侧压力对巷道塑性区分布规律影响的研究

为了研究不同侧压力对巷道围岩塑性区分布规律的影响,首先基于巷道围岩的应力分布特征计算出围岩应力,然后以摩尔-库仑强度准则推导出巷道塑性区的边界方程。通过理论计算出了不同侧压力下巷道围岩塑性区的变化规律,并以数值模拟进行了验证,得出了不同侧压力系数下圆形巷道塑性区的分布规律,此分布规律与现场实测一致。     

沿底留顶煤回采巷道断面形状优化数值模拟研究

以某矿沿底留顶煤回采巷道为研究对象,采用理论分析和FLAC2D数值模拟为主要方法,分析了矩形、直墙半圆形和圆形3种断面形状对巷道围岩塑性区发育特征、应力分布特征和围岩变形特征的影响。直墙半圆拱形断面与圆形断面比较而言,围岩塑性区发育范围、应力分布特征和变形特征降低程度减小;针对沿底留顶煤回采巷道而言,直墙半圆拱形断面是较优断面形式。     

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。     

深部巷道等强支护控制理论

本文调查了大量的煤矿巷道现场破坏案例,提炼了6类15种典型破坏模式,分析了圆形与矩形巷道的围岩受力特征及应力分布规律。基于巷道围岩梯度破坏机理及矩形巷道等强梁支护模型,提出了深部巷道等强支护控制理论力学概念模型,即根据巷道围岩受力特征,采用开槽卸压、注浆加固、锚杆(索)主动支护、钢管混凝土被动支护等综合手段,有效调整巷道围岩的应力状态,以期实现不同位置围岩能够达到安全且与地应力比相匹配的等效应力状态,获得应力分布趋于均匀、塑性区范围相似的理想状态。给出了不同埋深、不同断面形状巷道所需的等强支护强度计算公式,数值模拟了圆形与矩形巷道在等强支护前、后围岩应力变化,验证了等强支护后围岩应力场能明显改善。等强支护控制模型一定程度上为深部巷道围岩控制提供了理论和实践指导。     

不同影响因素下巷道变形特征模拟研究

以王晁煤矿16层煤开采巷道为背景,基于正交试验通过FLAC^3D数值模拟软件建立巷道变形破裂演化的计算模型,系统研究了不同巷道断面形状、巷道断面尺寸、巷道断面宽高比对巷道围岩变形、破坏和应力演化规律的影响。模拟结果表明,各参数对巷道变形破坏影响的显著性次序为巷道断面大小>断面形状>断面宽高比;巷道断面大小是影响巷道变形破坏的最主要因素,断面大小与巷道的变形和破坏呈正相关;椭圆形断面巷道最为稳固,塑性区发育高度和最大垂直位移量显著小于直墙半圆拱断面巷道与矩形断面巷道;断面宽高比对巷道变形破坏影响较小,但对最大垂直应力的产生影响较大。研究揭示了不同巷道断面对巷道围岩变形破坏演化规律,可为煤矿巷道设计提供参考。     

基于ABAQUS数值模拟的采区巷道断面形状优化研究

 选取矩形、梯形、直墙半圆拱形、圆弧拱形、三心拱形、直墙半圆加反拱形6种常用采区巷道断面形状进行数值模拟分析,研究不同巷道断面形状开挖后位移分布,分析表明直墙半圆拱形巷道变形量最小,且加设反拱后对于减少底臌量效果明显。选取矩形和直墙半圆拱形断面作为代表断面,分析不同埋深H及侧压力系数λ对采区巷道变形特征、围岩应力影响。在此类围岩条件下,当采区巷道埋深小于400 m、侧压力系数小于1.6时,矩形巷道和直墙半圆拱形巷道围岩变形量差距较小,此时可以选择矩形巷道断面以满足经济性要求。     

