不同接触角下接触带巷道顶部剪应力分布特征研究

地下开采中接触带巷道围岩剪应力是巷道出现剪切破坏和局部冒落的主要原因,构成矿山开采的重大安全隐患。为控制接触带巷道稳定性,研究了不同接触角下接触带巷道围岩剪应力分布特征。采用三维光弹应力冻结试验法,制作了0°、15°、30°和45°的接触带巷道光弹试验模型,定量分析了不同接触角下接触带巷道顶部在4 000 k N载荷时的剪应力分布特征。试验表明:光弹切片的应力条纹图直观显示了不同接触角下接触带巷道顶部的应力场分布;接触带弹性模量为6.69 GPa的一侧剪应力大小是弹性模量为3.20 GPa一侧的2~10倍,巷道顶部接触带上存在剪应力突变;当载荷一定时,接触带与巷道交界处剪应力值和接触带巷道顶部上最大剪应力值随接触角的增大而增大。研究结果表征了不同接触角下接触带巷道顶部的剪应力分布特征,对实际工程具有一定指导意义。     

深部巷道围岩分区破裂化的三维光弹试验研究

为研究深部巷道围岩分区破裂的形成机理,采用三维光弹应力冻结试验法研究深部巷道围岩的应力分布。光弹试验模型在径向约束条件下分别沿巷道轴向施加5 KN、30 KN、50 KN、70 KN和90 KN的荷载,光弹切片直观地呈现分区破裂围岩应力场。结果显示,当轴向应力达到一定水平时,巷道围岩应力分布呈现与巷道同心的完整圆环形,巷道附近围岩应力最大。随着巷道轴向应力的增大,与巷道同心的圆环形应力圈数增多,应力水平提高,且最大应力有远离巷道表面的趋势。研究表明,巷道轴向应力决定了分区破裂产生的破裂圈数,是影响巷道分区破裂的主要因素。随着轴向应力的增大,高地应力“绕过”巷道。三维光弹试验法为分区破裂力学研究带来方法上的进步。研究成果可为巷道围岩稳定性控制提供新的思路,为巷道的开挖和支护设计提供理论基础。     

王家岭煤矿不同煤层倾角巷道围岩稳定性分析

为研究不同煤层倾角巷道的围岩稳定性,基于Midas GTS/NX有限元软件,依托山西王家岭煤矿工程,对煤层倾角为0°、15°、30°、45°、60°及75°的巷道围岩稳定性进行数值建模分析。结果表明:随着煤层倾角α的增大,巷道围岩的水平应力和垂直应力都随之先变大后变小,围岩应力最大值由巷道两帮底部向巷道两帮上部转移,且当α=45°时应力值达到最大;当煤层倾角较小与较大时,巷道围岩都能够有效发挥其自承能力;当煤层倾角为45°或者接近45°时,此时巷道的开挖需要着重关注围岩的变化。     

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。     

充填体—围岩组合体力学特性及破裂演化特征 RFPA3D 模拟

为深入分析非线性接触面下接触角对充填体—围岩组合体力学特性及破坏演化特征的影响,借助 RFPA3D 真实破裂过程分析软件,开展了 7 个角度(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°),2 种灰砂比(1 ∶4、1 ∶8)的单轴压缩组 合体数值试验。 结果表明:①随着接触角增大,组合体模型的峰值应力、峰值应变、弹性模量先减小后增大;随灰砂比 增大,各参数均增大;接触角 60°时,组合体峰值应力和峰值应变最小;接触角 15°时,弹性模量最小;接触角 90°时,各 参数均最大。 ②张拉应力是造成充填体内部横向裂纹和破碎区的主要原因,剪切应力是造成充填体二次开裂、接触 面滑移和围岩破坏的主要原因,组合体破坏为宏观剪切—张拉混合裂纹。 ③接触角 0° ~ 30° 组合体破坏为张拉破坏, 发生在充填体区域;接触角 45° ~ 60° 组合体破坏为剪切破坏,发生在充填体和接触面区域;接触角 75° ~ 90° 组合体破 坏为剪切—张拉组合破坏,发生在充填体、接触面和围岩区域。     

