深部硬岩巷道围岩板裂破坏试验研究进展与展望

深部硬岩巷道及隧道围岩开挖后易诱发大致平行开挖面的板裂或层裂破坏现象,严重影响深部工程的稳定和安全。板裂现象的形成不仅与开挖前深部围岩岩性、所处应力环境有关,还与巷道开挖过程中围岩所经历的应力路径密切相关。室内试验是研究深部围岩板裂破坏的一种重要方法,而比照深部硬岩巷道开挖的应力条件和应力路径开展室内试验研究是获得板裂破坏特征和科学揭示板裂破坏形成机制的关键。根据室内试验研究所选的试样类型出发,从实心长方体试样板裂试验、含预制孔洞试样板裂试验以及“先加载后孔内卸荷”板裂试验三方面,重点介绍了板裂破坏室内试验设备发展情况和取得的研究进展,总结了板裂破坏室内试验研究中主要存在的问题和难题,提出了板裂破坏室内试验研究的未来发展趋势和方向：(1)研发与岩石性质相似的3D打印材料,构筑深部岩体大尺度巷道开挖模型试验试样;(2)研制能真实模拟巷道围岩应力条件和应力路径的大尺度、高吨位的真三轴试验系统,实现三维应力环境中巷道开挖过程模拟;(3)开发能显示围岩实时变形、裂隙和应力状态的监测技术和软件。在此基础上,开展室内巷道板裂破坏试验模拟,并结合数值模拟试验结果,总结板裂破坏特征和演化规律,获得板裂...     

板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理

围岩的破坏，通常所指的是张破坏和剪破坏。在岩体力学中，岩块沿着结构面滑动，剪切带内岩体决滚动，已经披认为是常规的岩体破坏机制。但还有几种破坏形式屡见不鲜，如层状围岩中的倾倒变形、溃屈破坏和地下顶板发生弯折破坏等。这几种破坏的特点是层间错动极为发育，它将坚硬的岩层分割成板状或碎裂状结构。孙广忠先生将此类围岩结构称为板裂结构。其中渍屈和倾倒变形是板裂结构所特有的两种破坏形式，是结构失稳的表现。结合工程实例对板裂介质围岩中的隧道衬砌与围岩相互作用机理进行了研究与验证，其成果可为板裂介质围岩中的工程衬砌设计提供技术指导。     

采动条件下顶板岩体结构对底板采动效应的影响研究

运用FLAC~(3D)分别建立了硬-软-硬、软-硬-软、均质硬岩和均质软岩4种顶板结构的数值计算模型,获得不同顶板结构对底板变形破坏特征的影响特征。研究结果分析表明:均质硬岩顶板类型的底板破坏深度最小,底板应力变化较平缓;软-硬-软和硬-软-硬顶板组合的底板破坏程度略大于前者;而均质软岩顶板组合的底板内易形成高应力区,位移变化最小。     

采动底板的岩性组合效应研究

采用FLAC3D软件建立了3种软硬岩不同组合形式的底板采动效应数值计算模型,探讨了不同岩性组合类型底板的应力分布、位移以及破坏深度变化规律。研究结果表明:软-硬-软组合底板破坏区在采掘工作面下方最大,贯穿硬岩夹层,而硬-软-硬组合底板类型由于存在软岩夹层,使得整体受到破坏,其底板破坏深度略低于均质硬岩底板。硬岩层内则易形成高应力集中区。     

高应力软岩巷道变形破坏机理与控制技术研究

高应力软岩巷道具有持续塑性变形破坏特征，单一支护方式难以控制。通过建立围岩变形破坏的力学模型，对高应力软岩变形破坏特征、力学机制、应力转移过程模式进行理论研究分析计算，提出了支护控制准则，工程实例中控制了巷道强烈变形，保持了巷道的稳定，为高应力软岩巷道控制提供了依据。     

千米深井巷道围岩变形破坏机理与支护技术

针对深井高应力软岩巷道围岩大变形、强流变性、强烈底鼓等非线性大变形围岩控制难题,以邢东矿-980m大巷为工程背景,现场调研-980m大巷围岩变形破坏特征,阐明了高地应力、强烈地质构造、高渗透压环境下深部巷道围岩变形机制机理,以库伦-莫尔应力圆分析了-980m大巷围岩开挖造成的高主应力差对围岩破坏作用。在上述研究的基础上,针对性地提出了"高性能锚网喷+高强锚索+可缩性环形支架+注浆加固"的联合支护技术,并进行工业性实践。工程实践表明,该技术可有效解决-980m大巷围岩控制难题,对类似巷道围岩控制具有借鉴意义。     