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。     

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。     

不同巷道断面形态下围岩力学性能研究

巷道是矿山工程的重要运输通道,它为矿山井下生产、通道换风、给排水及生产动力等提供重要交通便利。根据巷道的不同用途,选择合适的巷道断面形状对施工、维护等有重要的意义。因此,文章采用有限元工程软件,开展了巷道断面形状对围岩力学性能的影响研究。研究结果表明:无论巷道是何种断面形状,断面附近巷道围岩的应力普遍比较大,应力峰值主要集中在断面的两帮,应力值以"蝴蝶翅膀"形状从两帮向围岩四周逐渐减小。同时,不规则断面造成应力重分布的影响区域远大于其他断面,而椭圆形断面和圆形断面的应力影响带最小。巷道两帮是围岩塑性的主要集中区,并从此位置向围岩体深部扩展,而且各种断面形状所引起的塑性区形态各异。     

高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤数值模拟研究

深部巷道围岩在频繁爆破扰动作用下微裂隙不断产生、扩展与贯通,形成宏观破裂,岩体失稳灾害日益突出。本文采用FLAC3D软件,考虑不同侧压力系数,开展高应力爆破扰动条件下巷道围岩损伤规律研究。结果表明：应力环境明显影响巷道围岩的损伤特征。初始应力条件决定巷道围岩的破坏区域和破坏形态分布,爆破扰动会加剧巷道围岩的损伤,加快破坏速度。与初始应力状态相比,爆破扰动造成巷道围岩松弛区变厚、应力集中程度和影响范围增大,同时改变围岩中位移的分布特征和范围,并增大围岩的最大位移量。巷道围岩所受双向载荷差值越大,爆破扰动作用后塑性区的深度就越深,破坏增量也越大,巷道围岩塑性区的范围远大于松弛区。支护工程应控制松弛区围岩,避免其发生垮落。研究为深部巷道围岩控制提供支撑。     

圆形巷道围岩塑性区的一般形态及其判定准则

巷道围岩塑性区形态决定了巷道围岩的破坏形式及破坏程度,以塑性区边界隐性方程为基础全面研究了圆形巷道围岩塑性区一般形态的变化规律。结果表明:在不同围压状态下均质围岩圆形巷道塑性区一般表现出圆形、椭圆形、蝶形3种形态。通过理论分析找到了3种形态的数学力学含义,并推导出不同形态下的判定准则。提出了塑性区形态系数的概念,推导出了形态系数的计算公式,利用其大小可判别塑性区形态特征。通过FLAC3D数值模拟方法验证了理论计算的正确性。研究成果可作为巷道稳定性分析、支护设计、冒顶灾害防治、冲击地压预测与防治、煤与瓦斯突出预测与防治等工程实践的理论依据。     

微山湖底深部煤巷锚网支护模拟研究

为了掌握微山湖底深部煤巷围岩应力场分布及变形破坏规律,结合典型工程地质条件,采用FLAC3D数值模拟研究了矩形和梯形断面在不同锚网支护方案时围岩应力分布特征和变形特点,模拟结果表明:巷道顶板塑性破坏范围较小,破坏形式以拉伸破坏为主,顶板变形量不大;两帮破坏范围较大,破坏形式既有拉伸破坏又有剪切破坏,变形量约为顶板变形量的2倍。根据模拟结果选取最优方案进行了工业性试验,矿压观测结果表明支护方案有效控制了围岩稳定。     

不同埋深条件下深部巷道变形特征分析

针对深部巷道围岩支护难、变形大等特点,理论分析了深部巷道围岩变形破坏特征、围岩力学特性以及应变软化理论。数值模拟分析了不同埋深条件下沿帮部路径的应力水平、顶板应力差峰值和所处围岩深度关系、深部巷道塑性区和残余区变化规律以及巷道埋深和位移的关系。研究为深部巷道支护参数设计提供了理论基础。     

深部软岩巷道围岩变形特征及数值模拟分析

针对深部煤矿开采条件下软岩巷道围岩出现持续流变时间长、变形大、地压高、巷道难以维护等特点，首先分析了深部软岩巷道变形特征，采用FLAC^3D数值模拟软件，分析了不同埋深条件下巷道围岩垂直应力分布、水平应力分布以及巷道围岩塑性区扩展规律。研究得出，深部软岩巷道的围岩岩块呈松散破碎形态，相互翻转和滑移，岩体的模量和强度低；随着巷道埋深的逐渐增加，巷道围岩应力集中系数逐渐减小，巷道垂直、水平应力峰值逐渐变大，塑性破坏范围扩展速率逐渐增加。研究为深部软岩巷道支护提供理论基础。     