逆断层倾角对断层两侧巷道围岩稳定性的影响

运用UDEC数值模拟软件,建立40°、60°、80°3种倾角的逆断层模型。通过分析巷道围岩塑性破坏特征、顶底板和两帮的移近量以及围岩垂直应力分布特征,研究逆断层倾角和上下盘关系对两侧巷道围岩稳定性的影响。研究结果表明:巷道在逆断层上盘时,随断层倾角增大,围岩稳定性有降低的趋势;若巷道布置在逆断层下盘,断层倾角为60°时巷道围岩稳定性最差;若巷道布置在逆断层下盘,则顶底板移近量均小于在上盘时,而围岩塑性区范围、两帮移近量和巷道两侧应力的集中程度大于上盘,且断层倾角越大差值越大。     

厚煤层动压巷道切顶护巷关键参数研究

针对厚煤层切顶护巷围岩矿压显现较为剧烈的工程问题,采用理论分析、FLAC3D数值模拟和巷道围岩变形现场试验,对韩城矿区桑树坪二号井厚煤层切顶卸压护巷关键参数进行探究,得出：切顶导致基本顶原有应力传递路径发生改变,使得压力转移到采空区,从而减轻采空区的侧向实体围岩应力,围岩应力越发均匀缓和;通过理论分析和数值模拟的方法,对切顶高度为10.5、12.5、14.5、16.5 m及切顶角度为55°、65°、75°、85°的巷道围岩应力及其分布进行了分析,结果表明：最佳切顶高度14.5 m和切顶角度75°不仅能有效切断采空区顶板岩层与巷道之间的应力传递路径,迫使应力集中区域向实体煤深处转移,还能使得顶板岩层在工作面回采后及时垮落并充填至采空区,进而改善巷道围岩应力环境;通过现场试验对3308工作面二号回风平巷进行了表面位移观测,巷道围岩变形量小,护巷效果良好。     

最大水平主应力对巷道围岩稳定性影响的数值分析

利用数值计算方法,研究了最大水平主应力对巷道围岩稳定性的影响。结果表明,最大水平主应力方向与巷道轴向方向夹角对巷道围岩稳定性的影响大致可以分为3个阶段。0°~20°为第1阶段,巷道两帮较顶、底板承载更高的围岩应力,要注重巷道两帮的支护;20°~50°为第2阶段,巷道两帮与顶、底板承载相同的围岩应力,应采用相同的支护强度;50°~90°为第3阶段,巷道顶、底板承载的围岩应力远高于巷道两帮,要特别注重巷道顶、底板的支护,夹角越大,顶、底板支护强度越高。     

不同煤层倾角锚杆支护巷道围岩受力特征物理模拟研究

为了研究煤层倾角变化对锚杆支护回采巷道围岩力学特征的影响,结合淮南矿区大倾角煤层开采地质和技术条件,应用自制相似材料模拟旋转试验架,建立了煤层倾角为0°,30°和45°的锚杆支护回采巷道的相似材料模拟模型,系统分析了不同煤层倾角锚杆支护回采巷道围岩应力、变形和破坏特征。随煤层倾角增大,巷道围岩应力分布和变形的非对称性特征更加明显;倾角越大,巷道围岩的整体稳定性越差。研究得出顶板、高帮和底板是大倾角煤层实体煤回采巷道围岩稳定性控制的关键部位,揭示了煤层倾角变化对锚杆支护巷道围岩力学特征影响的作用机理。工程应用表明,大倾角煤层回采巷道围岩稳定性控制的关键是根据巷道围岩非对称结构特点和围岩力学特征的非对称性,采用非对称锚网索组合支护,并不断改进支护材料、优化支护参数、加强施工工艺和质量管理。     

巷道交叉口围岩应力随角度变化规律分析

本文为研究煤矿井下交叉巷道修建时交叉口围岩应力随角度变化规律,对两巷道间交叉角度为30°、45°、60°、75°和90°交叉区域内的围岩应力变化进行研究,并基于有限元软件Madis GTS/NX对拟建的五种工况开展分析。研究结果表明,在交叉角度由30°变化到90°的过程中,水平应力、横向应力及竖向应力随交叉角度增大均呈现总体下降的趋势,只是竖向应力值总体变化较为明显,水平应力和横向应力值仅是在小范围内波动。另外,交叉角度越小,交叉口区域围岩水平、横向、竖向应力值越大,巷道围岩越不稳定。     