基于离散元的地压诱导破裂机理研究

用3DEC离散元数值模拟软件为深部硬岩矿床建立矿体模型,结合工程实际提出了在矿体中开挖巷道诱导矿岩致裂以实现矿体非爆连续开采。对诱导致裂巷道竖向、水平两种开挖形式进行了开挖模拟,模拟结果显示,竖向开挖比水平开挖利用地压诱导致裂矿岩的效果更好;掘进机上下分层开挖巷道时,先开挖下部的位移量较大,为7~9mm,塑性区主要集中在巷道两帮,主要以剪切、拉伸破坏为主,更容易利用地压破岩,研究成果成功地在开阳磷矿进行了深部高应力硬岩矿床非爆连续开采。     

软岩近距离煤层采动覆岩破坏特征模拟研究

为了研究软岩煤层组开采过程中围岩及地表的破坏移动规律,基于采动覆岩移动、裂隙分布规律及破坏机理,采用相似模拟研究方法,以依兰煤矿首采区工作面为工程原型,建立了地质力学模拟模型,分析研究了软岩煤层组的采动力学演化特性、顶板裂隙破断发展轨迹、地表移动变形规律和围岩塑性区分布范围.研究得出:依兰煤矿首采区上煤层采后覆岩破坏最大裂采比为7.5,多煤层覆岩综合裂采比为9.3,地表下沉系数为0.76,地表移动变形值达到Ⅳ级变形;揭示了覆岩纵向裂隙呈梯形分布于采空区两端,横向裂隙分布于顶板应力卸压区的特征;指出采空区围岩应力与空间位置有关,顶板应力变化幅度大于煤柱应力变化;分析得到"三软"覆岩移动变形速度较大,同时软岩煤岩层对采动围岩变形起到了缓冲作用,覆岩裂隙破坏范围在围岩中受到限制.     

软岩巷道支护浅析

从软岩的工程特性、力学特性出发，对煤矿软岩进行了归类，即膨胀性软岩、高应力软岩、节理化、破碎化软岩和复合性软岩。提出了各种类型软岩的变形破坏机理及其应当采用的支护方法。     

推覆构造条件下防水煤柱留设的研究与实践

以新集二矿首采8煤为例,系统分析了对开采有影响的覆岩含水层水文、工程地质条件,预测覆岩的破坏形成,总结了推覆构造条件下的离层及裂高发育规律,进而对防水煤柱留设的可行性进行研究,并通过开采实践进行了论证。     

屈曲型岩爆的发生机制及其时效性研究

为分析深部巷道围岩层裂薄板结构的形成机制和屈曲型岩爆发生的力学机理,采用数值模拟方法对深部巷道开挖过程中围岩主应力的分异演化规律进行了研究。基于三参量黏弹性本构关系,以屈曲型岩爆的层裂薄板结构为力学模型,推导出了二向受力下屈曲型岩爆的压屈时效方程,探讨了不同应力状态下屈曲型岩爆的时效特征。结果表明:在以垂直应力为主导的巷道在掘进过程中,巷道顶部和底部的主应力水平在逐步减小,岩体能量逐步释放;而巷道两侧边墙的主应力出现严重的分异现象,切向应力变大而轴向应力减小,岩体能量向两侧转移并大量积聚。以水平应力为主的巷道在掘进过程中,围岩应力状态的演化过程及能量积聚特征与此相反。围岩层裂薄板结构形成后,在切向应力和轴向应力的二向应力作用下发生蠕变弯曲变形,经过一段时间,当变形达到某一限值时,层裂薄板结构就会发生屈曲失稳破坏并释放岩体内积聚的弹性变形能,产生延迟岩爆现象。     