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。     

弱胶结软岩巷道围岩应力与位移分布规律及支护技术

针对西部浅埋弱胶结软岩巷道的复杂地质条件,基于X射线衍射试验、电镜扫描、岩石力学物理试验与现场监测,揭示了西部浅埋弱胶结软岩巷道围岩变形破坏失稳机理。根据巷道围岩大变形破坏特征,建立了FLAC3D数值模型,模拟演化了弱胶结软岩巷道的围岩应力位移分布规律和塑性区范围,研究结果表明:弱胶结软岩巷道围岩最大主应力决定了巷道围岩的破坏深度,且随围岩深度近似呈"へ"形分布;巷道围岩不同方向深部变形s与巷道表面距离h呈负指数衰减变化的关系。通过对比分析,数值模拟塑性区范围和地质雷达探测松动圈厚度基本一致,从而为弱胶结软岩巷道围岩稳定性分析及支护加固方案设计提供了科学指导。最后针对弱胶结软岩巷道塑性区范围,提出了"锚网喷主动支护+36U型钢支架+全断面锚注"的联合支护技术,现场监测结果表明改进的支护方案可以有效控制巷道围岩变形及塑性区的扩展,保证了巷道的长期稳定及安全。     

基于FLAC3D的冲击矿压围岩变形规律研究

为了研究冲击矿压围岩变形规律,确保矿井安全生产,采用理论分析和数值模拟等手段,理论分析了动静载荷叠加作用下诱发的巷道冲击破坏形式以及巷道冲击破坏必要条件,数值模拟了不同底板条件下巷道围岩塑性区的变化规律、不同水平应力条件下巷道围岩的水平应力分布以及不同能量的动载下巷道帮部水平速度态响应特征。研究为冲击矿压防治技术的制定提供了理论基础。     

考虑流变特性的两向不等压巷道围岩塑性区近似解

针对巷道围岩受两向不等压地应力作用下的平面应变问题,分析围岩流变特性对其塑性区的影响。深埋巷道围岩因流变的发展而持续变形,其达到稳定后的峰值应力为一定围压下的长期强度。基于此,以皖北恒源煤矿-950 m进风井井底车场巷道为例,通过三轴压缩与蠕变试验测定了巷道岩石的抗压峰值强度、长期强度和残余强度。然后,考虑岩体峰后脆性软化特性将巷道围岩分为弹、塑性区,并从既有文献轴对称应力场塑性区公式出发,结合围岩总荷载不变的规律推导了两向不等压巷道围岩水平(及竖向)轴上的塑性区半径,再结合既有文献求解的塑性区形状,相对准确地给出了两向不等压巷道围岩塑性区边界的近似解。该近似解在不考虑岩体峰后脆性软化时的结果与既有文献给出的相应解析结果完全吻合;并且轴对称应力场圆巷围岩塑性区半径的解析解是该近似解在侧压系数为1时的特例。最后,结合试验数据,就考虑岩体流变特性与否的两种情况进行了对比。结果表明:考虑流变,视岩石长期强度为围岩峰值应力,得到的塑性区范围与工程实际基本吻合;否则围岩仅产生弹性变形,与实际偏差较大。可见,岩体流变特性对围岩塑性区分布具有重要的影响,理论研究及工程实际中,忽视岩体流变特性实则无形中高估了围岩岩性,不利于巷道围岩长期稳定性与安全性的评估。     

超大规模采场破顶窿形线优化及稳定性模拟研究

选取椭圆线、抛物线、圆形线、直线4种不同曲线为模型, 对破顶层爆破窿形线进行了优化研究, 利用FLAC^3D数值模拟软件对4种顶板窿形线下的采场围岩变形特征、塑性区分布及周边应力情况进行了模拟, 同时对比分析了采场有无侧向抗力对模拟结果的影响。结果表明, 周边单元应力与曲线斜率具有较高相关性, 曲率越大, 应力越大; 采场顶板窿形线形状对采场围岩变形特征及围岩塑性区的分布影响较大, 圆形线为最优爆破窿形线, 直线形最差; 采场顶板在有侧向抗力时的稳定性比无侧向抗力时好, 且两种条件下的最优顶板窿形皆为圆形。