特厚倾斜复合顶板巷道破坏特征与稳定性控制

大倾角特厚复合顶板巷道因其围岩原位强度低、层间黏结力弱,在复杂应力作用下巷道围岩具有非对称破坏特征。结合具体工程实例,采用相似模拟试验、FLAC3D数值模拟和工程测试等方法,分析不规则梯形与拱形巷道在常规对称支护和非对称强力支护条件下围岩应力、位移等变化规律,揭示特厚倾斜复合顶板巷道的非对称破坏机理。研究表明:受岩层赋存特征影响,巷道围岩结构和应力分布的非对称性是造成巷道非对称性破坏的根本原因;复合层状岩层结构面法向约束力减小与钝角部位应力集中直接导致弱面剪切滑移失稳;采用拱形巷道与非对称强力支护能有效改善围岩应力状态、减小围岩变形,提高巷道支护体系的平衡承载能力。     

含孔洞层状砂岩动态压缩力学特性试验研究

隧道、矿山巷道和硐室等地下岩石工程中揭露的层状岩体往往具有不同的产状,层理弱面的方向与主要动荷载作用方向存在多种组合,相应的动态各向异性力学特性和变形破坏特征对地下岩石工程安全稳定具有至关重要的影响。针对冲击载荷下倾斜层状岩体中巷道围岩稳定性问题,选取一种层理构造显著的黄砂岩,其中层理倾角φ为层理面与加载方向之间的夹角,加工制备倾角分别为0°,15°,30°,45°,60°,75°和90°的7组预制中央圆形孔洞板状试样(尺寸为宽度60 mm×高度60 mm×厚度15 mm),在75 mm杆径分离式霍普金森压杆(SHPB)试验平台上进行冲击压缩试验,并使用高速摄影仪实时记录试样动态裂纹扩展演化过程,研究不同层理倾角条件下预制中心孔洞层状岩石的动态力学参数、裂纹扩展演化过程及最终破坏模式等动态压缩力学特性变化规律。结果表明,峰值应力处试样破坏的峰值应变在0. 008 1～0. 012 37变化,随着层理倾角的增加,试样动态抗压强度、弹性模量及峰值应变整体均呈先增大后减小的变化规律;初始起裂裂纹总是从孔洞周边压应力集中处萌生,随后逐渐形成宏观裂纹,宏观裂纹为剪切裂纹或拉剪复合裂纹;倾角0°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的复合张剪破坏,倾角15°～45°试样发生局部沿层理和局部穿越层理的剪切破坏,倾角60°～90°试样最终发生穿越层理的类X型剪切破坏;利用正交各向异性板理论计算孔洞周边应力分布,发现随着层理倾角的增加,孔洞周边应力集中系数的峰值也逐渐增大,且层理倾角为0°,15°,30°,45°的试样孔洞周边最大压应力出现在θ(θ为孔洞周边任意一点的极角)为74°,81°,86°,90°及关于原点中心对称的254°,261°,266°,270°处,同时试验中观测到相应的层理倾角试样分别在88°,85°,79°,70°及关于原点对称的271°,264°,262°,252°处萌生剪切裂纹,与理论分析结果吻合较好。层理方向与冲击载荷平行时,层状岩体中巷道围岩对冲击载荷的承载能力最弱。针对钻爆法分台阶开挖硐室或爆破施工中存在近距既有巷道,应合理布置爆破载荷的方向,避免层理方向与爆破载荷之间的夹角过小而导致巷道失稳。     

深部水平主应力方向对煤巷围岩稳定性影响规律研究

为了保证深部巷道掘进过程中围岩稳定，深入分析巷道布置方向和深部水平主地应力分布之间的关系，以首山一矿为工程背景，利用理论计算方法求出最优角度，使用数值模拟方法分析煤巷布置轴向与最大水平主地应力σH不同夹角时模型的塑性区分布，最大主应力差变化和围岩变形特征。结果表明：煤巷掘进后从煤巷壁面到围岩深部围岩的最大主应力差大致可以分成“增长-降低-稳定”三区|当作用在煤巷两帮的水平法向应力σn与垂直主地应力近似相等时水平地应力对煤巷布置掘进稳定性影响最小，根据对现场数据的理论计算和模拟结果的分析，巷道轴向与σH夹角大小为30°左右时巷道较为稳定。     