深部坚硬矿体高频破碎锤非爆机械化开采试验

随着深部硬岩矿山开采深度不断增加,钻爆法逐渐无法满足矿山开采要求。国内外提出了机械切割的破岩方式应对深部开采所带来的挑战,并在煤矿开采和隧道开挖等领域得到广泛应用。为探究非爆机械化开采在深部硬岩矿山中的应用,通过挖掘机载高频破碎锤开挖深部坚硬矿体进行机械开采试验。试验期间,通过数字钻孔电视监测试验区域松动区范围,并记录每日开采时间、破碎锤和挖掘机状态、矿柱形貌、采矿量、剥落矿石块度、粉尘情况、顶板情况以及破碎锤尖部抖齿磨损情况,通过上述参数分析机械开采在深部硬岩矿山中的应用效果。试验结果表明：试验矿柱的松动区平均厚度达2.59 m,在该范围内开挖矿柱效率较高;试验中,整体切割工效可以达到50.6 t/h,切槽后开挖矿柱的切割工效可以达到158.2 t/h,证明了非爆机械化开采在深部硬岩矿山中应用的可行性;此外,机械开采还具有工时利用率高、剥落矿石块度小、粉尘少、开挖扰动小等优点。     

应力波作用下巷道围岩层裂失稳的数值模拟

片帮型冲击矿压使煤壁局部失稳,它与煤壁层裂板结构的形成有关.为了分析巷帮层裂结构形成的影响规律,采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、顶板的岩性对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟.研究得到了巷道围岩在一定应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征.顶板的性质决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构的范围大小及层裂板的稳定性.研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理,以及采取有效的防治技术措施具有重要意义.     

锚注技术在塘子凹坑巷道加固堵水中的应用

锚注技术能够有效提高和改善巷道围岩力学性能、控制围岩变形,在井下岩体加固、堵水方面有着广泛的应用。云锡集团近年来随着开采深度的增加,在松散、风化花岗岩岩体中掘进时常遇到片帮、冒顶,掘进后底臌、变形现象严重,特别是在水体作用下,上述问题更加突出,掘进效率非常低下。针对上述问题,通过方案设计、锚杆封堵材料研制、现场工业试验等工作,成功将锚注技术应用到云锡井下巷道加固堵水中,堵水效率达到100%。     

浅埋偏压软岩隧道数值模拟及方案比选

围岩的应力应变是分析隧道开挖中围岩稳定性的重要依据。目前比较成熟的隧道施工力学方法主要是对隧道开挖过程进行数值模拟。通过大型有限元软件ANSYS,计算了不同埋深、不同坡度角、不同覆盖层厚度条件下,马鞍形浅埋偏压软岩隧道围岩的应力应变,分析其规律并进行方案比选,确定了此类隧道比较合理的设计方案。分析结果表明:以2倍洞径的埋深作为偏压隧道深埋或浅埋的判断依据是合理的;在保证围岩稳定不发生片帮冒顶的前提下,减小埋深和覆盖层厚度是比较合理的;隧道内壁各点的应力应变规律可以为隧道开挖中支护结构参数的选取提供参考。     

复合顶板松软煤层巷道变形破坏机理及合理支护设计

依据巷道围岩物理力学条件,结合数值模拟对复合顶板松软煤层巷道变形破坏机理进行分析,结果表明:巷道变形破坏原因主要是由于原有支护缺乏主动支护作用,复合顶板和松软煤帮物理力学性质差,在围岩应力作用下,顶板易离层、冒落,两帮易片帮、下沉,并且两者相互影响、相互作用。为此提出了在巷道掘进过程中采取的支护对策并对回采巷道进行合理支护设计。     

使用石膏围岩试件模拟巷道开挖卸荷效应的试验研究

为了掌握巷道(隧道)围岩在开挖卸荷条件下的变形规律及破坏机制,实现对巷道开挖卸荷过程中真实加、卸载过程的模拟,采用具有自主知识产权的巷道围岩开挖卸荷模型试验系统,对高强石膏材料制作的小型围岩试件(厚壁圆筒:高290 mm、外径200 mm、内径100 mm)进行了巷道开挖瞬态、缓慢卸荷以及破坏的模拟试验。试验过程中采集到围岩试件轴向和切向2个方向的应变随时间的变化关系,获得了开挖卸荷全过程的应变-时间曲线。试验结果表明:(1)围岩试件的轴向基本都呈现受压状态,部分测点出现拉压变化,轴向应变在缓慢卸荷时可充分展现其弹塑性变形,而在瞬态卸荷时大部分的变形是在卸荷后慢慢释放的,卸荷结束后围岩试件有轻微蠕变现象;(2)围岩试件的内测切向应变大于外侧,即离洞壁距离越远,应变越小,试件在卸荷过程中向内膨胀;(3)同一测点,卸荷过程中切向应变大于轴向应变,切向应变对卸荷过程的反应更敏感,具有瞬时性,在围岩变形中起主导作用;(4)卸荷破坏时,切向应变先于轴向应变发生突变,即围岩试件破坏方向朝向洞内,试件破坏主要是环向剪切破坏伴随有竖向劈裂。     

