内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响

巷道围岩分区破裂化(或分区破碎化、分区碎裂化)是指在深部开挖巷道时围岩交替呈现破裂区和未破裂区的现象,该现象与对围岩破坏的传统认识不同。正确认识不同强度围岩分区破裂化的发育程度,可为其治理及应用奠定基础。巷道掘进会引起掘进工作面附近岩石涌向巷道,这将导致掘进工作面附近垂直于巷道轴线平面的应力状态并非平面应变,而是三维状态。采用以FLAC~(3D)应变软化模型为基础发展的非均质应变软化模型(通过引入Weibull分布函数实现),研究了内摩擦角对逐步开挖拱形巷道围岩分区破裂化的影响,考察了围岩中剪切应变增量、最小主应力及最大主应力在巷道即将贯穿模型时的分布规律。研究发现:①内摩擦角越小,围岩的破坏越严重,剪切带的发育越充分,分区破裂化越明显;②并非围岩的破坏就会导致分区破裂化,围岩破坏到一定程度后,才会出现分区破裂化;③分区破裂化的机理为:在载荷及开挖作用下,在过巷道轴线的平面上,随机分布的缺陷发展成(共轭)剪切带,从而在垂直于巷道轴线的平面上,形成多个相间隔的圆环形的破坏区。本文过巷道轴线平面上的结果与室内实验结果在定性上一致。根据本文的研究,在垂直于巷道轴线的不同平面上,分区破裂化不同,这意味着不必选择统一的巷道支护参数,例如,在分区破裂化显著的部位,延长锚杆的长度,反之则不然。     

深部巷道围岩分区破裂化数值模拟

对应变软化模型岩体的变形机理进行分析,确定了巷道围岩产生分区破裂的前提条件为岩体变形进入峰后塑性及残余破坏阶段。对地下硐室围岩应力变形状态进行FLAC数值模拟,并基于破坏接近度指标对围岩完整状态进行描述。结果表明：分区破裂化与岩体峰后特性密切相关,是应变软化模型特有的属性,理想弹塑性模型并不能产生分区破裂化;计算结果对网格精度具有依赖性,当近巷网格大小为巷道半径的1/60时,巷道围岩出现螺旋带破裂区域,产生分区破裂,而在粗糙网格下则为传统弹塑性环状对称变形;分区破裂化区域受平面内侧压力系数影响显著,分区破坏主要集中在硐室围岩应力较大的方位;分区破裂化是巷道开挖过程中二次应力场在时间和空间重分布的结果。     

高垂直应力状态下巷道围岩分区破坏特征试验研究

通过自行研制的CM60/10平面应变试验台配合三轴伺服试验机,发挥伺服稳压性能,采用相似材料模拟配合数值模拟验证的手段,分析了高地应力λ<1状态下无支护巷道围岩破坏过程及特征。试验结果表明:1)破坏首先发育在巷道两帮中线,局部破坏产生后,逐渐形成一对"楔形"破坏区域。在应力卸压区内,围岩呈分区破裂形式。深部滑移线由"楔形"破坏区域尖端点处开始延伸,基本符合对数螺线形式;2)巷道破坏过程中,依次出现"楔形破裂带","二次破裂带""贯通失稳带"3个过程分区。研究指出此类地应力下不同变形时期内,除控制顶底板初始变形外,围岩裂隙控制的重点应依次在巷道两帮、肩部和底角、顶板;3)通过对λ<1状态下围岩破坏的数值模拟发现:两帮围岩垂直应力呈"波浪状"分布,塑性破坏区呈"分区演化",垂直位移呈"锯齿状"分布,与物理试验基本吻合。     

深部围岩位移破坏及穿层钻孔封孔优化

基于深部和浅部巷道围岩地应力差异,理论分析了浅部巷道围岩特征为单应力峰值、单一破裂区,深部巷道围岩特征为多应力峰值、分区破裂。现场观测了深部巷道围岩位移呈现波峰、波谷交替出现的规律,波峰部位为破坏区,波谷部位为非破坏区;破坏呈现破裂区和完整区间隔的分区破裂现象,破裂区一般为4~5个,破裂区范围明显大于浅部巷道围岩破裂部位。优化了穿层钻孔封孔深度为8~10 m,通过单孔抽采量考察,结果表明穿层钻孔单孔抽采纯量高达28 m~3/d,平均抽采浓度达20%以上,抽采量提高近10倍,抽采浓度提高4倍以上,抽采效果显著提高。     