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。     

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。     

窄高水材料巷旁充填沿空留巷围岩偏应力演化及控制

为了解决高水材料窄巷旁充填沿空留巷围岩破坏严重及难以控制的问题，以登茂通公司2202综采工作面1.4m窄高水材料巷旁充填沿空留巷为工程背景，基于实验室实验测试了水灰比为1.6∶1高水材料的强度特征，通过数值模拟及现场工程试验研究了高水材料窄巷旁充填沿空留巷围岩偏应力分布规律及其失稳破坏机制。结果表明：①随着超前工作面距离的不断增加，偏应力峰值带位置逐渐发生偏转，偏应力峰值大小逐渐减小，越靠近工作面采动影响越剧烈|②超前工作面40m范围内的巷道围岩偏应力峰值带主要集中在巷道右上肩角与左下肩角，超前工作面距离大于50m时的围岩偏应力峰值带主要集中在巷道顶底板围岩深部处，且近似呈对称状分布|③工作面回采且留巷完成后，留巷围岩偏应力峰值主要集中于实体煤帮与实体煤侧顶板处，支护时需保证锚索杆体穿过实体煤帮及顶板围岩偏应力峰值带位置。基于此提出高水材料窄巷旁充填沿空留巷围岩采用“顶板全锚索支护+巷内三排单体支柱+实体煤侧补强锚索加固+巷旁高水材料充填墙”对拉预紧锚杆并辅以单体柱护墙+采空区侧单体柱撑顶并辅以锚杆加固顶板的分区域非对称综合控制技术，通过现场工程实践证明了留巷围岩控制技术的合理性，保障了高水材料窄巷旁充填沿空留巷的稳定性。     

采空侧巷道围岩应力分析与控制技术研究

常村煤矿S6-1皮顺为深部采空侧大变形巷道,亟需一种新的科学支护方式提高巷道围岩稳定性。通过分析煤层工作面工程地质条件,确定了包含煤层、顶板、底板的四种岩性试样进行物理力学试验,将试验结果赋值到UDEC模拟软件中模拟工程现场煤柱应力分布和巷道变形规律。结合现场情况和模拟结果,设计不同的切顶卸压方案并进行数值模拟对比。模拟结果表明,在垂直顶板方向切顶时,切顶高度26.1m、33.6 m、44.0 m和61.0 m分别对应煤柱峰值支承应力28.5 MPa、24.8 MPa、23.1 MPa和25.0MPa;切顶角度10°、20°、30°和40°分别对应煤柱峰值支承应力24.26MPa、24.03MPa、23.26MPa和24.42MPa。结合现场地质条件和施工条件,最终确定切顶高度为44.0m、切顶角度为30°为最优方案。现场试验结果表明,切顶卸压配合补强支护方案效果显著,有效减小了保护煤柱支承应力和巷道变形。     

深部巷道裂隙围岩危险体判定及应力监测预警

工程岩体是由节理、裂隙等结构组成的不连续介质体,深部巷道处于高地压、强扰动的复杂工程环境中,裂隙岩体的稳定性是深部工程安全稳定性研究的重要课题。本文以矿井深部巷道为研究对象,构建离散裂隙网络模型,获得等效岩体参数,并以此建立裂隙岩体工程模型;分析工程巷道裂隙围岩的应力、变形和破坏特征。模拟试验结果表明:斜联巷、釆联巷、水仓与主运输巷交叉等位置是应力集中区,易产生张拉、剪切破坏;根据数值模拟获得的应力集中危险区域分布特点,布设围岩应力监测网络,成功预警位于斜联巷和水仓连接巷的顶板塌落事故,为矿山设备、人员安全提供了可靠的保障。     

厚砂土层斜井井壁应力分布规律三维光弹性模型试验

以穿越厚砂土层的某煤矿主斜井为工程背景,设计了物理模型试验,建立了斜井井壁三维光弹性应力冻结试验方法。实现了考虑斜向倾角作用下穿越厚砂土层斜井井壁应力状态的三维试验模拟,并结合应力冻结后模型横、纵向切片光弹测试得到的全场最大剪应力等值线图对井壁应力随埋深、环向角度变化规律进行了分析。研究结果表明,井壁横向切片内应力水平和应力分布不均匀性均远大于纵向切片,最大剪应力的应力集中区域出现在井壁两帮内缘水平面±25°范围内,斜井井壁顶部最大剪应力大于底部;随斜井井壁埋深增加,纵向应力近似线性增加,但不同环向角度对应的应力增加速度差异较大,从而导致不同埋深位置,井壁内部应力的量值和分布规律均有差异。