A continuum grain-interface-matrix model for slabbing and zonal disintegration of the circular tunnel surrounding rock

It is difficult to numerically reproduce the common failure modes of the circular tunnel surrounding rocks, such as the slabbing or delamination in hard rock, and the zonal disintegration at great depth, based on continuum and homogeneous elastoplastic models. In the present paper, a grain-interfacematrix model is proposed based on continuum elastoplastic theories, and implemented in FLAC. Rock is simplified as a compound of the circular grains, rectangular interfaces, and remaining matrix. These components are modeled by squared elements with the same size. Results show that shear strains exhibit intersecting and multiple shear bands or slip lines extending intergranularly. High principal stresses in compression are found to form rings around the tunnel surface. For fine grains, the intensive rings are found, similar to the slabbing; while for coarse grains, the spacing between rings becomes large, analogous to the zonal disintegration. Thus, a unified mechanism of two kinds of phenomena is explained as the self-organization process of dominant microstructures subjected to forces. Nevertheless, the scale of dominant microstructures regarding or governing the process is different. For hard rock without joints, the scale corresponds to actual grains; while for jointed rock mass under high compressive stresses at great depth, the scale of rock blocks is dominant.     

基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望

深部围岩开采前处于高静应力状态,开采(开挖)过程中不可避免承受机械或爆破开挖带来的开采扰动、卸载扰动以及应力调整扰动作用,属于典型的动静组合受力状态。用动静组合加载力学研究深部开采岩石力学问题更加符合深部围岩开采的实际情况。从深部围岩开采受力全过程出发,介绍了"岩石动静组合力学"概念和试验研究的提出过程,阐述了岩石动静组合力学试验研究从一维状态到二维状态再到三维状态的发展历程,并重点介绍了真三轴动静组合加载岩石力学试验系统的研制情况和取得的研究进展。根据对深部开采岩石力学科学认识的不断深入,结合动静组合加载岩石力学试验相关研究结果,揭示了深部岩石在各种动静组合受力状态下的力学响应、破坏特征以及能量规律,科学再现并解释了岩爆、板裂及冲击地压等非常规岩石破坏现象和机理。在此基础上,系统总结了真三轴动静组合加载岩石力学试验机的共同特点,并提出了未来研究的4个重点发展方向:(1)发展能实现"三维高静应力+卸载+冲击扰动"功能的真三轴SHPB动静组合加载试验机;(2)发展大尺寸岩石内部卸荷真三轴试验机;(3)基于三维动静组合加载岩石力学试验聚焦深部围岩发生岩爆灾害的能量机理;(4)开展深部原位保真取芯的三维动静组合加载岩石力学试验。     

大倾角软煤综放工作面煤壁片帮机理及致灾机制

工作面煤壁片帮是大倾角软煤综放采场"支架-围岩"系统灾变的致灾源之一。通过建立煤壁空间受力模型、数值计算与理论分析相结合的方法对煤壁片帮的力学机理、形态特征、多发区域以及由其引发的"支架-围岩"系统灾变机制进行了研究。结果表明:煤壁的破坏形式以剪切滑移破坏为主,片帮形态为非规则四棱锥体且片帮具有继发性;工作面倾斜中上部是片帮的多发区域;煤壁片帮后形成的"片帮-冒顶"恶性循环导致支护系统失去对顶、底板运动的控制作用,加剧围岩运动变形,形成"煤壁片帮→顶煤冒空→支架倾倒→底板滑移"的围岩灾变机制。基于以上并结合长山子煤矿1123工作面生产实际提出了大倾角软煤综放工作面煤壁片帮防控措施。