特征及其影响因素的数值模拟

基于圆形巷道经典松动圈解析解进一步推导了破碎区范围的分布特征,分析了围岩破碎区与巷道断面、侧压系数、埋深等因素的关系,评价了围岩稳定性。研究结果表明:巷道断面形态对围岩破碎区范围的影响较小;侧压系数<1.0时,巷道的两侧易发生失稳破坏;在侧压系数等于1.0时,巷道围岩破碎区分布最为均匀,巷道处于相对稳定的状态;侧压系数>1.0时,巷道顶底板处则较巷道两侧易发生失稳破坏;围岩破碎区范围随着埋深的增加而增大,在埋深为1 500 m时,巷道围岩达到了极限强度,从而认为巷道开挖存在一个极限埋深。     

矩形巷道围岩塑性区扩展规律分析

为研究深部矩形巷道围岩塑性区形成与发展过程,采用理论分析和数值模拟等手段,分析了不同埋藏深度、巷道高宽比、侧压系数对巷道围岩塑性区的形成、发展以及形态范围的影响规律.分析表明:(1)矩形巷道围岩失稳破坏是围岩塑性区畸变向巷道围岩深部非均匀恶性扩展的结果,对于深部矩形巷道而言,其经历了完整的塑性区恶性扩展过程,对于浅部巷道而言,巷道塑性区扩展过程并不完整;(2)在矩形巷道高宽比较小时,塑性区向巷道围岩深部非均匀扩展、恶性扩展的范围及巷道顶板变形量与高宽比呈正相关;(3)垂直载荷一定情况下,水平载荷过小或者过大,围岩塑性区越容易形成不规则的塑性区,侧压系数的改变直接改变了塑性区的几何形态.     

考虑轴向应力影响的圆形巷道围岩塑性区边界近似解

为了研究考虑轴向应力作用的巷道围岩塑性区边界问题，基于Mohr-Coulomb准则，通过引入Lode角参数，推导出考虑轴向应力作用的圆形巷道围岩塑性区边界隐性方程，通过变化巷道水平应力σ_x、轴向应力σ_y分析了不同应力场下的围岩塑性区尺寸及形态，并通过数值模拟进一步说明了理论分析的可靠性。此外还研究了围岩黏聚力C、内摩擦角φ、巷道半径R、泊松比v对巷道围岩稳定性的影响。结果表明：(1)固定轴向侧压变化水平侧压的条件下，围岩塑性区尺寸变化会分为敏感区和迟钝区，且在水平侧压变化的过程中围岩塑性区形态会呈现圆形、椭圆形及蝶形3种形态。(2)固定水平侧压变化轴向侧压的条件下，围岩各位置的塑性区会呈现强烈的区间效应，通过与平面应变问题下的塑性区尺寸对比将区域分为轴向应力影响区和轴向应力无影响区。在轴向应力影响区内，轴向侧压的变化对围岩的塑性区尺寸影响较大。(3)巷道围岩的破坏形态由水平侧压η1决定，轴向侧压η2对塑性区形态影响较小，对尺寸影响较大。(4)围岩C、φ的增加会使巷道围岩的塑性区尺寸不同程度的减小，R的增加会使围岩不同位置塑性区呈等差数列增大。...     

非均匀应力场圆形巷道塑性区研究

为了研究巷道开挖后巷道围岩的塑性区分布规律,首先分析巷道围岩的应力分布特征,在计算出围岩应力分布规律基础上,依据摩尔库伦强度准则推导出圆形巷道围岩的弹塑性区。通过理论计算得出侧向应力、地应力、黏聚力、内摩擦角参数变化时巷道围岩的塑性区范围,从而总结出巷道围岩塑性区的演化规律,结果表明,侧压力系数λ对圆形巷道围岩的塑性区有很大影响,当λ=1时,巷道围岩塑性区为圆形;当λ1时,塑性区在两帮较大,顶部小;当λ1时,塑性区在两帮较小,顶部大,且角部塑性区发展迅速;随着地应力的增加,塑性区的范围也随之增大;随黏聚力增大塑性区范围减小;随着内摩擦角φ的增大塑性区范围随之减小,但影响较小。     

非均匀应力场圆形巷道塑性区研究

为了研究巷道开挖后巷道围岩的塑性区分布规律,首先分析巷道围岩的应力分布特征,在计算出围岩应力分布规律基础上,依据摩尔库伦强度准则推导出圆形巷道围岩的弹塑性区。通过理论计算得出侧向应力、地应力、黏聚力、内摩擦角参数变化时巷道围岩的塑性区范围,从而总结出巷道围岩塑性区的演化规律,结果表明,侧压力系数λ对圆形巷道围岩的塑性区有很大影响,当λ=1时,巷道围岩塑性区为圆形;当λ<1时,塑性区在两帮较大,顶部小;当λ>1时,塑性区在两帮较小,顶部大,且角部塑性区发展迅速;随着地应力的增加,塑性区的范围也随之增大;随黏聚力增大塑性区范围减小;随着内摩擦角φ的增大塑性区范围随之减小,但影响较小。