巷道围岩蠕变分区破裂化范围的确定

在分析巷道围岩分区破裂化特性的基础上,建立了巷道围岩蠕变破裂化力学模型,推导出巷道蠕变破裂带计算半径公式;在方庄一矿560 m水平运输大巷观测了巷道围岩深部分区破裂化现象,并绘制出围岩的分区破裂图。其结果为该巷道的支护方案提供一些理论参考。     

深部洞室围岩分区破裂化的研究现状与分析

深部岩体工程在开挖洞室或巷道时,围岩的变形和破坏出现了一系列新的科学特征现象,如岩爆和围岩分区破裂化。其中,深部巷道围岩的分区破裂化现象与浅埋地下巷道开挖时在其洞周出现破裂区、塑性区和未扰动弹性区依次排列的现象有很大不同,这引起了国际上岩石力学工程领域专家学者的极大关注。本文根据国内外对分区破裂化研究现状,分析总结了分区破裂化现象的研究成果,并对该领域的研究方向进行了探讨。     

深部巷道围岩分区破裂现象数值模拟研究

以某矿-910 m水平某段巷道为工程背景,利用FLAC~(3D)数值模拟研究深部巷道围岩分区破裂现象,分析总结了模型网格精度、初始地应力及侧压系数对深部高应力巷道围岩分区破裂现象的影响。     

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。     

冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩破坏特征研究

基于冬瓜山铜矿深部出矿巷道围岩稳定性难以控制的难题,选取具有代表性的位置进行出矿巷道断面现场钻孔测试。为确保测试数据直观、经济、准确度高,提出钻孔岩芯法进行出矿巷道围岩破坏特征的研究。结合出矿巷道的工程地质状况、钻孔深度及岩芯采用率,提出岩芯碎块法、岩芯缺失法、岩芯长度小于3cm为破裂区3种方法进行研究,同时提出"同一位置多断面分析法"对数据进行处理分析。研究结果显示:深部出矿巷道围岩以破裂区、完整区相间隔的方式排列,形成典型分区破裂特征,且靠近采场一侧破碎情况严重;围岩一般破裂成3或4个破裂区,且远离巷道的破裂区稳定性有所提高。     

急倾斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征

急倾斜煤层的赋存环境及水平分段综放的开采方式加剧了综放工作面采场结构与应力演化的复杂性,增加了综放工作面稳定性评估的难度,为此采用多手段联动的方法对煤岩体结构与巷道围岩破裂特征进行综合探测。通过急倾斜煤层综放工作面覆岩结构与应力分析巷道围岩产生分区破裂的力源条件;基于钻孔应力监测、声波探测、光学钻孔摄像等监测方法,获得了巷道围岩质量与离层区分布位置,钻孔内壁裂隙发育程度、裂隙数量与长度以及动态破裂演化特征。综合分析表明：急倾斜特厚煤层巷道围岩破碎具有分区分布特征,顶板与两帮裂隙呈现不规则的分区演化特征,裂隙区与完整区交替出现,煤体侧巷道帮的裂隙分布区域大于岩体侧。     

有分区破裂化倾向的深部巷道围岩支护分析

在分析总结巷道围岩分区破裂机理研究现状的基础上,阐述了深部岩体特性对巷道破坏和支护的影响,探讨了现有支护荷载理论用于深部岩体工程的局限性。进一步分析了深部巷道支护方法对有分区破裂化倾向的深部巷道围岩的适用性,并针对深部工程的复杂物理力学特性和地质环境条件,提出了动态联合支护理念。     

深部巷道破坏分区破裂规律三维相似材料实验

为了探究不同应力状态下巷道围岩的分区破裂规律、影响因素,选择沙土材料为相似材料进行三维模拟实验。试验采用3种加载方式：双向加载、 “圆筒模型加载”和真三轴加载,分别模拟不同采深时围岩的应力状态,巷道的断面形状分别选取了圆形、方形。模型试验研究表明：分区破裂属于空间剪切带破坏,平行于硐室轴线方向应力较大(约是材料抗压强度的1.6倍以上)是形成分区破裂的重要条件。影响分区破裂的因素有围压的大小与分布,开挖巷道所在岩层的相邻岩层性质。围压大且均匀,分区破裂范围大,围压较小且不均匀,分区破裂不明显。层与层之间材料不同时,会影响到裂纹的扩展。而硐室形状对分区破裂的影响因素较小。圆形、方形硐室周围都出现了分区破裂现象。     

Strain Gradient Model of Zonal Disintegration of Rock Mass near Deep-Level Tunnels

This paper presents one strain gradient model of zonal disintegration of rock mass near deep level tunnel. The governing equations and boundary conditions of the model are established. Numerical methods (quasi-Newton method and shooting method) are adopted to solve the obtained fourth-order equilibrium equations with higher order boundary conditions in terms of displacement. The stress field in elastic and plastic zones is obtained. The effects of model parameters on stresses distribution in surrounding the tunnel rock mass are examined. The necessary conditions for the formation of zonal disintegration are elucidated.     

深埋巷道围岩多次破裂现象与裂隙张开度研究

采用深部围岩位移监测、声波测试和全景数字化钻孔成像观测多种测试手段相结合的方法,获得了淮南朱集煤矿-906 m水平的风井车场南绕道围岩的破裂区分布情况。通过对比分析,确定了各破裂区的裂隙张开度大小。结果表明,裂隙张开度从巷道表面向深部呈现减小的趋势。     

Effects of the axial in situ stresses on the zonal disintegration phenomenon in the surrounding rock masses around a deep circular tunnel

A new non-Euclidean model in which effects of the axial in-situ stress with arbitrary value on the zonal disintegration phenomenon in the surrounding rock masses around a deep circular tunnel is taken into account is established. The total elastic stress-field distributions of the surrounding rock around a deep circular tunnel including effects of the axial in-situ stress were given out. The strength criterion of the deep rock masses is applied to determine the occurrence of disintegration zones. The numerical computation was carried out. It is found from numerical results that number and size of fractured and nonfractured zones are sensitive to the axial in-situ stress, tangential, radial and axial normal stress, the intermediate principal stress coefficient and the rock mass rating classification RMR.     

金属矿山深部巷道掘进期间地压监测系统和活动特征分析

为研究金属矿山深部巷道掘进期间围岩地压显现特点,在深部生产区域构建微震监测系统,观测巷道掘进过程围岩微震活动的时空特征,进一步研究了巷道围岩不同位置微震活动率的原因。结果表明：巷道掘进过程中微震事件矩震级范围主要集中在-4.37~0.063,微震事件矩震级平均值为-2.08,微震事件的能量释放较低。微震事件主要分为3个区域,分别为受断层构造影响的区域、受已有巷道施工爆破影响的区域及距离掘进巷道相对较远的区域;围岩体中累积视体积成核及视应力集中区域位置随着巷道掘进过程而改变,距离断层越近累积视体积成核及视应力聚集程度较高,距离断层越远累积视体积成核及视应力聚集程度发生明显降低;微震监测系统能够定量监测掘进巷道围岩体破裂情况,并能实时获取围岩体微震事件的演化规律,较传统岩体监测技术具由非常大的优势。     

渗流作用下深部巷道分区破坏的非欧模型

深部开采过程中巷道围岩呈现分区破坏的特点。针对煤与瓦斯突出、底板破坏等实际工程问题获得了静水压力渗流作用下深部巷道的非欧模型应力分布解。新应力解由两部分组成:一部分是经典解,另一部分是非欧解。运用Mohr-Coulomb屈服准则作为判断新应力解分布引起分区裂化现象的条件。通过数值计算,获得了下列结论:当渗流压力存在时,深部围岩的分区破坏现象依然存在;远场渗透压力增加减小了靠近巷道的环向应力,且井壁渗透压力对巷道的环向应力的影响较小;在远场渗透压力作用下,孔隙度的增加降低了巷道的环向应力;运用Mohr-Coulomb屈服准则,估算了破坏区的位置和宽度;利用建立的有渗流作用的非欧模型解释了煤炭开采过程中的分区破坏现象。研究结果可为理解渗流作用下深部围岩分区破坏提供参考。